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MOREAU Kévin

Directeur de thèse : BRIGAUD Benjamin, Co-encadrant : ANDRIEU Simon

Caractérisation des hétérogénéités réservoirs des systèmes carbonatés continentaux - Liens entre faciès sédimentaire, propriétés microstructurales, diagenèse et réponse pétrophysique

Résumé du projet de thèse
 : L’exploration menée dans l’Atlantique-Sud dans les années 2000, sous des profondeurs d’eau de 2 à 3 km, notamment au large du Brésil (bassins de Campos et Santos) a permis d’atteindre des réservoirs carbonatés présents sous une épaisse couverture d’évaporites, réservoirs connus sous le nom de pre-salt (Beltrao et al., 2009). De grandes découvertes d’hydrocarbures ont été effectuées dans ces réservoirs carbonatés qui correspondent à des environnements continentaux (Carminatti et al., 2009, Saller et al., 2016). Très vite, leur mise en production a mis en exergue le manque de connaissance des propriétés pétrographiques, diagénétiques, microstructurales et pétrophysiques des carbonates continentaux, qui constitue un verrou important pour une meilleur caractérisation et modélisation du réservoir. D’une manière générale, les carbonates continentaux sont moins étudiés et connus que les carbonates de domaine marin. De nombreux travaux de Recherche et Développement ont récemment été engagés sur cette thématique (Beltrao et al., 2009) afin de comprendre / prédire leur hétérogénéité « réservoir ». Le challenge applicable est d’utiliser la connaissance des faciès sédimentaires pour optimiser le drainage des réservoirs. Dans la communauté française, nous pouvons citer les travaux académiques engagés récemment par les équipes d’Aix-Marseille, de l’Université de Bourgogne, du laboratoire de Géologie de l’ENS en collaboration avec Total ou l’IFPEN (Letteron et al., 2018, Teboul et al., 2016, Vennin et al., 2018, Bailly et al. soumis). Ces travaux ont pu mettre en évidence les caractéristiques drastiquement différentes des carbonates continentaux par rapport à leurs homologues marins, avec une complexité faciologique, pétrophysique, ou encore diagénétique. La forte composante microbienne et la forte variabilité de salinité des milieux de carbonatation continentale, d’une manière générale, rend les processus de dépôts et de diagenèse très particuliers et donc difficiles à décrypter. Par exemple, les phénomènes de silicification sont communs dans ce type de formation, mais la littérature sur leur origine (processus, types de fluides…) est peu abondante (e.g. Thiry et Ribet, 1999, Teboul et al., 2019). La variabilité des environnements : lacustres, palustres, côtiers, lagunaires, de sols, calcrêtes, travertins et des processus diagénétiques rend complexe la prédiction en terme pétrophysique ou de (micro)fracturation. En conséquence, les modélisations des réservoirs sont très aléatoires par manque de lien clairement établis entre perméabilité, propriétés acoustiques, faciès sédimentaire et diagenèse. La complexité des paramètres sédimentaires et diagenétiques affectant les carbonates continentaux aboutit également à des propriétés de résistance mécanique variées et difficilement prédictives, bien que leur caractérisation soit essentielle dans les zones urbanisées.
Cette difficulté à caractériser les hétérogénéités réservoirs et géo-mécaniques des systèmes carbonatés continentaux constitue la problématique centrale de ce projet dans lequel des liens entre faciès sédimentaire, microstructure sédimentaire et structurale, diagenèse et réponse pétrophysique devront être trouvés.

Les formations cénozoïques (Danien à Aquitanien) du Bassin de Paris se sont déposées sur une grande plate-forme à sédimentation mixte carbonatée, silicoclastique et évaporitique (Mégnien et Mégnien, 1980, Aubry et al., 2005). Cette plate-forme a subi quelques incursions marines franches (Danien, Lutétien) mais une grande partie de sa sédimentation s’est effectuée en environnements restreints, majoritairement continentaux i.e. lacustres, palustres, à salinité très variables, avec des phénomènes microbiens très marqués (Thiry, 1989, Thiry et Ribet, 1999). Les dépôts de carbonates continentaux de cette plateforme carbonatée ont été abondamment étudiés dès le XIXème siècle pour leur contenu faunistique (e.g. Lapparent, 1883). Les travaux récents de Briais (2015) et Gély (2016) ont permis de reconstituer l’évolution des faciès, des paléo-environnements, des paléo-géographies et de l’architecture sédimentaire de cette plate-forme. Le travail de thèse de Justine Briais est basé sur les données de surface et de sub-surface et la description de coupes sédimentaires et du forage carotté d’Ussy-sur-Marne présent à la géothèque du BRGM. Trois grands cycles transgressifs-régressifs sont identifiés et corrélés à l’échelle du bassin grâce à l’identification de discontinuités majeures correspondant à des surfaces séquentielles. Le cadre chronostratigraphique est bien connu. Les carbonates continentaux du bassin de Paris, intensément forés et carottés actuellement avec le chantier du Grand Paris, offrent un cas d’étude exceptionnel pour définir leurs signatures faciologiques, diagénétiques, microstructurales et pétrophysiques pour caractériser les différents degrés d’hétérogénéité (micro, méso et macro).

La construction de modèles permettant d’être prédictif à la fois sur la répartition des faciès et des processus diagénétiques dans les systèmes carbonatés est un verrou essentiel pour une meilleure prédiction spatiale des propriétés réservoirs (Morad et al., 2010). La plate-forme carbonatée continentale cénozoïque du Bassin de Paris, constitue de bons réservoirs, qui méritent d’être caractérisés en détails. En Ile-de-France, ces réservoirs sont localisés sous un des bassins de populations les plus important d’Europe avec 12 millions d’habitant. Ils constituent donc une ressource importante du sous-sol parisien. Les calcaires comme les Travertins de Brie (Rupélien), les Calcaires de St Ouen (Bartonien), ou encore les Marnes et Caillasses (Lutétien-Bartonien) servent « d’armatures rigides » à de nombreux aménagements dans le sous-sol de l’Île-de-France (réseaux ferroviaires de la RATP avec le métro parisien, le RER et les actuels percements dans le cadre du Grand Paris). De nombreux captages permettent également d’alimenter la population en eau potable. Cependant, les synthèses hydrogéologiques existantes (SIGES BRGM) font état d’aquifères hétérogènes avec des variations très importantes notamment de transmissivités (10-2 m2/s à 10-4 m2/s) et de débit (100 m3/h/m à 1 m3/h/m) dont l’origine est très complexe à prévoir. Ces fluctuations de propriétés réservoirs sont très probablement à mettre en lien avec des hétérogénéités de faciès, de diagenèse et de structures qui restent à ce jour à caractériser. Une autre application possible amenée à être déployée dans le futur est l’utilisation de ces réservoirs en terme de géothermie, c’est-à-dire la mobilisation de la chaleur à très basse température. C’est l’un des enjeux pour réaliser la transition énergétique. L’optimisation de l’utilisation de la géothermie dans ces réservoirs est un enjeu majeur pour la Région Ile-de-France. Une telle optimisation nécessite une connaissance précise de l’hétérogénéité des réservoirs en termes de géométries sédimentaires, de porosité/perméabilité et de connectivité. Une connaissance des géométries et des qualités réservoirs sera donc nécessaire afin d’optimiser la gestion de la ressource en eau et son usage croisé (potable versus géothermie).

L’objectif principal du projet sera de comprendre et conceptualiser, via une approche intégrée, comment (1) les paramètres de dépôt, (2) les mécanismes physico-chimiques fondamentaux contrôlant les interactions entre les fluides et les milieux poreux et (3) la fracturation interagissent et impactent les propriétés hydromécaniques (pétrophysiques, pétroacoustiques, géomécaniques).
Le projet focalisera sur les formations carbonatées des Travertins/Calcaires de Brie (Rupélien), des marnes supragypseuses (Marnes blanches de Pantin et Marnes bleues d’Argenteuil, Priabonien), du Calcaire de Champigny (Priabonien), des Calcaires de St Ouen (Bartonien) et des Marnes et Caillasses (Lutétien-Bartonien) de façon à contraindre au mieux les modèles de dépôt, l’architecture sédimentaire, l’évolution diagénétique et son calage dans le temps, et finalement la répartition des propriétés réservoirs et géomécaniques.
Il s’agira également de proposer une méthodologie permettant de conceptualiser les architectures fines pour les carbonates continentaux et la distribution des hétérogénéités dans ces systèmes sédimentaires.

Les sites d’études choisis seront principalement localisés dans la zone du « Grand Paris », mais l’utilisation de certains forages et affleurements clés, localisés un peu plus loin, est envisagée. L’Université Paris-Sud a pu bénéficier de la donation d’une dizaine de forages carottés complets permettant d’avoir accès aux Travertins/Calcaires de Brie (Rupélien), aux Marnes supragyspseuses (Priabonien), aux Calcaires de St Ouen (Bartonien), Marnes et Caillasses (Lutétien) du chantier Peripôle de Fontenay-sous-Bois, Aubervilliers (SC8) et du Parc Astérix (SC16). D’autres carottes seront utilisés dans le cadre du projet : Nanterre (SC301), Maison blanche (18/00316/Paris), D-SCS1 (Charles de Gaulle Express), Clichy-sous-Bois (SC21), Clamart (SC14 et SC21). Le forage carotté d’Ussy-sur-Marne, disponible à la géothèque du BRGM. En complément, des affleurements seront étudiés à proximité de Creil, de Villers-Cotterêts, de Meaux ainsi que la carrière de Cormeilles-en-Parisis.

Résumé du projet de thèse en anglais :
Thesis problem : Geological exploration carried out in the South Atlantic in the 2000s under water depths of 2 to 3 km, particularly offshore of Brazil (Campos and Santos basins), made it possible to reach carbonate reservoirs under a thick evaporite cover, reservoirs known as pre-salt (Beltrao et al., 2009). Major hydrocarbon discoveries have been made in these carbonate reservoirs that correspond to continental environments (Carminatti et al., 2009, Saller et al., 2016). Very quickly, their production highlighted the lack of knowledge of the petrographic, diagenetic, microstructural and petrophysical properties of continental carbonates, which constitutes an important barrier for better characterization and modelling of the reservoir. In general, continental carbonates are less studied and known than marine carbonates. A great deal of Research & Development work has recently been undertaken on this theme (Beltrao et al., 2009) in order to understand/predict their ’reservoir’ heterogeneity. The applicable challenge is to use the knowledge of sedimentary facies to optimize reservoir drainage. In the French community, we can mention the academic works recently undertaken by the teams from Aix-Marseille, the University of Burgundy, the Geological lab of ENS, in collaboration with Total or IFPEN (Letteron et al., 2018, Teboul et al., 2016, Vennin et al., 2018, Bailly et al. submitted). This work has highlighted the drastically different characteristics of continental carbonates compared to their marine counterparts, with facies, petrophysical and diagenetic complexity. The high microbial component and high salinity variability of continental carbonatation media, in general, makes deposition and diagenesis processes very particular and therefore difficult to decipher. For example, silicification phenomena are common in this type of formation, but the literature on their origin (processes, fluid types, etc.) is scarce (e.g. Thiry and Ribet, 1999, Teboul et al., 2019). The variability of environments : lakes, marshes, coasts, lagoons, soils, travertines and diagenetic processes makes prediction in terms of petrophysics or (micro)fracturing complex. As a result, reservoir modelling is very random due to the lack of a clear link between permeability, acoustic properties, sedimentary facies and diagenesis. The complexity of sedimentary and diagenetic parameters affecting continental carbonates also leads to varied mechanical strength properties that are difficult to predict, although their characterization is essential in urbanized areas.
This difficulty in characterizing the reservoir and geomechanical heterogeneities of continental carbonate systems is the central issue of this thesis project in which links between sedimentary facies, sedimentary and structural microstructure, diagenesis and petrophysical response will be found.