Caractérisation des hétérogénéités sédimentaires et pétrophysiques d’un réservoir carbonaté microporeux : le cas de la Craie (Crétacé supérieur, Bassin de Paris)

Characterisation of sedimentary and petrophysical heterogeneities of a microporous reservoir : the case of Chalk (Upper Cretaceous, Paris Basin, France)

• Auteur / Autrice : Jessica Saïag
• Direction : Pierre-Yves Collin, Jean-Pierre Sizun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 14/12/2016
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Vennin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rudy Swennen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Géraud, François Fournier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagenèse

Crétacé supérieur

Sédimentologie

Parisien, Bassin (France)

Craie

Mots clés libres

Craie

Sédimentologie

Microtexture

Diagenèse

Pétrophysique

Chalk

Sedimentology

Microtexture

Diagenesis

Petrophysics

Résumé

La craie est définie comme étant une roche carbonatée microporeuse. Cette formation est largement exploitée en Mer du Nord pour ses hydrocarbures et constitue un aquifère dans le Bassin de Paris. Les propriétés réservoirs de la Craie (propriétés matricielles) varient considérablement comme Alam et al. (2011) le soulignent pour les craies de surface et de subsurface de Mer du Nord, avec des porosités de 4 à 52 %, des perméabilités de 0,01 à 100 mD et des vitesses des ondes P sur roche saturée de 2,4 à 4,4 km.s-1.Dans le secteur d'étude (Normandie, France), pris comme analogue de terrain, 114 échantillons (Cénomanien- Santonien) ont été prélevés dans le but d'illustrer l'hétérogénéité sédimentaire et pétrophysique de la Craie. Comme en Mer du Nord, les échantillons présentent une grande variabilité des propriétés pétrophysiques : porosités () de 6,1 à 46,5 %, perméabilités matricielles (K) très faibles (0,002 mD) jusqu’à des perméabilités atypiques et très fortes (470 mD, en l’absence de fractures) et des vitesses des ondes P sur échantillon saturé s'étalant selon une gamme très étendue (1,8 à 5,5 km.s-1). Cependant, l’origine de ces hétérogénéités est encore mal comprise. L'objectif de cette étude est donc de comprendre l’influence respective des facteurs contrôlant les propriétés pétrophysiques afin d'optimiser la modélisation de ce type de réservoir.Trois modèles sédimentaires ont ici été définis avec :(1) un modèle de rampes, subdivisé en modèle de rampe argileuse avec des porosités de 34,4 à 46,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,02 à 3 mD, et en modèle de rampe carbonatée (mudstone à grainstone) avec des porosités de 26,1 à 46,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,04 à 6 mD,(2) un modèle de contourite (mudstone à grainstone et micro-packstone) avec des porosités de 8,3 à 45,5 % et des valeurs de perméabilité de 0,05 à 477 mD,(3) un modèle de surface de hiatus (Soupground à Hardground) avec des porosités de 6 à 36,9 % et des valeurs de perméabilité de 0,002 à 36 mD.Une classification des microtextures, basée sur l’observation au MEB de quatre critères (contenu minéralogique, fraction biogénique, fraction micritique et fraction de ciment), est proposée. À partir de ces critères, deux groupes majeurs ont été définis avec les Pure chalk microtextures et Impure chalk microtextures. Le groupe des Pure chalk microtextures reflète l’intensité des modifications subies par la craie lors de la diagenèse (taux de diagenèse qu’elle soit précoce ou tardive). Une augmentation du taux de diagenèse induit une diminution de la porosité et une augmentation des vitesses de propagation des ondes acoustiques P. En effet, les transformations qui s’opèrent au cours de la diagenèse, d’une part, réduisent la taille des espaces intergranulaires et donc font diminuer la porosité, et d’autre part, renforcent les contacts entre grains, favorisant ainsi la propagation des ondes acoustiques. Pour le groupe des Impure chalk microtextures, la présence de particules insolubles dans la matrice n’affecte pas la porosité, mais diminue la perméabilité du fait de la réduction des tailles d’accès aux pores.Par conséquent, l’héritage sédimentaire et les transformations diagénétiques, qui affectent à différents degrés les faciès sédimentaires primaires, déterminent les propriétés réservoirs et sont donc la cause de la grande variabilité de ces dernières. De plus, la répartition spatiale de ces microtextures, dépendante des conditions de dépôt (e.g. climat, distance des côtes), et des modifications diagénétiques (précoces ou tardives), n’est pas aléatoire. À partir de l’extrapolation combinée des faciès et de l’empreinte diagénétique, il serait ainsi possible de visualiser la distribution des propriétés pétrophysiques sur les falaises, et donc de visualiser l'architecture des réservoirs dans la Craie.

Chalk is defined as a microporous reservoir rock. This formation is a prolific hydrocarbon-bearing reservoir in the North Sea and is one of the main aquifers in the Paris Basin. The heterogeneity of chalk in terms of petrophysical properties (both surface and subsurface) is illustrated by porosity ranging from 4 to 52 %, permeability from 0.01 to 100 mD, and P-wave velocity on water-saturated samples from 2.4 to 4.4 km.s-1 (Alam et al., 2011).In the study area (Normandie, France), taken as an outcrop analogue, 114 samples were collected (Cenomanian – Santonian). As in the North Sea fields, these samples show great petrophysical heterogeneity: total porosity () from 6.1 to 46.5 %, very low permeability (K; 0.002 mD) to atypical high permeability (477 mD; without fractures), and P-wave velocity on water-saturated samples ranging from 1.8 to 5.5 km.s-1. However, the origin(s) of this large variation in petrophysical parameters is poorly understood. Three sedimentary models are defined here for the chalk:(1) Ramp models, subdivided into argillaceous ramp model, with porosity from 34,4 to 46.5%, and permeability from 0.02 to 3 mD, and carbonate ramp model (mudstone to packstone), with porosity from 26.1 to 46.5%, and permeability from 0.04 to 6 mD,(2) Contourite model (mudstone to grainstone and micro-packstone), with porosity from 8.3 to 45.5%, and permeability from 0.05 to 477 mD,(3) Softground to Hardground model, with porosity from 6 to 36.9%, and permeability from 0.002 to 36 mD.Each model has specific distribution in the porosity-permeability plot.A microtexture classification of the chalk is proposed, based on SEM observation of four groups of criteria (mineralogical content, biogenic fraction, micritic fraction and cement fraction). From these criteria, two major groups are defined: Pure chalk microtexture and Impure chalk microtexture. The Pure chalk microtexture group reflects the intensity of chalk modification during diagenesis (rate of diagenesis, whether early stage or not). An increase in the diagenetic rate induces a decrease in porosity and an increase in P-wave velocity. Diagenetic transformation induces a decrease in pore-space size, with better grain contact, explaining the decrease in porosity and the improved propagation of acoustic P-wave velocity. For Impure chalk microtexture group, the presence of insoluble particles in the matrix does not affect porosity but decreases permeability, due to the reduction of pore-throat size.The complex relationships between depositional inheritance and diagenetic transformation lead to variability in chalk petrophysical parameters. Spatio-temporal distribution of depositional facies and associated diagenetic transformation is not random; it depends on sedimentological condition (e.g. climate and distance to shore) and imprint of diagenetic processes (early or late stage). By extrapolating from the combined data on facies and diagenesis, the petrophysical properties of the entire cliff section can be characterised, and used to describe the reservoir architecture of the Chalk.