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VIROLLE Maxime

Origine et prédiction spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques – Apports de la comparaison entre des réservoirs anciens (Dévonien à Jurassique) et d’un analogue actuel (Estuaire de la Gironde)

Directeur de thèse : Benjamin Brigaud (Univ. Paris-Sud)

co-encadrants : Eric Portier (ENGIE), Raphaël Bourillot (Institut Polytechnique de Bordeaux) et Patricia Patrier (Univ. Poitiers)

Préambule – Ce sujet de thèse intitulé « Origine et prédiction spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques – Apports de la comparaison entre des réservoirs anciens (Dévonien à Jurassique) et d’un analogue actuel (Estuaire de la Gironde) » vise à mettre en parallèle (1) des observations et caractérisations sédimentologiques de dépôts quaternaires avec (2) des observations et analyses d’échantillons de subsurface afin de mieux comprendre l’origine du développement des tapissages argileux dans les grès. Il s’agira également de tester le degré de relation entre ce processus physico-chimique et le développement de réservoirs ou la préservation de qualités réservoirs. Ce projet s’insère dans un programme de recherche et développement (R&D) en géologie sédimentaire intitulé CLAYCOAT « CLAY COATing in shallow marine clastic deposits to improve reservoir quality prediction ». CLAYCOAT est un programme national financé par ENGIE associant les Universités Paris-Sud, de Poitiers, l’Institut Polytechnique de Bordeaux et ENGIE.

Résumé : La qualité des réservoirs est l’un des facteurs « risque » pour l’exploration d’hydrocarbures ou pour le développement futur de la géothermie dans les hydro-systèmes silicoclastiques. En effet, les propriétés de porosité et perméabilité contrôlent en grande partie la qualité de ces réservoirs. Ces vingt dernières années, les travaux sur la diagenèse des grès montrent que la présence de tapissages argileux -notamment chloritiques- entourant les grains détritiques de quartz (ou grain coatings) est associée à des réservoirs à fortes perméabilités (Ehrenberg, 1993, Bloch et al., 2002, Worden and Morad, 2003, Dowey, 2012). Ces tapissages inhibent notamment la précipitation de ciment de quartz au cours de la diagenèse d’enfouissement, et préservent ainsi les fortes porosités (>20%) et perméabilités (>100mD) même à des profondeurs très importantes (>3500 m). Leur extension à l’échelle du pore est déterminante sur la porosité. Des tapissages continus inhibent complètement la cimentation de quartz tandis que des tapissages discontinus laissent de l’espace permettant la nucléation de surcroissances. Une des hypothèses est que ces tapissages argileux se mettent en place précocement dans une partie des sables se déposant dans divers environnements comme les estuaires, les deltas, les plaines fluviatiles ou les dunes éoliennes.

Les réservoirs localisés dans des formations estuariennes (ex. en Mer du Nord) incluent d’abondants faciès à tapissages argileux qui forment souvent d’excellents réservoirs d’hydrocarbures. Dans ces formations détritiques, même si le lien entre présence de tapissage argileux et bonne perméabilité est maintenant bien admise, il existe beaucoup d’incertitudes sur leur variabilité spatiale, ce qui limite la prédiction des qualités réservoir. L’origine de ce(s) facteur(s) de contrôle fait actuellement l’objet de débats dans la communauté scientifique. En effet, les données de sub-surface montrent que ces tapissages argileux ont une répartition très hétérogène, même dans un cadre sédimentologique bien contraint (barres sableuses tidales), et leur présence est difficilement prédictible. Les conditions de dépôt de ces argiles : position dans l’estuaire, chimie de l’eau, timing, rôle des tapis microbiens et des macro organismes (e.g. Haile et al., 2015) sont très peu connues. Afin d’améliorer la productivité des réservoirs à hydrocarbures ou d’assurer la disponibilité de la ressource géothermique de manière durable, ce projet vise à mieux définir l’origine, la nature et la localisation spatio-temporelle des tapissages argileux dans un cadre sédimentologique et stratigraphique bien défini.

L’approche adoptée sera de comparer des réservoirs anciens (produits ou explorés par ENGIE : Mer du Nord, Australie, Algérie) avec un analogue actuel (bassin d’Arcachon et estuaire de la Gironde) en répondant, par exemple, aux questions suivantes sur l’origine des tapissages argileux :

Quelle est leur minéralogie ?
Sont-ils associés à un hydrodynamisme spécifique dans l’estuaire ?
Quels sont les paramètres physico-chimiques (température, turbidité, salinité, pH, potentiel RedOx…) qui contrôlent la floculation de l’argile autour des grains détritiques et dans quel faciès et quels corps sédimentaires sont-ils produits de manière maximale ?
Quel est le rôle des tapis microbiens dans la formation des tapissages argileux ?
Les tapissages sont-ils systématiquement associés à de bonnes qualités réservoirs ?
Quel est le lien entre l’apparition ou la présence des tapissages argileux, stratigraphie séquentielle et environnement de dépôt ?

Ce type d’étude semble être un prérequis pour toute amélioration dans la prédiction de la qualité des réservoirs, et pourrait donc augmenter considérablement la fiabilité de la modélisation 3D de ces réservoirs.

Contexte : Ce projet s’insère dans un programme de recherche et développement (R&D) en géologie sédimentaire intitulé CLAYCOAT « CLAY COATing in shallow marine clastic deposits to improve reservoir quality prediction ». CLAYCOAT est un programme national financé par ENGIE associant les Universités Paris-Sud, de Poitiers, l’Institut Polytechnique de Bordeaux et ENGIE.

Ce projet a démarré le 1er janvier 2015 et se terminera en 2018. L’objectif de ce programme R&D est d’essayer d’améliorer notre compréhension sur le dépôt d’argile dans les séries sableuses estuariennes, formant de minuscules (10 micromètres) tapissages argileux autour des grains de quartz. Même minuscules, ces tapissages favorisent la conservation des bonnes porosités et perméabilités des sédiments lors de leur enfouissement, même à très grandes profondeurs (>3500m) et contribuent ainsi à former des réservoirs d’eau ou d’hydrocarbures. En revanche, les conditions de formation de ces argiles restent très peu connues (lieu dans l’estuaire, chimie de l’eau, timing…). Par analogie avec des analogues actuels, les processus en jeu déterminant la minéralogie et la distribution spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs anciens devront être mieux appréhendés afin de prendre en compte ces paramètres dans les modèles de prédictions des qualités réservoirs.