CLAYCOAT « CLAY COATing in shallow marine clastic deposits to improve reservoir quality prediction »

Contrat de Collaboration n°P04980 ENGIE/Université de Bordeaux/Institut Polytechnique de Bordeaux, Université de Poitiers et ENGIE

Financement par ENGIE puis Neptune Energy du 1er janvier 2015 au 31 décembre 2019

Porteur: Benjamin Brigaud (GEOPS, 2015-2019)

Description du projet

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. Ces vingt dernières 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 (Ehrenberg, 1993, Bloch et al., 2002, Worden and Morad, 2003, Dowey, 2012). 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 plaines fluviatiles ou les dunes éoliennes.

Les réservoirs localisés dans des formations estuariennes (ex. en Mer du Nord) incluent d’abondants faciès à tapissages argileux (notamment de chlorites ferreuses) qui forment souvent d’excellents réservoirs d’hydrocarbures. 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), et leur présence est difficilement prédictible. Les conditions de dépôt de ces argiles: position dans l’estuaire, chimie de l’eau, timing, rôle des tapis microbiens et des macro organismes (e.g. Haile et al., 2015) sont très peu connues. 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 sera de comparer des réservoirs anciens de profondeurs variées, c’est-à-dire de 0.5 km à 4 km (produits ou explorés par 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?
Sont-ils associés à un hydrodynamisme spécifique dans l’estuaire?
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) ?
Quels sont les minéraux précurseurs des chlorites?
Quels sont les conditions diagénétiques permettant de cristalliser des chlorites lors de l’enfouissement, notamment la chimie du Fer?
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’attachera 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’agira 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

(1) 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.

(2) de mieux comprendre les facteurs contrôlant la formation des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques

(3) 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

(4) corréler la présence de ces tapissages avec les qualités réservoirs

Méthodes : Un travail important d’acquisition de données sédimentologiques (1) sur le terrain, incluant des carottages et des mesures chimiques in situ dans l’estuaire de la Gironde, et (2) en carothèque (description de carottes appartenant à ENGIE, issues de forages profonds) devra être réalisé. Plusieurs méthodologies seront ensuite employées au laboratoire pour la caractérisation pétrographique et minéralogique des sédiments/roches (microscopie : microscope photonique, MEB, MET, cathodoluminescence ; minéralogie/géochimie : granulomètre laser, DRX, spectrométrie infra-rouge, microsonde ; expériences et mesures sur des microcosmes en laboratoire).

Thèse du projet:

Maxime Virolle (2015-2019): Origine et prédiction spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques – Apports de la comparaison entre des réservoirs enfouis (Permien et Crétacé) et un analogue actuel (estuaire de la Gironde)

[PDF]

Partenaires:

Institut Polytechnique de Bordeaux (Raphaël Bourillot, Hugues Féniès, Tibault Duteil)

Université de Poitiers (Patricia Patrier, Daniel Beaufort)

Université Paris-Saclay (Maxime Virolle, Benjamin Brigaud, Fares Azzam, Thomas Blaise, Jocelyn Barbarand)

ENGIE (Eric Portier, Guy Désaubliaux), 2015-2018

Neptune Energy (Eric Portier, Sylvain Clerc), 2019-2023

Publications

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

2021

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, p. 812–832

2020

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

Virolle, M., Féniès, H., Brigaud, B., Bourillot, R., Portier, E., Patrier, P., Beaufort, D., Jalon-Rojas, I., Derriennic, H., and 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

2019

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

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

2016

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

Meetings

2019

Virolle, M., Brigaud, B., Patrier, P., Beaufort, D., Eid, A., Thomas, H., Portier, E., Feniès, H., Bourillot, R., 2019. Processus diagénétiques dans les grès faiblement enfouis du Cretace inferieur du Bassin de Paris : vers l’identification d’un processus de chloritisation des sables estuariens. 17ème Congrès Français de Sédimentologie, Beauvais – Livre des résumés, 2019, Publ. ASF n°81, Paris, p. 157

2018

Virolle, M., Brigaud, B., Luby, S., Féniès, H., Bourillot, R., Portier, E., Nouet, J., Patrier, P., Beaufort, D., 2018. Origin and spatial distribution of clay coatings in estuarine deposits: Comparisons between a modern analogue (Gironde estuary, France) and deep sandstone reservoirs (Bonaparte Basin, Permian), 26ème Réunion des Sciences de la Terre, Lille, 22-26 octobre 2018, p. 142

Virolle, M., Brigaud, B., Féniès, H., Bourillot, R., Portier, E., Patrier, P., Beaufort, D., 2018. Processus sédimentaires et de piégeage des argiles au sein de dépôts sableux dans l’estuaire de la Gironde, 26ème Réunion des Sciences de la Terre, Lille, 22-26 octobre 2018. p. 89

2017

Virolle, M., Brigaud, B., Feniès,H., Bourillot, R., Patrier, P., Beaufort, D., Portier, E., 2017. Origin and spatial distribution of sand grain coats in shallow marine clastic deposits: insights from a modern estuarine reservoir analogue (Gironde estuary, France). 33th International Meeting of Sedimentology, Toulouse, 10-12 October 2017, p. 930

2016

Brigaud, B., Virolle, M., Bourillot, R., Feniès, H., Patrier, P., Beaufort, D., Saiag, J., Pagel, M., Portier, E., 2016. Les tapissages argileux dans les dépôts silicoclastiques des milieux marins peu profonds : implication pour une meilleure prédiction des qualités réservoirs. 25ème Réunion des Sciences de la Terre, Caen, 24-28 octobre 2016, p. 66

Feniès, H., Bourillot, R., Virolle, M., Brigaud, B., Portier, E., 2016. Tidal facies and geobodies architecture in the Gironde estuary (SW France). Gussow conference 2016 « Clastic sedimentology: new ideas and applications », Canadian Society of Petroleum Geologists. 3 pages

Virolle, M., Bourillot, R., Feniès, H., Brigaud, B., Portier, E., Patrier, P., Beaufort, D., 2016. Origin and spatio-temporal distribution of clay coatings in shallow marine clastic deposits : Insights from a modern estuarine reservoir analogue (Gironde estuary, France). International Conference and Exhibition of the AAPG, Cancùn, 6-9 September 2016

2015

Négrel J., Brigaud B., Portier E., Dauphin L., Tournier F., Désaubliaux G., Pichon R., Nouet J., 2015. Variabilité des faciès et de la nature des argiles dans les grès du Jurassique moyen de la Mer du Nord (Graben central) : Impact sur les propriétés réservoir. 15ème Congrès Français de Sédimentologie, Chambéry – Livre des résumés, Publ. ASF, n°76, p. 307

Virolle M., Bourillot R., Féniès H., Brigaud B., Portier E., Galaup S., 2015. Processus de piégeage et de sédimentation de la fraction argileuse dans l’estuaire de la Gironde : analyse du mode de mise en place des argiles dans le réseau poreux des corps sableux (barres de méandres et barres de marées). Impact sur les propriétés réservoir. 15ème Congrès Français de Sédimentologie, Chambéry – Livre des résumés, Publ. ASF, n°76, p. 423