Caractérisation et interprétation de la variabilité chimique et minéralogique des grès réservoirs.<br />Implications pour la modélisation numérique de la diagenèse minérale des grès du Ravenscar Group (Yorkshire, Royaume-Uni) - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2000

Characterization and interpretation of the chemical and mineralogical variability of the sandstones tanks.
Implications for the numerical modeling of the mineral diagenesis of the sandstones of Ravenscar Group (Yorkshire, The United Kingdom).

Caractérisation et interprétation de la variabilité chimique et minéralogique des grès réservoirs.
Implications pour la modélisation numérique de la diagenèse minérale des grès du Ravenscar Group (Yorkshire, Royaume-Uni)

Résumé

Sandstones are generally high-quality reservoirs for hydrocarbon migration, storage and recovery thanks to their petrophysical properties. Therefore, sandstone characterization is an important field of research in petroleum geology. So, great series of sedimentary environments have been studied by sedimentologists to describe the 3D architecture of sandstone bodies and of permeability barriers and to characterize internal fades distribution.
Petrographic, mineralogic and geochemical properties, that allow to link primary (sedimentation) or secondary (diagenesis) phenomena to porosity and permeability variations, are not taken into account in sedimentological descriptions. Nevertheless, a modelling approach of mineral diagenesis based on physical and chemical processes has been developed for many years. Powerful softwares and computers allow to perform simulations and to propose mass balance calculations that have to be validated by field data.
Then, geochemical and mineralogical characterization of sandstone reservoirs could be very useful for sedimentologic and diagenetic studies. Testing the potential of geochemistry is the aim of this work.
Two geological formations have been studied : Ravenscar Group fluviodeltaic sandstones (Middle Jurassic, Yorkshire coast. United Kingdom) and turbiditic Annot Sandstones (Eocene-Oligocene, South-East Basin, France). Sampling strategy has been defined to estimate vertical and lateral variability at different scales between sedimentary fades as well as within a single bed.
Geochemical study shows that fades are characterized by their chemical composition and by their elementary variability. It also allows to better understand distribution of minerals and elements in the rock.
Thus, entrainment sorting between small heavy minerals and the other particles generates great variations for elements hosted in the different classes of detrital particles (Zr, Cr, Th, etc. for heavy minerals ; Al, Na, K, etc. for clastic particles). Chemical characteristics, valid vertically over several meters, can be defined for each class. Some of them, relating to non-mobile elements, allow to identify variations in sediment source. Segregation has also been observed in the clastic fraction between coarse and non-coarse particles during sedimentation.
Two major diagenetic transformations, i.e. kaolinitization and feldspar albitization, have also generated a particular distribution of the chemical composition of aluminous fraction in Ravenscar Group sandstones.
This result has been used to validate the numerical modelling of the diagenesis of these sandstones with the DIAPHORE code developed by Institut Francais du Petrole. Neoformation of kaolinite is thus realized in the temperature interval 25-80°C, whatever the composition of surface water. Clay precipitation, associated with successive dissolution of feldspars, is induced by circulation of water in disequilibrium with sandstone. Albitization of plagioclase feldspar occurs at low temperature and is poorly dependent on the water composition. Finally, albitization of K-feldspar is effective for temperatures greater than 50°C only if marine or brine waters flow in a reservoir that is subjected to a temperature gradient. Simulations confirm the great influence of permeability and fluid flow for aluminosilicate diagenesis.
Variations of the chemical composition of aluminous fraction in Ravenscar Group sandstones have been reproduced by the simulations. Conditions that allow chemical reactions are consistent with the geological setting of the sandstones. Thus, the major and independent diagenetic transformations require several episodes of water flow.
The results of this work suggest that the geochemical approach could be integrated more systematically within sandstone reservoir studies.
Les grès présentent un intérêt particulier en géologie pétrolière car ils possèdent généralement des gammes de porosité et de perméabilité favorables à la migration, au piégeage et à la récupération des hydrocarbures. Leur caractérisation fait donc l'objet d'études poussées. Ainsi, de nombreux sédimentologues ont analysé en détail une grande variété de systèmes sédimentaires afin de décrire la géométrie des corps gréseux et des barrières de perméabilité, et de caractériser l'organisation interne des faciès sédimentaires. Ces travaux ont conduit à la corrélation des données de puits et à l'élaboration de modèles statistiques prédictifs.
Ces descriptions sédimentologiques ne prennent pas en compte les caractères pétrographiques, minéralogiques ou géochimiques qui permettraient pourtant d'attribuer des causes directes, primaires ou secondaires, aux variations de porosité et de perméabilité rencontrées dans les roches. De plus, depuis quelques années, la diagenèse minérale, souvent à l'origine de ces variations, fait l'objet d'une modélisation déterministe qui s'appuie sur les processus physiques et chimiques mis en œuvre. Des logiciels de plus en plus performants permettent ainsi de réaliser des simulations destinées à proposer des bilans géochimiques variés qu'il est nécessaire de valider par des observations de terrain.
Cette thèse a pour objectif, d'une part, de compléter les études sédimentologiques par l'acquisition et l'analyse de données géochimiques et, d'autre part, de mieux comprendre la diagenèse des grès réservoirs en associant la géochimie à la modélisation numérique.
Deux formations géologiques, analogues de réservoirs exploités, ont servi de support à cette étude : les grès fluviodeltaïques du Ravenscar Group (Jurassique Moyen, côtes du Yorkshire, Royaume-Uni) et les Grès turbiditiques d'Annot (Eocène-Oligocène, Bassin du Sud-Est, France). L'échantillonnage a été réalisé afin d'apprécier la variabilité verticale et latérale de composition à diverses échelles (centimétrique à hectométrique) aussi bien entre faciès sédimentaires qu'au sein d'un même niveau lithostratigraphique.
L'étude géochimique montre que les faciès sont caractérisés par leur gamme de composition chimique ainsi que par leur style de variabilité élémentaire. Elle permet également de mieux comprendre la répartition des minéraux et des éléments au sein de la roche.
Ainsi, dans certains faciès, le tri sédimentaire entre les petits minéraux lourds et le reste de la roche (entrainment sorting) engendre des variations de teneur importantes pour les éléments portés par ces différentes classes de particules détritiques (Zr, Cr, Th, etc. pour les minéraux lourds ; Al, Na, K, etc. pour la fraction élastique). Des caractéristiques chimiques propres à chacune de ces populations de minéraux, valables à une échelle verticale de plusieurs mètres, peuvent alors être définies. Certaines d'entre elles, relatives aux éléments immobiles, permettent d'identifier des variations dans l'alimentation détritique. Une ségrégation s'opère également au sein de la fraction élastique entre les particules les plus grosses, dont la nature dépend de la maturité du grès, et les autres grains lors du dépôt.
Deux transformations diagénétiques majeures, à savoir la kaolinitisation et l'albitisation des feldspaths, sont également à l'origine de la distribution particulière des compositions chimiques de la fraction alumineuse des grès du Ravenscar Group.
Ce dernier point a été utilisé pour tester et valider la modélisation numérique de la diagenèse des grès du Ravenscar Group à l'aide du code numérique DIAPHORE de l'Institut Français du Pétrole. La néoformation de kaolinite apparaît alors possible dans la gamme de température 25-80°C, quel que soit le type d'eau superficielle considéré. La précipitation des argiles est induite par la présence et la circulation d'une eau en déséquilibre avec le réservoir gréseux, entraînant la dissolution successive des feldspaths. L'albitisation des feldspaths plagioclases s'effectue à faible température et dépend assez peu du type d'eau injectée. Enfin, l'albitisation des feldspaths potassiques est plus délicate à réaliser et n'est efficace que pour des eaux marines ou saumâtres à des températures supérieures à 50°C, et circulant dans un réservoir soumis à un gradient de température. Les simulations confirment donc l'importance de la perméabilité et de la circulation des fluides dans la diagenèse des aluminosilicates.
Les variations de composition chimique de la fraction alumineuse des grès du Ravenscar Group sont reproduites dans les simulations. Les conditions nécessaires aux transformations sont particulières mais compatibles avec le contexte géologique des grès étudiés. Les principales transformations diagénétiques, indépendantes, nécessitent alors plusieurs épisodes de circulation d'eau pour rendre compte de la diversité des compositions chimiques et minérales observées.
Les travaux menés dans le cadre de cette thèse laissent à penser que l'on pourrait intégrer plus systématiquement l'approche géochimique dans les études de réservoir.
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Dates et versions

tel-00089197 , version 1 (11-08-2006)

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  • HAL Id : tel-00089197 , version 1

Citer

Benoît Maréchal. Caractérisation et interprétation de la variabilité chimique et minéralogique des grès réservoirs.
Implications pour la modélisation numérique de la diagenèse minérale des grès du Ravenscar Group (Yorkshire, Royaume-Uni). Sciences de la Terre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00089197⟩
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