Impact of sedimentology and diagenesis on an oolitic carbonate reservoirs properties.
Impact de la sédimentologie et de la diagenèse sur les propriétés pétrophysiques d'un réservoir carbonaté oolithique.
Résumé
Previous studies in the Paris basin, inherited from oil exploration, led to the modelling of filling and temporal evolution of the basin and the determination of geological formations available for CO2 geological storage or geothermal energy exploitation. As such, the Oolithe Blanche Formation (mid. Jurassic), a deep saline aquifer, show some interest as : (1) it is exploited for geothermal energy and (2) this formation is considered for CO2 geological storage. However, the first studies led on the subject of geothermal energy exploitation or oil exploration neglected the complexity of this reservoir, which has implication not only on the assessment of potential storage volume, but also on the evolution of the reservoir after the injection of CO2. It is in this context that this Ph.D thesis has been carried out.
Firstly, we led a sedimentological study in field analogs (quarries of Burgundy) where the Oolithe Blanche Formation outcrops (south-east area), then the same was done in sub-surface, by the study of several cored wells along a SE-NW transect (median and central areas). The Oolithe Blanche Formation is composed of an oo-bioclastic grainstone whose content in bioclasts vary or is inexistent. On the outcrops, we demonstrated a heterogeneity in sedimentary deposits, mainly controlled by depositional environments. The formation, whose general facies is oolitic was then be subdivided in three sedimentary sub-facies, each of them related to different processes of deposition.
The petrographic study was conducted to characterize : (1) the type and location of pores and (2) the relative timing and the nature of diagenetic stages. Geochemical analysis completed the diagenetic study to discuss the nature of parent fluids of sparitic cements and the history of fluids palaeocirculations in the basin. The site-specific paragenesis shows heterogeneity depending on the location. The paragenesis in the south-east area is complex and the diagenetic evolution of the formation went as far as telogenesis, leading to a dedolomitisation stage. In the median area, the diagenetic evolution stopped during burial mesogenesis. At last, in the central area, the history is relatively short and incomplete cementation stages leaves free, primary, porosity. Parent diagenetic fluids of cements in this formation would be : (1) a mix between trapped sea waters and/or pressure-dissolution fluids with meteoric waters from the aquifer recharge, or (2) meteoric waters, buffered by carbonate host during their migration, or (3) a mix between trapped sea waters and fluids migrating per-ascensum from deep Triassic aquifers.
Analyses of petrophysical parameters was carried on the measurement of porosity and permeability values, but also on acoustic and electric parameters in order to access the reservoirs properties. Several scale of heterogeneities has been highlighted. Porosity in the Oolithe Blanche Formation is mainly represented by intraparticle microporosity. Microporosity is responsible for the connectivity of the pore network in the south-east and median areas. A mouldic porosity, not connected to the porous network, is also often observed and interparticle macroporisty is observed at the center of the basin. The latter permits good permeability in the reservoir at the center of the basin and circulation of fluids exploited in geothermal energy. At the sample scale, a statistical study has highlighted a strong control of the depositional environments and diagenesis on the petrophysical parameters. Among the most important, compaction and cementation strongly influence permeability and acoustic properties of the reservoir. Compaction, including grain interpenetration, improves the reservoir quality by creating migration paths for fluids between the particles. On the contrary, cementation tends to block the system, preventing interpenetration and connectivity of the pore network. At last, compaction and cementation cause a decrease in P wave's velocities.
Finally, a statistical tool that is capable of determining the correlations relationships between sedimentologic, diagenetic and petrophysical parameters and of defining electro-facies for well- logging data correlations was developed. The result is a predictive model, calibrated for the Oolithe Blanche Formation, which can easily and quickly be deployed on all well in the Paris Basin, with high resolution. This method permit the characterization of sedimentologic and petrophysical heterogeneities in the Oolithe Blanche Formation, at the basin scale, and thus the refining of existing 3D reservoir modelling.
Les études précédemment menées dans le bassin de Paris, et héritées de la recherche pétrolière ont permis la modélisation du remplissage et de l'évolution temporelle du bassin ainsi que la caractérisation des formations susceptibles d'être des lieux de stockage du CO2 et/ou d'exploitation pour la géothermie. A ce titre, la Formation de l'Oolithe Blanche (Jurassique moyen), aquifère salin profond, est particulièrement intéressante car (1) elle est exploitée en géothermie et, (2) elle constitue une formation carbonatée potentielle pour le stockage du CO2. Cependant, les premières études menées lors des recherches pour la géothermie ou pour le stockage ont négligé la complexité de cette formation, ce qui n'est pas sans incidences non seulement sur l'évaluation des volumes potentiels de stockage, mais également sur l'évolution des propriétés du réservoir après l'injection du CO2.
Dans un premier temps, une étude sédimentologique a été réalisée sur des analogues de ter- rain (carrières de Bourgogne) où la Formation de l'Oolithe Blanche affleure (secteur sud-est), puis en sub-surface dans plusieurs puits carottés le long d'un transect SE-NO (secteurs médian et central). La Formation de l'Oolithe Blanche est composée d'un grainstone oo-bioclastique dont le contenu en bioclastes est variable, voir quasi-absent. Cette formation, dont le faciès général est un faciès oolithique, a été subdivisé en trois sous-faciès (Lobe Oolithique Progradant, Shoal Oolithique et Tidal), rattachés chacun à des processus de dépôt différents.
L'étude pétrographique a permis de caractériser (1) le type et la localité des pores et (2) la chronologie relative de mise en place et la nature des phases diagénétiques. Une analyse géochi- mique a complété l'étude diagénétique afin de discuter de la nature des fluides parents à l'origine des cimentations sparitiques et l'histoire des paléocirculations des fluides dans le bassin. Les pa- ragenèses propres à chaque site montrent une hétérogénéité en fonction des localités. Dans le secteur sud-est la paragenèse est complexe et l'évolution diagénétique de la formation se pour- suit jusqu'au cours de la télogenèse, ce qui se traduit par une étape de dédolomitisation. Dans le secteur médian l'évolution diagénétique s'est arrêtée durant la mésogenèse d'enfouissement. Enfin, dans le secteur central, l'histoire diagénétique est plus courte et les phases de cimentation incomplètes laissent libre la porosité initiale. Les fluides diagénétiques parents à l'origine de la cimentation de la formation seraient : (1) un mélange entre des eaux marines piégées et/ou des fluides de pression-dissolution avec des eaux météoriques venant recharger l'aquifère, ou (2) des eaux météoriques, tamponnées par les carbonates lors de leur transfert en profondeur, ou encore (3) un mélange entre des fluides marins piégés et des fluides remontant ponctuellement depuis les aquifères du Trias.
L'analyse des paramètres pétrophysiques a porté, entre autres, sur la mesure des valeurs de porosité et de perméabilité, mais également sur celle des paramètres acoustiques et électriques afin de caractériser les propriétés de ce réservoir. Il a été mis en évidence plusieurs échelles d'hétérogénéités. La porosité au sein de la Formation de l'Oolithe Blanche est majoritairement représentée par une microporosité intraparticulaire. La microporosité est à l'origine de la connectivité de l'en- semble du système poreux pour les secteurs sud-est et médian. Une macroporosité moldique non connectée est également parfois observée alors qu'une macroporosité interparticulaire est aussi présente au centre du bassin. Cette dernière participe à la bonne perméabilité du réservoir au centre du bassin et à la circulation des fluides exploités en géothermie. A l'échelle de l'échantillon, une étude statistique a permis de mettre en évidence un contrôle fort de l'environnement de dépôt et de la diagenèse sur les paramètres pétrophysiques. Parmi les plus importants, la compaction et la cimentation influencent fortement la perméabilité et les propriétés acoustiques du réservoir. L'interpénétration due à la compaction tend à améliorer la qualité du réservoir par la création de chemins de migrations de fluides entre les particules. A l'inverse, la cimentation tend à bloquer le système empêchant toute mise en connectivité du système poreux. Enfin, compaction et cimentation provoquent une diminution des vitesses de propagation des ondes P.
Enfin, un outil statistique capable, dans un premier temps, de préciser et de déterminer les relations de corrélations entre paramètres sédimentologiques, diagénétiques et pétrophysiques a été développé. Dans un second temps, cet outil a également aidé à définir des électro-faciès en vue d'un couplage avec les données de diagraphie. Il en résulte un modèle prédictif, calibré pour la Formation de l'Oolithe Blanche, qui peut être déployé simplement et rapidement à l'ensemble des sondages réalisés dans le Bassin de Paris, à très haute résolution. Ces approches permettront de caractériser les hétérogénéités sédimentologiques et pétrophysiques dans la Formation de l'Oolithe Blanche à l'échelle du bassin et ainsi d'affiner le modèle réservoir 3D existant.