Modèle structural, mécanique et pétrophysique de la localisation de la déformation dans les grès poreux(Provence, France)

Structural, mechanical and petrophysical model of strain localization in porous sandstone (Provence, France)

• Auteur / Autrice : Grégory Ballas
• Direction : Roger Soliva, Antonio Benedicto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 02/12/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Soliva, Antonio Benedicto, Michel Guiraud, Yves Géraud, Haakon Fossen, Alexandre I. Chemenda, Frédéric Gueydan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Guiraud, Yves Géraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tectonique

Sédimentologie

Grès

Réservoirs gréseux

Failles (géologie)

Mots clés libres

Faille

Cataclase

Mécanique

Grès poreux

Pétrophysique

Bande de déformation

Fault

Cataclasis

Mechanic

Porous sandstone

Petrophysic

Deformation band

Résumé

Cette étude est destinée à améliorer la compréhension des caractéristiques structurales, pétrophysiques et mécaniques des bandes de déformation dans les grès poreux ainsi que de leur rôle potentiel sur la migration ou le piégeage des fluides en milieu réservoir. L'analyse structurale et pétrophysique des réseaux de bandes de Provence montre que leur perméabilité découle principalement de l'intensité de la cataclase dans leur microstructure et des processus diagénétiques qui peuvent s'y localiser avec la profondeur. L'analyse régionale de ces réseaux de bandes souligne l'influence majeure du régime tectonique sur leur distribution, leur organisation et leur perméabilité. Les bandes associées au régime normal (cataclactiques et peu perméables) sont localisées autour des failles cartographiques, tandis que les bandes associées au régime inverse (modérement cataclastiques et perméables) sont distribuées dans toute la région. Les bandes inverses sont fortement cataclastiques et imperméables uniquement autour du chevauchement de Roquemaure ce qui montre le rôle potentiel de la présence de grande faille sur les caractéristiques structurales et pétrophysiques de ces bandes. D'autre part, cette analyse suggère que la granulométrie de l'encaissant peut influencer l'initiation et l'organisation des réseaux. L'analyse mécanique des bandes de déformation a ensuite été réalisée à partir des résultats obtenus en Provence. L'enveloppe de plasticité de ces matériaux est calculée à l'aide d'une solution analytique. Les essais triaxiaux menés sur le grès de la carrière de l'Etang (orange) confirment la forme de ces enveloppes estimées théoriquement. Les essais réalisés sur les sables de Boncavaï (Uchaux) montrent que la taille des grains, le tri et de la compaction dans ces matériaux peu lithifiés influent sur leurs enveloppes de plasticité et la localisation des bandes cataclastiques à faibles profondeurs. Les trajets de contraintes sont estimés pour les phases d'enfouissement et de chargement tectonique (extension et compression) à partir de la relation entre contrainte principale et contraintes secondaires (K0), calibrée à partir de données de forage. Ces résultats sont intégrés à un modèle permettant d'estimer la nature et les caractéristiques structurales des bandes susceptibles de se former dans un contexte géologique donné. Un modèle structural, mécanique et pétrophysique a été établir à partir de ces différents résultats. Ce modèle est calibré à partir des données de perméabilité mesurées sur les bandes de Provence et des résultats du modèle mécanique de localisation cité précédemment. Ce modèle a ensuite été confronté à une synthèse des données de perméabilité disponibles dans la littérature et confirme l'influence des différents paramètres de contrôle pris en compte dans le modèle. Ce modèle a enfin pu être appliqué sur deux sites d'explorations/exploitations d'uranium en réservoir gréseux poreux et validé par les résultats obtenus, en concordance avec les observations de terrain.

This study is designed to improve the understanding of structural, mechanical and petrophysical characteristics of deformation bands in porous sandstone such as their potential influence on fluid storage or migration in reservoir setting. Structural and petrophysical analysis of band networks from Provence show that permeability of band is mainly controlled by the degree of cataclasis and diagenetic processes at depth. Map-scale analysis of band networks underlines the major influence of tectonic regime on band distribution, organization and permeability. Band associated to normal-fault regime (cataclasis and low-permeability) are located around map-sclae-fault whereas band associated to thurst-fault regime (moderate cataclasis and permeability) are pervasively distributed in all the area. Reverse-sense band are cataclastic and low-permeabiilty around the Roquemaure thrust, which show the potential role of large-scale fault on structural and petrophysical characteristics of bands. This analysis also shows the influence of fault propagation on formation of low permeability catacastic bands. This analysis suggests also granulometry as factor controlling organization of band networks. A mechanical analysis of deformation bands is realized based on results from Provence. Yield envelopes of these materials are calculated from analytical solution. Triaxial tests done on sandstone (L'Etang quarry, Orange) confirm the shape of yield envelope theoretically calculated. Triaxial tests done on the poorly-lithified sands (Boncavaï quarry, Uchaux) show grain size, sorting and packing influencing yield envelope and cataclastic band localization at shallow burial depth. Stress paths are calculated for burial and tectonic event (extension and contraction) using the relationship between main stress and secondary stresses (K0) calibrated from well data. These different results are integrated into a model which allows to estimate type and structural characteristics of bands susceptible to form for a known geological setting. A structural, mechanical and petrophysical model is established form these results. This model is calibrated by permeability data from deformation bands of Provence and results from the mechanical model of strain localization. This model is also confronted to a synthesis of permeability data from literature, which confirms the influence of the different controlling parameters integrated to the model. This model is applied for two sites of uranium exploration/exploitation in porous sandstone reservoirs and validated by field observations.