Endommagement induit par cristallisation dans les conditions de réservoirs géologiques.

Damage induced by crystallisation in confined reservoir conditions

• Auteur / Autrice : Bruno Leclere
• Direction : Jean-Paul Callot, David Grégoire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 18/02/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des fluides complexes et de leurs réservoirs (Pau) - Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs / LFCR
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Total (2000-2021)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Schubnel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Callot, David Grégoire, Alexandre Schubnel, Catherine Noiriel, Léo Pel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Noiriel, Léo Pel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Barytine

Émission acoustique

Cristallisation

Mots clés libres

Pression de cristallisation

Haloclastie

Barytine

Emissions acoustique

Ultrasonic monitoring

Couplage fluide-roche

Homogeneisation

Crystallisation pressure

Salt weathering

Barite clogging

Acoustic emissions

Monitoring

Reaction induced fracturaing

Microanalysis

Homogeneisation

Résumé

En contexte de réservoirs géologiques, les veines sont des fractures dans lesquels des espèces chimiques ont précipité et qui ont été longtemps associées avec le modèle de ‘fissuration-minéralisation’. Cependant, certaines veines présentent des caractéristiques laissant penser que la précipitation provoquerait la fissuration en s’appuyant sur le concept de pression de cristallisation. En partant de là, deux expériences ont été développées. Pour commencer, nous avons fait précipiter un front de barytine, par diffusion de deux solutions respectivement enrichies en baryum et sulfate à travers deux milieux poreux : un calcaire de Lavoux et un grès des Vosges contenant une fraction d’argile. Le front de barytine précipité a été investigué par l’acquisition de donnés de micro tomographie rayon X, de la microscopie optique et à balayage électronique et de la spectroscopie rayon X. En pratique, aucun endommagement n’a été détecté mais la barytine a nucléé et précipité en relation avec la distribution des pores, l’état de cristallisation des minéraux de la matrice et la présence des complexes argileux. On suspecte une augmentation de volume en lien avec ce dernier point. L’étude de l’endommagement des sels dans le contexte de la préservation des monuments historiques est à la base de notre deuxième expérience réalisée sous un confinement isotrope dans une cellule triaxial du laboratoire de géologie de l’école normale supérieur de Paris. Un front de sulfate de sodium ou de sulfate de magnésium déshydraté est préalablement précipité dans un grès des Vosges et réhydraté pendant l’expérience par imbibition capillaire d’eau milli-Q. De l’endommagement a été mesuré jusqu’à une pression de 27 MPa par l’acquisition d’émissions acoustiques, la propagation d’onde élastique, des jauges de déformation et données de micro tomographie rayons X. Ces experiences montrent une compétition entre la cimentation par le sel du milieu poreux et l'endommagement par crystallisation. Ceci est confirmé par la modélisation des propriétés mécaniques du milieu poreux saturé en sel lors de son hydratation.

Veins in geological reservoir settings are mineral-filled fractured long being associ- ated with the model of ‘crack seal’. However, some veins exhibit features that do not match with the model of ‘crack seal’ but would better fit with a ‘seal-crack’ model driven by the concept of crystallisation pressure. From this, two main experimental tests are conducted. We start with an experiment of counter diffusion to precipitate a barite front in an oolite limestone, the Lavoux limestone, and a sandstone with a shale fraction, the Adamswiller sandstone. The reacted samples are analysed via 3D X-ray microtomography, microscopy and SEM-EDS microanalysis. Although we do not ob- serve damage, we show that barite nucleation and crystallisation is linked to the pore distribution and the matrix mineral. In particular, barium interacts with clay min- erals like the smectite-chlorite complex. Ultimately, this interaction may expand the complex basal space when barite precipitates. Then salt studies for the understanding of damage induced on cultural heritage are the starting point of a new protocol with Na2SO4 and MgSO4 to be tested under isotropic confining pressure inside a triaxial cell (ENS Paris). It consists of precipitating an anhydrous salt layer in an Adamswiller sandstone. Later the anhydrous salt layer is rewetted to precipitate a more hydrated salt phase. The damage is monitored at a confining pressure up to 27 MPa with acous- tic emission, elastic wave propagation, strain gauges and 3D X-ray microtomography. These experiments emphasize the competition between salt cementation of the porous medium and salt crystallisation induced damage. The last point is confirmed by the ef- fective modeling of the elastic properties of a porous medium impregnated with sodium sulphate when it is rewetted without confining pressure.