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)
Thèse soutenue le vendredi 28 juin 2019 à 14h, à l’Université Paris-Sud, bâtiment 510, Laboratoire de Physique des Solides (LPS) rue André Rivière, 91400 Orsay, amphi Blandin,
devant le jury composé de :
Mr Jean-François Deconinck - Rapporteur Mme Bernadette Tessier - Rapporteur Mme Cécile Quantin - Examinateur Mr Jean-Pierre Girard - Examinateur Mr Eric Portier - Examinateur Mr Hugues Féniès - Examinateur Mme Patricia Patrier - Examinateur Mr Christophe Rigollet - Invité Mr Murray Gingras - Invité Mr Benjamin Brigaud – Directeur de thèse
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. Les propriétés réservoirs sont définies par les valeurs de porosité et perméabilité. Dans les réservoirs silicoclastiques profondément enfouis, des coatings de chlorite authigénique autour des grains de quartz permettent de préserver ces propriétés. Les mécanismes régissant la formation et la distribution de ces tapissages sont encore mal connus.
Les objectifs de ce projet de thèse sont : (1) de caractériser (minéralogie, cristallochimie, propriétés texturales et microtexturales) et de déterminer la distribution spatio-temporelle des tapissages argileux dans des environnements sédimentaires bien contraints et dans un cadre stratigraphique bien défini ; (2) de mieux comprendre les facteurs contrôlant la formation des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques ; (3) de décrire les processus intermédiaires de formation de chlorite authigénique via différents minéraux précurseurs au cours de l’enfouissement ; et de (4) de prédire la distribution des bonnes propriétés réservoirs en lien avec les coatings argileux.
L’analogue moderne choisit dans le cadre de cette étude est l’estuaire de la Gironde où la présence de tapissages argileux détritiques a pu être mise en évidence dans la zone intertidale des barres tidales et barres de méandres, mais aussi dans des carottes sédimentaires de plusieurs mètres de profondeur. Les mécanismes de formation de ces tapissages ont été appréhendés avec l’interaction entre processus hydrodynamiques et biologiques. Des analogies avec des réservoirs gréseux enfouis (>3500m) ont permis de déterminer que les dépôts sableux de barres tidales externes déposées à la fin d’un cycle transgressif sont les cibles privilégiées pour trouver de bonnes propriétés réservoirs dans les grès estuariens. L’évolution des coatings détritiques au cours de l’enfouissement a pu être retracée par l’étude de réservoirs enfouis entre 400 et 1000m de profondeur. Les coatings argileux détritiques se transforment en berthiérine et interstratifié chlorite-smectite vers 600-900m de profondeur et des températures comprises entre 30-40°C. Ces minéraux constituent de véritables précurseurs aux coatings de chlorites ferreuses apparaissant plus en profondeur.
Abstract
The reservoir quality is one of the "risk" factors for hydrocarbon exploration or for the future development of geothermal energy in siliciclastic hydrosystems. Reservoir properties are defined by porosity and permeability values. In deep buried siliciclastic reservoirs, chlorite coatings around quartz grains help to preserve these properties. The mechanisms behind these coatings are still poorly understood.
The objectives of this study are : (1) to characterize (mineralogy, crystallography, textural and microtextural properties) and to determine the spatial and temporal distribution of clay and clay coatings in well constrained sedimentary environments and within a well-defined stratigraphic framework ; (2) to better understand the factors controlling the formation of clay coatings in siliciclastic reservoirs ; (3) to describe the intermediate processes of authigenic chlorite formation via different precursor minerals during burial ; (4) to predict the distribution of good reservoir properties in relation to clay coatings.
The modern analogue chosen for this study is the Gironde estuary, where the presence of detrital clay grain coats was detected in the intertidal zone of tidal and point bars, but also in pluri-meters long sedimentary cores. The formation mechanisms of these coatings have been investigated with the interaction between hydrodynamic and biological processes. Analogies with buried sandstone reservoirs (>3500m) showed that sand facies of external tidal bars deposited at the end of a transgressive cycle are the preferred targets for finding good reservoir properties in estuarine sandstones. The evolution of detrital clay grain coats during burial was approached by studying buried reservoirs between 400 and 1000m deep. The detrital clay coatings are transformed into berthierine and mixed-layer chlorite-smectite at depths between 600 and 900m and temperatures between 30-40°C. These minerals are true precursors to ferrous chlorite coatings that appear at greater depth.