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Analyse des dimensions d'écoulement et caractérisation hydrodynamique des aquifères complexes : du pompage à l'interprétation diagnostique

Ferroud Anouck. (2018). Analyse des dimensions d'écoulement et caractérisation hydrodynamique des aquifères complexes : du pompage à l'interprétation diagnostique. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

La discordance entre la complexité des écoulements au sein des aquifères et la simplicité des modèles analytiques rend l’interprétation des essais de pompage ambiguë et approximative. Actuellement, les praticiens hydrogéologues interprètent la plupart des essais de pompage à partir de modèles de type Theis. Ces modèles sont basés sur l’hypothèse d’un écoulement radial-cylindrique. La limite de cette approche est que lorsque le régime d’écoulement de l’aquifère pompé est non radial-cylindrique, l’application des modèles de type Theis mène à des estimations imprécises voir erronées des propriétés hydrodynamiques. Bourdet et al. (1989) intégrèrent le signal de la dérivée logarithmique du rabattement (ds/dlogt) dans la littérature pétrolière afin de déterminer les régimes d’écoulement d’un pompage. Affichées sur un diagramme log-log, les séries temporelles de la dérivée-log de s révèlent des pentes caractéristiques qui expriment les régimes d’écoulement induits par le pompage. Pour certains régimes d’écoulement, il existe des modèles conceptuels qui permettent de conceptualiser la géométrie des écoulements, la configuration des propriétés hydrauliques et la nature des frontières hydrauliques. L’utilisation de solutions analytiques qui sont adaptées aux régimes d’écoulement réellement observés lors d’un pompage, permet ainsi d’estimer des propriétés hydrauliques qui sont plus fidèles à la réalité. Le signal de la dérivée log de s permet donc d’aborder l’interprétation des essais de pompage avec une nouvelle approche diagnostique puisque les régimes d’écoulement sont observés plutôt que d’être supposés à l’aveugle. Cette approche a l’avantage d’apporter beaucoup plus d’informations qu’une simple analyse conventionnelle de s, sans nécessiter pour autant plus de mesures sur le terrain. Face à ce potentiel diagnostique, une multitude de modèles analytiques ont été mis à jour afin d’intégrer le signal ds/dlogt dans les études et de nouveaux modèles conceptuels ont été développés. Alors que la recherche en lien avec l’industrie pétrolière est florissante dans le domaine et que l’analyse de la dérivée-log de s est couramment appliquée dans les études, ce type d’analyses est encore peu utilisé par les praticiens de l’hydrogéologie. Barker (1988), proposa le paramètre de la dimension d’écoulement n afin d’interpréter le comportement hydrodynamique de l’aquifère pour n’importe quelle pente de la dérivée-log de s. Ce paramètre reflète l’évolution transitoire et spatio-temporelle de la surface de l’onde de pression (surface équipotentielle traversée par les écoulements A(r)) au fur et à mesure qu’elle se diffuse à travers l’aquifère (A(r) = rn-1). Ainsi, en se propageant, l’onde de pression va se déformer selon l’hétérogénéité du milieu. Lorsque celle-ci atteint un comportement stable, il est possible de déterminer n à partir des pentes du signal ds/dlogt. L’analyse des séquences de n est donc un outil pertinent pour analyser les aquifères complexes (non-theissiens) car elle permet d’investiguer les différents comportements hydrauliques de l’aquifère qui sont ressentis par l’onde de pression en se propageant. Les séquences de n permettent ainsi de « scanner » autour du puits, les changements hydrodynamiques, ce qui permet ensuite d’en déduire des hypothèses sur la géométrie des écoulements et/ou la configuration des propriétés hydrauliques. Malgré son potentiel diagnostique, l’analyse séquentielle de la dimension d’écoulement est encore peu abordée dans la littérature, à la fois pétrolière et hydrogéologique. Le présent travail vise à participer à l’émancipation des outils diagnostiques basés sur l’analyse séquentielle de n par une approche intégrée qui combine une revue de littérature, des données de terrain et une analyse numérique. En effet, afin de contribuer à réduire le « fossé » entre la littérature pétrolière et la littérature en hydrogéologie, une revue de littérature exhaustive des séquences de n et des modèles conceptuels associés a été élaborée afin de proposer un catalogue des régimes d’écoulement (premier article de cette thèse). L’objectif de ce travail est également de promouvoir l’utilisation combinée du signal de la dérivée log de s et de la dimension d’écoulement. L’analyse séquentielle de la dimension d’écoulement est un outil très pertinent pour investiguer le comportement hydrodynamique des aquifères complexes. De plus, afin d’approfondir la compréhension physique de la dimension d’écoulement, une base de données de n a été construite à partir d’essais de pompage issus d’environnements géologiques différents tels que des socles rocheux granitiques, des milieux carbonatés (peu ou très fracturés), des arènes granitiques et des dépôts fluvio-glaciaires. Cette analyse de données de terrain a permis i) d’apprécier l’occurrence de n dans la nature, ii) de constater la diversité et la complexité des comportements hydrodynamiques des aquifères (et donc le manque d’applicabilité du modèle de Theis) et iii) d’établir des relations statistiques entre des contextes géologiques et les valeurs de n. Enfin, cette base de données a permis de cibler un comportement hydrodynamique qui soit réellement observé dans la nature mais encore peu analysé dans la littérature. Une analyse numérique a ainsi permis d’investiguer le comportement hydrodynamique d’un aquifère à substratum incliné en suivant l’évolution du front de pression à travers le milieu. Cette étude permet de contribuer au catalogue des régimes d’écoulement en proposant une nouvelle séquences de n (n = 2 – 2 – 3) afin de détecter et d’analyser les aquifères à substratum incliné. Une étude de sensibilité a également permis de proposer des équations afin d’estimer plus précisément les propriétés hydrauliques de ce type d’aquifère.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2018
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:363
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences appliquées > Eau et environnement
Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Chesnaux, Romain
Rafini, Silvain
Mots-clés:aquifères complexes, dérivée log du rabattement, dimension d'écoulement, essai de pompage, interprétation diagnostique
Déposé le:01 août 2018 09:24
Dernière modification:15 août 2018 15:38
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