Etude cristallochimique de solutions solides de minéraux argileux. Impact de la déshydratation des smectites sur les surpressions dans les bassins sédimentaires. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Etude cristallochimique de solutions solides de minéraux argileux. Impact de la déshydratation des smectites sur les surpressions dans les bassins sédimentaires.

Résumé

Since the energetic demand is increasing, the oil companies have to prospect in more and more hostile drilling conditions, such as in deep buried reservoirs. These reservoirs are located at almost 5000 m depth and can present overpressures. Several mechanisms have been put in evidence to explain the generation of overpressure, such as mechanical compaction, hydrothermal pressuring, hydrocarbon generation, cementation of porous space and water released from mineral reaction. This PhD thesis focuses on the contribution of the reaction of smectite dehydration. Smectites are clay minerals belonging to the phyllosilicates swelling family. Their particularity is to incorporate water in their structure, leading to huge volume variations. They present a wide chemical variability: cationic substitutions impart a net negative charge to the 2:1 layer, which is compensated by different interlayer cations, such as Na+ or Ca2+. In the first part of the thesis, we calculated cell parameters of dioctahedral smectites in the systems SiO2-Al2O3-MgO-Na2O-H2O and SiO2-Al2O3-MgO-CaO-H2O, in a wide range of chemical compositions by Rietveld analysis from X-ray diffraction patterns (XRD), for different hydration states. Chemical formulae have been determined by scanning electronic microscopy with an energy dispersive probe (SEM-EDS). Margules parameters of each solid solution have been determined for a non ideal asymetric model. It appears that hydration is the main factor influencing molar volume variations (about 50vol% for a 3W to 0W transition and about 35vol% for a 2W to 0W transition) but chemical composition has an effect too (about 5vol%). In a second part, we combined results from the thermodynamic study with data extracted from basin modelling, in order to estimate the contribution of smectite dehydration on overpressure generation in sedimentary basins. The case studied is from Niger Delta, where we can find high sedimentary rates, thick shale layers and overpressures due to undercompaction. Simulations showed that the overpressure generated by smectite dehydration are about 40% of the total overpressure observed in the well at present day.
L'augmentation de la demande énergétique incite les compagnies pétrolières à prospecter dans des zones où les conditions de forage et d'exploitation du gisement sont de plus en plus difficiles, comme les réservoirs profondément enfouis. Ces réservoirs sont localisés à des profondeurs de l'ordre de 5000 m et peuvent présenter des régimes de pressions anormaux. Ces surpressions sont classiquement expliquées par différents mécanismes comme la compaction mécanique, la pression hydrothermale, la génération d'hydrocarbures, la cimentation de l'espace poreux et la libération d'eau par réaction minérale. C'est à la contribution de ce dernier phénomène que nous nous sommes intéressés et en particulier à la réaction de déshydratation des smectites. Les smectites sont des phyllosilicates et présentent la particularité de pouvoir insérer des molécules d'eau dans leur structure, entraînant de fortes variations de volumes. Elles présentent également une grande variabilité chimique : les feuillets, chargés négativement, sont sujets à de nombreuses substitutions cationiques et le cation compensateur situé en site interfoliaire peut être de nature très variée, généralement un alcalin ou un alcalino-terreux. Dans une première partie expérimentale, nous avons calculé les paramètres cristallochimiques de smectites dioctaédriques alumino-magnésiennes sodiques ou calciques dans une large gamme de compositions chimiques par analyse Rietveld à partir de diffractogrammes de rayons X (DRX) pour différents états d'hydratation. La structure chimique a été déterminée par microscopie électronique à balayage munie d'un spectromètre à dispersion d'énergie (MEB-EDS). Les paramètres de Margules de chaque solution solide ont été déterminés par régression multilinéaire pour un modèle non idéal asymétrique. Il apparaît que l'hydratation est le phénomène principal faisant varier le volume molaire des smectites (environ 50vol% pour un passage d'un état 3W à 0W) mais que la composition chimique a un impact également (environ 5vol%), que ce soit la variation de composition du feuillet ou de l'interfoliaire. Dans une seconde partie de modélisation, nous avons combiné les résultats de thermodynamique avec des données de modélisation de bassin afin d'estimer la contribution de la déshydratation des smectites sur la génération de surpression dans les bassins sédimentaires, en prenant un exemple dans le delta du Niger. Dans ce cas de bassins ayant un fort taux de sédimentation et d'épaisses couches argileuses, les simulations indiquent que les surpressions générées par la déshydratation des smectites sont de l'ordre de 40% de la surpression totale observée dans les puits.
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Dates et versions

tel-00863843 , version 1 (19-09-2013)
tel-00863843 , version 2 (17-12-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00863843 , version 2

Citer

Clémentine Meiller. Etude cristallochimique de solutions solides de minéraux argileux. Impact de la déshydratation des smectites sur les surpressions dans les bassins sédimentaires.. Minéralogie. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00863843v2⟩
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