Offre de thèse
CD : Modélisation multi-physique et multi-échelle des processus d'écoulement et de transport de chaleur en milieux poreux fracturés : application à la géothermie
Date limite de candidature
15-05-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
GOLFIER Fabrice
Encadrement
Behshad Koohbor (MCF, UL GeoRessources)
Type de contrat
école doctorale
équipe
Hydrogéomécanique multi-échelles (Axe GéoModèles)contexte
La simulation des processus d'écoulement et de transport des fluides dans les milieux poreux fracturés est un élément essentiel de la recherche en géothermie, qui a gagné en importance au cours des dernières décennies. Parmi ces questions et enjeux majeurs, on peut citer (1) la représentation quantitative de la géométrie des fractures, l'identification des fractures individuelles, du réseau de fractures et de leur ouverture, (2) la définition des propriétés hydrodynamiques des fractures et du réseau de fractures, (3) la simulation des processus d'écoulement et de transport en raison de la nature multi-échelle, multiphysique et non linéaire des couplages complexes en jeu et (4) les effets combinés des trois points précédents. Différentes méthodes numériques ont été mises au point pour résoudre les problèmes susmentionnés. Les descriptions implicites du réseau de fracture, telles que les modèles continus de milieu poreux équivalent (à simple porosité ou porosité multiple), offrent une efficacité de calcul intéressante mais manquent de précision et de description des échanges autour des fractures individuelles. Les approches explicites, telles que le modèle de fractures discrètes (DFN ou DFM pour Discrete Fracture Matrix Model selon que les échanges avec la matrice soient pris en compte), fournissent des représentations plus réalistes, mais sont très lourdes en termes de calcul et nécessitent des descriptions préalables détaillées de la géométrie du réseau de fractures. Par conséquent, l'applicabilité de l'approche et la sensibilité des résultats dépendent fortement de l'échelle temporelle et spatiale du problème. Ce sujet doit être étudié de manière plus approfondie en ce qui concerne la production d'énergie géothermique. En outre, l'évaluation des réservoirs géothermiques utilise souvent une combinaison de méthodes géophysiques pour caractériser la formation géologique, y compris l'identification et la cartographie des failles et des zones fracturées. La tomographie de résistivité électrique et le potentiel spontané ne sont que des exemples de ces méthodes géophysiques. Afin d'appliquer les méthodes géophysiques électriques aux systèmes géothermiques, il est ainsi nécessaire de disposer de simulateurs couplés très performants (c'est-à-dire de modèles directs et inverses) capables de discrétiser avec précision et efficacité les équations différentielles régissant l'écoulement, le transport de la chaleur et le courant électrique dans les milieux poreux fracturés.spécialité
Mécanique - Génie Civillaboratoire
GeoRessources
Mots clés
milieux poreux fracturés, géothermie, modélisation multiéchelle, géophysique, transfert de chaleur
Détail de l'offre
La simulation des processus d'écoulement et de transport des fluides dans les milieux poreux fracturés est un élément essentiel de la recherche en géothermie, qui a gagné en importance au cours des dernières décennies.
Ce projet de doctorat a pour but d'étudier et de développer des simulateurs multiphysiques avancés dans les milieux poreux fracturés et d'appliquer ces connaissances à la production d'énergie géothermique. Plus spécifiquement, la motivation pour entreprendre cette thèse de doctorat est une tentative pour : (1) mieux comprendre les processus d'échange (c'est-à-dire l'écoulement des fluides, le transport de chaleur et la charge électrique) entre les fractures et la matrice, (2) une analyse de sensibilité pour mieux adapter le type d'approche pour les fractures en fonction de la lithologie du réservoir, (3) l'application de la géophysique électrique dans les réservoirs géothermiques fracturés et (4) le développement d'un outil numérique adapté à la simulation des processus d'écoulement et de transport couplés à la migration des charges électriques à l'échelle de Darcy qui soit précis et efficace (c'est-à-dire d'un point de vue numérique) dans les milieux poreux fortement fracturés.
Dans un premier temps, un modèle qui discrétise les processus d'écoulement et de transport de chaleur va être développé en appliquant des hypothèses qui réduiront la non-linéarité du système d'équations principalement induite par l'échange entre les fractures et la matrice. Différentes simplifications du modèle seront explorées, par exemple en incluant le réseau de fractures secondaires dans la description de la matrice poreuse.
Dans la deuxième étape du projet, nous nous concentrerons sur les simulations hydro-thermo géophysiques couplées en couplant la distribution de la charge électrique (c'est-à-dire spatiale et temporelle) au modèle développé précédemment, en utilisant la méthode des éléments finis mixtes hybrides pour la discrétisation de la loi d'Ohm. L'objectif final de cette partie du projet sera de développer un modèle inverse permettant d'estimer certaines propriétés hydrodynamiques du réseau de fractures dans les réservoirs géothermiques
Keywords
fractured porous media, geothermal energy, multiscale modelling, geophysics, heat transfer
Subject details
Simulating fluid flow and transport processes in fractured porous media is a crucial part of research on geothermal energy which has gained more attention in the previous decades. This doctoral project aims to study and develop some advanced multiphysics simulators in fractured porous media and apply this knowledge to the geothermal energy production. More specifically, the motivation for undertaking this doctoral dissertation is an attempt for: (1) better understanding the exchange processes (i.e. fluid flow, heat transport and electrical charge) between fracture and matrix, (2) a sensitivity analysis for better adaptation of the type of the approach for fractures based on the lithology of the reservoir, (3) the application of electrical geophysics in thermal fractured reservoirs and (4) developing a numerical tool suitable for the simulation of flow and transport processes coupled with electrical charge migration at Darcy scale which is accurate and efficient (i.e. computationally) in highly fractured porous media. In the first step, a model discretizing the fluid and transport processes is going to be developed by applying assumptions that will reduce the nonlinearity of the system of equations mainly induced by the exchange between fracture and matrix.Different simplifications of the model will be explored for instance by including the secondary fracture network within the description of the porous matrix. Comparison with multi-continuum models will be also investigated. In the second step of the project, we focus on the coupled hydro-thermo-geophysical simulations. Electrical charge transport (i.e. spatial and temporal) will be coupled to the previously developed model through the discretization of Ohm's law using the mixed hybrid finite element method. The final goal of this part of the project will be to develop an inverse model that may estimate certain hydrodynamic properties of the fracture network in geothermal reservoirs.
Profil du candidat
Le ou la candidat(e) doit être une personne très motivée et autonome, possédant un master ou diplôme d'ingénieur récent (ou équivalent) en géologie numérique, hydrogéologie ou génie des réservoirs, mécanique des fluides, mécanique computationnelle ou autres domaines pertinents. Il ou elle peut démontrer une connaissance fondamentale de la mécanique des fluides dans les milieux poreux et fracturés et une motivation pour le travail à l'interface entre les disciplines. Une expérience dans le développement/l'utilisation de méthodes numériques, en particulier les éléments finis, serait un atout, de même que la connaissance des langages de programmation FORTRAN et/ou Python. Une connaissance de l'anglais supérieure à la moyenne (niveau C1 ou supérieur) est fortement appréciée.
Candidate profile
The candidate must be a highly-motivated and self-directed person with a recent university master's degree (or equivalent) in numerical geology, hydrogeology and reservoir engineering, fluid mechanics, computational mechanics, or other relevant fields. He or she may demonstrate fundamental knowledge of fluid mechanics in porous and fractured media and motivation for work at the interface between disciplines. An experience in developing/using numerical methods, particularly the finite element would be an asset, as well as knowledge of FORTRAN and/or Python programming languages. Higher than average English knowledge (C1 level or above) is highly appreciated.
Référence biblio
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