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THOMAS Hadrien

Ecole doctorale : Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences
Sujet : Influence de la stratigraphie séquentielle et de la diagenèse sur la qualité des modélisations hydro-dynamiques et thermiques des réservoirs argilo-gréseux : implication pour le développement de la géothermie dans le Bassin de Paris
Directeurs de thèse : Hermann ZEYEN et Benjamin BRIGAUD
Mots clefs : sédimentologie, stratigraphie, réservoirs, modélisation, hydrologie, thermicité

Description de la problématique de recherche
La qualité des réservoirs géologiques est l’un des facteurs « risque » pour le développement futur du stockage d’énergie, de gaz ou 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. Mieux intégrer les processus diagénétiques et l’architecture stratigraphique fine dans des modèles géologiques 3D à l’échelle du réservoir semble essentiel pour caractériser la dynamique et la thermicité des fluides (eau, CH4). En effet, ces vingt dernières années, les travaux en pétrographie sédimentaire montrent que les processus de dépôt (paléo-environnements et paléo-géographies) et les phénomènes diagénétiques jouent un rôle important dans la répartition spatio-temporelle des corps sédimentaires et de leurs propriétés réservoirs. Il devient donc indispensable d’acquérir aujourd’hui l’ensemble de ces connaissances pour optimiser et développer des modélisations hydrodynamique et thermique fiables, essentielles à l’exploitation de ce type d’aquifère. Une des solutions de réaliser la transition énergétique en France, et notamment en Ile-de-France est de mobiliser l’énergie contenue dans notre sous-sol, telle que la géothermie, ou d’utiliser le sous-sol pour le stockage d’énergie (sous toutes ces formes). Le fait que l’exploitation géothermique de certain aquifère (Dogger) arrive à saturation en Ile-de-France amène à orienter l’exploration de nouveaux aquifères. L’objectif de ce projet de thèse est d’améliorer la connaissance des aquifères silicoclastiques du bassin de Paris (Jurassique supérieur et Crétacé inférieur) afin d’optimiser et rendre durable et soutenable les futurs développements géothermiques dans ce bassin sédimentaire.

Objectifs
Un premier objectif est de reconstruire l’architecture stratigraphique et sédimentaire des réservoirs argilo-sableux sélectionnés pour la thèse, d’après l’étude des échantillons de roche (sur carottes, lames minces) et des diagraphies afin d’en déduire les lithofaciès. Afin de comprendre au mieux les possibles interactions fluide/minéraux, il est indispensable de caractériser l’ensemble des processus diagénétiques affectant les sédiments afin de caractériser les colmatages par cimentation (chlorite, quartz, calcite…), les dissolutions, ou la pression-solution. L’extension de ces processus à l’échelle du pore, associée à l’architecture sédimentaire et au faciès permettra d’extrapoler et de proposer une architecture à l’échelle du réservoir. Il s’agira également de tester le degré de relation entre le faciès sédimentaire, les processus physico-chimiques (diagenèse) et la qualité du réservoir (par préservation de la porosité au cours du temps). La caractérisation de la distribution spatio-temporelle des faciès devra aboutir à la modélisation statique 3D de l’architecture du réservoir en utilisant les concepts de la stratigraphie séquentielle et l’analyse statistique des observations sur échantillons. Cette modélisation statique, combinée avec la modélisation dynamique de l’écoulement de l’eau, permettra d’évaluer l’impact des hétérogénéités sédimentaires et de la connectivité des corps sableux sur l’écoulement et le transfert de chaleur et leurs conséquences pour une exploitation géothermique ou son utilisation pour un stockage d’énergie ou de gaz (efficacité et rentabilité de l’exploitation, durée de vie thermique…).

Contexte
Le contexte de ce projet de thèse repose sur le développement en cours de réseaux de chaleur géothermique exploitant des aquifères silicoclastiques de basse température (environ 30°C) dans le bassin de Paris, et notamment sur le plateau de Saclay et sur le développement futur du stockage d’énergie dans des réservoirs. Dans un contexte d’augmentation mondiale de la demande énergétique (3% par an) et de réchauffement climatique dû à l’exploitation des énergies fossiles, des solutions moins émettrices de CO2 et beaucoup plus durables doivent être trouvées. Une des solutions permettant de réaliser la transition énergétique est de mobiliser l’énergie contenue dans notre sous-sol, telle que la géothermie, qu’elle soit à très basse, basse ou haute énergie ou la capacité de stockage d’énergie dans notre sous-sol. Il convient d’obtenir des connaissances précises des propriétés des aquifères en terme de géométrie, minéralogie, qualité réservoirs, perméabilité, ainsi que des propriétés thermiques, pour une modélisation thermique et hydrodynamique. Pouvoir intégrer l’architecture stratigraphique et les processus diagénétiques dans les modélisations hydro-dynamique et thermique de certain aquifère du sous-sol de l’Ile de France (latéraux et verticaux) est donc un enjeu important dans l’optique d’optimiser les usages croisés des réservoirs géologiques (ressource en eau potable, chaleur ou propriétés de stockage).

Méthode
La méthodologie consistera à décrire des carottes de certains réservoirs silicoclastiques clefs, à réaliser une description pétrographique (sédimentaire et diagénétique), à élaborer un schéma stratigraphique et de proposer une modélisation statique 3D rendant compte des propriétés réservoirs (porosité et perméabilité). Des modélisations hydro-dynamiques et thermiques du réservoir seront réalisées avec le logiciel TOUGH2 développé par le Lawrence Berkeley National Laboratory. Le problème majeur de la modélisation numérique sera la façon d‘intégrer le changement d’échelle entre les observations sur carotte voire lame mince et les modèles à l’échelle kilométrique. Ce genre d’étude semble être un prérequis à toute amélioration de la prédiction des écoulements (hydro-dynamique et thermique) dans ces réservoirs.