Introduction

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. Depuis une cinquantaine d’années, les travaux sur la diagenèse des grès montrent que la présence de tapissages argileux -notamment chloritiques ferreux- entourant les grains détritiques de quartz (ou grain coatings) est associée à des réservoirs à fortes perméabilités (Pittman and Lumsden, 1968). 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 lobes turbiditiques, les plaines fluviatiles ou les dunes éoliennes (Dowey et al., 2012).

Les réservoirs localisés dans des formations estuariennes ou turbiditiques (ex. en Mer du Nord) incluent d’abondants faciès à tapissages argileux (notamment de chlorites ferreuses) qui forment souvent d’excellents réservoirs d’hydrocarbures (Worden et al., 2020). 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, lobe turbiditique), et leur présence est difficilement prédictible. Les conditions de dépôt de ces argiles: position dans l’estuaire ou le lobe turbiditique, chimie de l’eau, timing, rôle des tapis microbiens et des macro organismes sont très peu connues (Haile et al., 2015). 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 de type chlorite dans un cadre sédimentologique et stratigraphique bien défini.

L’approche adoptée a été de comparer des réservoirs anciens de profondeurs variées, c’est-à-dire de 0.5 km à 4 km (produits ou explorés par Neptune Energy, ENGIE et sa filiale Storengy : Mer du Nord, Australie, Algérie, Qatar, Bassin de Paris) 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:

• Des tapissages argileux sont-t-ils présents dans l’estuaire de la Gironde?
• Si oui, quelle est leur minéralogie ? et quelle est leur distribution dans l’estuaire ou le lobe turbiditique?
• Sont-ils associés à un hydrodynamisme spécifique dans l’estuaire ou le lobe turbiditique?
• 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?
• Quelles sont les conditions initiales propices au développement de chlorite lors de la diagenèse (minéraux précurseurs, pourcentage d’argile dans les sables, forme des coats, nature des coats, pourcentage de grains sableux tapissés d’argiles en fonction de la localisation dans l’estuaire ou le lobe turbiditique) ?
• Quels sont les minéraux précurseurs des chlorites?
• Dans quelles conditions cristallisent-t-ils (profondeur, température…) ?
• Quels sont les conditions diagénétiques permettant de cristalliser des chlorites lors de l’enfouissement, notamment la chimie du Fer?
• Quel est l’importance des processus d’altération et du contexte source-to-sink ?
• 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.

Thématique : Les argiles tapissant les grains de quartz dans les grès sont reconnus comme étant un des facteurs clef contrôlant la qualité des réservoirs silicoclastiques. Il semble que l’environnement de dépôt joue un rôle primordial sur leur présence mais ce lien reste à démontrer et préciser, comme caractériser le lieu exact de leur formation dans l’estuaire. Comme leur présence ou absence conditionne le type de processus physico-chimique se développant pendant l’enfouissement et donc régissent l’évolution des propriétés pétrophysiques des bassins, il est important d’améliorer la compréhension de leur genèse précoce (jusqu’à 1 km d’enfouissement). Le projet s’attache à mettre en parallèle (1) des observations et caractérisations sédimentologiques de dépôts actuels 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’agit également de tester le degré de relation entre ce processus physico-chimique et le développement de réservoirs ou la préservation de qualités réservoirs.

Objectifs : Les objectifs de ce projet sont

• de déterminer la distribution spatio-temporelle de l’argile et des tapissages argileux (minéralogie, cristallochimie, propriétés texturales et microstructurales) dans des environnements sédimentaires bien contraints et dans un cadre stratigraphique bien défini.
• de mieux comprendre les facteurs contrôlant la formation des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques
• si possible, de décrire les processus de leur formation et d’identifier les différents précurseurs minéraux à l’origine des tapissages argileux présents dans les réservoirs très enfouis
• corréler la présence de ces tapissages avec les qualités réservoirs

Références

Dowey, P.J., Hodgson, D.M., Worden, R.H., 2012. Pre-requisites, processes, and prediction of chlorite grain coatings in petroleum reservoirs: A review of subsurface examples. Marine and Petroleum Geology 32, 63–75. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2011.11.007

Haile, B.G., Hellevang, H., Aagaard, P., Jahren, J., 2015. Experimental nucleation and growth of smectite and chlorite coatings on clean feldspar and quartz grain surfaces. Marine and Petroleum Geology 68, 664–674. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2015.02.006

Pittman, E.D., Lumsden, D.N., 1968. Relationship between chlorite coatings on quartz grains and porosity, Spiro Sand, Oklahoma. Journal of Sedimentary Petrology 38, 668–670. https://doi.org/10.1306/74D71A28-2B21-11D7-8648000102C1865D

Worden, R.H., Griffiths, J., Wooldridge, L.J., Utley, J.E.P., Lawan, A.Y., Muhammed, D.D., Simon, N., Armitage, P.J., 2020. Chlorite in sandstones. Earth-Science Reviews 204, 103105. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103105

Articles dans des revues internationales à comité de lecture, référencés dans Web of Science

En Gras : personnel GEOPS ; En souligné : doctorants ou stagiaires de masters (co-)encadrés

(12)    Azzam, F., Blaise, T., Patrier, P., Beaufort, D., Barbarand, J., Elmola, A.A., Brigaud, B., Portier, E., Clerc, S., 2024. Impact of sediment provenance and depositional setting on chlorite content in Cretaceous turbiditic sandstones, Norway. Basin Research, 36, e12867. https://doi.org/10.1111/bre.12867

(11)    Azzam, F., Blaise, T., Dewla, M., Patrier, P., Beaufort, D., Elmola, A.A., Brigaud, B., Portier, E., Barbarand, J., Clerc, S., 2023. Role of depositional environment on clay coat distribution in deeply buried turbidite sandstones: Insights from the Agat field, Norwegian North Sea. Marine and Petroleum Geology, 155, 106379 https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106379

(10)    Patrier, P., Beaufort, D., Azzam, F., Blaise, T., Portier, E., Brigaud, B., Clerc, S., 2023. New insights on diagenetic chlorite and its source material in turbiditic sandstones of contrasted reservoir quality in the Lower Cretaceous Agat formation (Duva oil and gas field, northern Norwegian North Sea). Marine and Petroleum Geology, 152, 106221 https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106221

(9)     Duteil, T., Bourillot, R., Braissant, O., Grégoire, B., Leloup, M., Portier, E., Brigaud, B., Féniès, H., Svahn, I., Henry, A., Yokoyama, Y., Visscher, P.T., 2022. Preservation of exopolymeric substances in estuarine sediments. Frontiers in Microbiology, 13, 921154 https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.921154

(8)     Azzam, F., Blaise, T., Patrier, P., Elmola, A.A., Beaufort, D., Portier, E., Brigaud, B., Barbarand, J., Clerc, S., 2022. Diagenesis and reservoir quality evolution of the Lower Cretaceous turbidite sandstones of the Agat Formation (Norwegian North Sea): Impact of clay grain coating and carbonate cement. Marine Petroleum Geology, 142, 105768 https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2022.105768

(7)     Virolle, M., Brigaud, B., Beaufort, D., Patrier, P., Abdelraham, E., Thomas, H., Portier, E., Samson, Y., Bourillot, R., Féniès, H., 2022. Authigenic berthierine and incipient chloritization in shallow-buried sandstone reservoirs: key role of the source-to-sink context. Geological Society of America Bulletin, 134, 739-761 https://doi.org/10.1130/B35865.1

(6)     Virolle, M., Brigaud, B., Féniès, H., Bourillot, R., Portier, E., Patrier, P., Derriennic, H., Beaufort, D., 2021. Preservation and distribution of detrital clay coats in a modern estuarine heterolithic point bar in the Gironde estuary (Bordeaux, France). Journal of Sedimentary Research, 91, 812-832 https://doi.org/10.2110/jsr.2020.146

(5)     Duteil, T., Bourillot, R., Grégoire, B., Virolle, M., Brigaud, B., Nouet, J., Braissant, O., Portier, E., Féniès, H., Patrier, P., Gontier, E., Svahn, I., Visscher, P., 2020. Experimental formation of clay-coated sand grains using diatom biofilm exopolymers. Geology, 48, 1012-1017 https://doi.org/10.1130/G47418.1

(4)     Virolle, M., Féniès, H., Brigaud, B., Bourillot, R., Portier, E., Patrier, P., Beaufort, D., Jalon-Rojas, I., Derriennic, H., Miska, S., 2020. Facies associations, detrital clay grain coats and mineralogical characterization of the Gironde estuary tidal bars: A modern analogue for deeply buried estuarine sandstone reservoirs. Marine and Petroleum Geology, 114, 104225 https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2020.104225

(3)     Virolle, M., Brigaud, B., Luby, S., Portier, E., Féniès, H., Bourillot, R., Patrier, P., Beaufort, D., 2019. Influence of sedimentation and detrital clay grain coats on chloritized sandstone reservoir qualities : insights from comparisons between ancient tidal heterolithic sandstones and a modern estuarine system. Marine and Petroleum Geology, 107, 163-184 https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2019.05.010

(2)     Virolle, M., Brigaud, B., Bourillot, R., Féniès, H., Portier, E., Duteil, T., Nouet, J., Patrier, P., Beaufort, D., 2019. Detrital clay grain coats in estuarine clastic deposits : origin and spatial distribution within a modern sedimentary system, the Gironde estuary (south-west, France). Sedimentology, 66, 859-894 https://doi.org/10.1111/sed.12520

(1)     Saïag, J., Brigaud, B., Portier, E., Desaubliaux, G., Bucherie, A., Miska, S., Pagel, M., 2016. Sedimentological control on the diagenesis and reservoir quality of tidal sandstones of the Upper Cape Hay Formation (Permian, Bonaparte Basin, Australia). Marine and Petroleum Geology, 77, 597-624 http://dx.doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2016.07.002

Thèses encadrées

2020-2023      Fares Azzam, sous la direction de Jocelyn Barbarand (25%), la co-direction de Patricia Patrier (25%) et le co-encadrement de Thomas Blaise (50%), Approche ‘source to sink’ des réservoirs turbiditiques – contrôles minéralogiques et biologiques de la mise en place des tapissages argileux et conséquences sur les propriétés réservoirs. Financement Neptune Energy (Programme CLAYCOAT3), Thèse soutenue le 06 juillet 2023. 2 publications 1^er auteur à Marine and Petroleum Geology (2022 et 2023), et 1 en 2^ème auteur à Marine and Petroleum Geology (2023).

2015-2019      Maxime Virolle, thèse dirigé par Benjamin Brigaud (à 80%) et Eric Portier, Neptune Energy (20%), Origine et prédiction spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques – Apports de la comparaison entre des réservoirs anciens (Permien à Crétacé) et d’un analogue actuel (Estuaire de la Gironde). Financement ENGIE (Programme CLAYCOAT), Thèse soutenue le 28 juin 2019. 5 publications 1^er auteur à Sedimentology (2019), Marine and Petroleum Geology (2019 et 2020), Journal of Sedimentary Research (2021) et GSA Bulletin (2022). Situation actuelle : Ingénieur chez GINGER CEBTP

2020              Nicolas Nosjean, thèse dirigée par Hermann Zeyen. Sujet : Management et intégration des risques et incertitudes pour le calcul de volumes de roches et de fluides au sein d’un réservoir, zoom sur quelques techniques clés d’exploration. Thèse en validation des acquis. Thèse soutenue le 01 juillet 2020. Situation actuelle : Ingénieur Neptune Energy

2018              Eric Portier, thèse dirigée par Hermann Zeyen. Sujet : Lien entre environnement de dépôt et diagenèse précoce : importance dans la prédiction des qualités réservoir. Thèse en validation des acquis. Thèse soutenue le 11 décembre 2018. Situation actuelle : Ingénieur chez 45-8

Personnels impliqués à GEOPS

Doctorants : Fares Azzam (2020-2023) et Maxime Virolle (2015-2019)

Jocelyn Barbarand, Thomas Blaise, Benjamin Brigaud, Serge Miska et Julius Nouet

Collaboration avec :

• EPOC, Université de Bordeaux/Institut Polytechnique de Bordeaux/CNRS,
• IC2MP, Université de Poitiers/CNRS
• ENGIE et NEPTUNE ENERGY