Propriétés élastiques et anisotropie des roches mères : approche expérimentale multi-échelle et modélisation par milieu effectif

Elastic properties and anisotropie of source rock : multi-scale experimental workflow and effective medium modeling

• Auteur / Autrice : Hamza Tazi
• Direction : Luc Dormieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géomatériaux
• Date : Soutenance le 15/01/2019
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / navier umr 8205
• Jury : Président / Présidente : Djimédo Kondo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Dormieux, Elisabeth Bemer, Béatrice Yven
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albert Giraud, Béatrice Ledésert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Élasticité

Roches mères

Mots clés libres

Roches mères

Propriétés élastiques

Anisotropie

Approche expérimentale

Nanoindentation

Modélisation Milieu effectif

Source rock

Elastic properties

Anisotropy

Experimental workflow

Nanoindentation

Effective medium modeling

Résumé

La production d’huiles et de gaz issus des réservoirs non conventionnels représente aujourd’hui une très large part de la production d’Amérique du Nord. Une meilleure connaissance des propriétés des roches mères s’avère ainsi un enjeu scientifique et économique. Cette thèse s’oriente autour des propriétés élastiques et de l’anisotropie de ces roches. Elle combine des approches expérimentales à différentes échelles dont les résultats sont intégrés dans des modèles de milieu effectif.Les échantillons caractérisés proviennent des formations Montney et Doig (bassin sédimentaire ouest canadien). Les résultats de nos essais ont été comparés aux données de différentes formations roches mères provenant de la littérature ce qui a permis d’étudier les corrélations entre les propriétés pétroacoustiques et différents paramètres intrinsèques (densité, porosité, composition) et extrinsèques (niveau de confinement appliqué pendant les essais). Les principales observations montrent l’influence de la teneur en argiles et en matière organique et de la porosité sur les vitesses de propagation des ondes, ainsi que l’influence spécifique des argiles sur l’anisotropie du matériau. Les propriétés mécaniques des différents constituants des formations Montney et Doig ont été caractérisées grâce au couplage entre des mesures par nanoindentation et des analyses au MEB-EDS.Les différentes observations et résultats expérimentaux obtenus dans le cadre la thèse ont été intégrés dans une modélisation de type milieu effectif qui se veut représentative de la microstructure des roches mères (peu matures à très matures). Un modèle simplifié constitué de cinq phases isotropes et d’une phase isotrope transverse (argiles) a tout d’abord été défini. Ce modèle permet d’estimer les propriétés élastiques des roches mères mais sous-estime leur anisotropie. Par la suite, ce modèle a été adapté aux spécificités des formations Montney et Doig. Pour ces formations, les observations par microscopie électronique montrent que les argiles et la matière organique sont localisées entre les autres minéraux. Le composite argiles-MO-pores apporte ainsi de la souplesse au milieu en enrobant les autres minéraux. Les propriétés élastiques des différents constituants sont obtenues grâce à la nanoindentation. Les argiles ont été modélisées comme étant isotropes et la muscovite comme étant isotrope transverse. Le modèle propre aux formations Montney et Doig nous a permis d’estimer les propriétés élastiques et l’anisotropie de nos échantillons

The oil and gas production from unconventional reservoirs represents a large part of North America’s production. Improving the knowledge of source rock characteristics constitutes a major scientific and economic challenge. This thesis focuses on the elastic properties and anisotropy of source rocks and combines a multiscale experimental workflow with modeling using an effective medium approach.The studied samples come from Montney and Doig formations (Western Canada sedimentary basin). Our experimental data have been compared to an experimental database built from literature data of different source rock formations. This comparison illustrates the links between acoustic properties and several source rock internal parameters (density, porosity, composition) and external parameters (confining pressure during acoustic tests). The main observations show the influence of the content of clays and organic matter and of the porosity on the velocities and the specific influence of clays on the anisotropy of source rocks. The different components of Montney and Doig formations have been characterized through the combination of nanoindentation measurements and SEM-EDS analyses.The observations and experimental results of this thesis have been integrated into effective medium models which take into account source rock microstructure. A simple model based on five isotropic phases and one transverse isotropic phase (clays) has first been defined. It allows the estimation of the elastic properties of source rocks, but underestimates their anisotropy. This model has then been adapted to the specificities of Montney and Doig formations. For these formations, SEM observations indicate that clays and organic matter are localized between grains. The clays-OM-pores composite thus adds compliance to Montney and Doig formations by coating the other minerals. The elastic properties measured through nanoindentation are used as input data. The clays are modeled as an isotropic phase and the muscovite as a transverse isotropic phase. The derived model enables us to estimate the elastic properties and the anisotropy of our samples