Geological uncertainty modelling using stochastic simulations of facies proportion cubes – Application to hydrocarbon reservoirs : carbonates and silici-clastiscs

Modélisation de l'incertitude géologique par simulation stochastique de cubes de proportions de faciès - Application aux réservoirs pétroliers de type carbonaté ou silico-clastique

Abbas Zerkoune (1)

1 LGCA - Laboratoire de Géodynamique des Chaines Alpines

After finding out a potential oil field, development decisions are based on uncertain representations of the reservoir. Indeed, its characterisation uses numerical, spatial models of the reservoir. However, if they are representative of subsoil heterogeneities, the uncertainty linked to subsoil complexity remain. Usually, uncertainty is supposed to be assessed using many equiprobable models, which represent the heterogeneities expected into the reservoir. Nevertheless, those alternative images of the underground correspond to multiple realizations of a given and a single stochastic model. Those methods ignore the uncertainty related to the choice of the underlying probabilistic model. This work aims at improving that kind of uncertainty assessment when modelling petroleum reservoir. It conveys the doubt linked with our subsoil properties understanding on probabilistic models, and proposes to integrate it on them. This thesis first defines uncertainty in the context of oil industry modelling, particularly on 3D geological models comprising several litho-types or facies. To build them, we need, before any simulations, to estimate for every point in the space the probability of occurring for each facies : this is the proportions cube. Even thought those probabilities are often poorly known, they are frozen while using current methods of uncertainty assessment. So, the impact of an uncertain geological scenario on the definition of a proportion cube is forgotten. Two methods based on stochastic simulations of alternative, equiprobable proportion cubes have been developed to sample the complete geological uncertainty space. The first one is closely linked to geology. It integrates directly uncertainty related to the parameters composing the geological scenario. Based on a multi-realisation approach, it describes its implementation on every parameters of geological scenario from information at wells to maps or global hypothesis at reservoir scale resolution. A Monte Carlo approach samples the components of the sedimentary scheme. Each drawing enables to build a proportion cube using modelling tools which integrates more or less explicitly parameters of geological scenario. That methodology is illustrated and applied to an modelling process which is used to model marine carbonate deposits. The second method appears to be more geostatistics focussing on proportion cubes. It rather aims at reconcile distinct eventual sedimentary models. In the meshed model symbolising the reservoir, it assesses the probabilistic law of facies proportion in each cells – they are supposed to follow Dirichlet's probabilistic law. That assessment is done from some models inferred from different geological scenarios. Facies proportions are sequentially simulated, cell after cell, introducing a spatial correlation model (variogram), which could be deterministic as probabilistic. Various practical cases, comprising synthetic reservoirs or real field, illustrates and specifies the different steps of the proposed method.

Après sa découverte, les choix relatifs au développement d'un gisement se prennent sur la base de représentations incertaines du champ. En effet, sa caractérisation utilise des modèles numériques spatiaux porteurs de l'incertitude liée à la complexité du milieu souterrain. D'ordinaire, les méthodes de simulations stochastiques, qui génèrent des modèles équiprobables du sous-sol, sont supposées les quantifier. Néanmoins, ces images alternatives du champ renvoient à des tirages au sein d'un modèle probabiliste unique. Elles oublient l'incertitude relative au choix du modèle probabiliste sous-jacent, et tendent à la sous-estimer. Ce travail de recherche vise à améliorer la quantification de cette incertitude. Elle retranscrit la part de doute relative à la compréhension des propriétés du milieu sur les modèles probabilistes, et propose de l'intégrer à ce niveau. Cette thèse précise d'abord la notion d'incertitude en modélisation pétrolière, en particulier sur les modèles géologiques 3D comprenant différents faciès. Leur construction demande au préalable de définir en tout point de l'espace leur probabilité d'existence : c'est le cube de proportions. Généralement, bien que ces probabilités soient peu connues, les méthodes actuelles d'évaluation de l'incertitude sédimentaire les gardent figées. De fait, elles oublient le caractère incertain du scénario géologique et son impact sur le cube de proportions. Deux méthodes stochastiques de simulation ont été développées afin de générer des modèles équiprobables en termes de cubes de proportions. Elles intègrent la variabilité liée aux proportions de faciès, et explorent dans son ensemble un tel domaine d'incertitude. La première reste relativement attachée à la géologie. Elle intègre directement l'incertitude liée aux paramètres qui composent le scénario géologique. Elle décrit sa mise en oeuvre sur les divers paramètres du scénario géologique, qu'ils prennent la forme de signaux aux puits, de cartes ou d'hypothèses plus globales à l'échelle du réservoir. Une démarche de type Monte-Carlo échantillonne les composantes du schéma sédimentaire. Chaque tirage permet de construire un cube de proportions par l'intermédiaire d'un géomodeleur qui intègre de façon plus ou moins explicite les paramètres du scénario géologique. La méthodologie est illustrée et appliquée à un processus inédit de modélisation des dépôts carbonatés en milieu marin. La seconde revêt un caractère plus géostatistique en se concentrant davantage sur le cube de proportions. Elle vise plutôt à réconcilier les différents modèles sédimentaires possibles. Dans le modèle maillé de réservoir, elle estime la loi de distribution des proportions de faciès cellule par cellule - supposées suivrent une loi de Dirichlet, à partir de quelques modèles, construits sur la base de scénarios géologiques distincts. Elle simule alors les proportions de façon séquentielle, maille après maille, en introduisant une corrélation spatiale (variogramme) qui peut être déterministe ou probabiliste. Divers cas pratiques, composés de réservoirs synthétiques ou de champs réels, illustrent et précisent les différentes étapes de la méthode proposée.

Mots clés: facies proportion cube; geostatistics; uncertainty; Dirichlet's law

Mots clés: cube de proportions de faciès; géostatistique; incertitude; simulation; loi de Dirichlet

Domaines: Modélisation et simulation

Abbas Zerkoune. Modélisation de l'incertitude géologique par simulation stochastique de cubes de proportions de faciès - Application aux réservoirs pétroliers de type carbonaté ou silico-clastique. Modélisation et simulation. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00410136⟩