Modélisation de la fracturation naturelle des sédiments

La modélisation de bassin est aujourd’hui couramment utilisée dans l’industrie pétrolière. Elle consiste à reconstituer de manière dynamique les processus géologiques subis par le bassin au cours de son évolution [Hantschel et Armin, 2009]. L’objectif de cette modélisation est de pourvoir décrire les écoulements de fluides, les évolutions géométriques et géologiques du sous-sol dans le passé . En outre, elle permet de déceler les zones en surpression, et de prédire les positions potentielles de réservoirs d’hydrocarbures.

Quand on modélise l’historique d’un bassin sédimentaire, l’évolution des propriétés de transfert des sédiments joue un rôle central et affecte notamment les niveaux de pression des fluides et les écoulements . Dans des situations particulières, certains
sédiments peuvent être amenés à se fracturer [Twenhofen, 1950; Schneider et al., 1999; Teixeira et al., 2016], ce qui a pour effet de modifier considérablement leurs propriétés de transfert. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la fracturation de sédiments peu perméables qui est susceptible de totalement modifier l’état du bassin sédimentaire, les pressions de pores et la répartition des fluides à l’actuel. Les modèles de bassin actuels sont parfois mis en défaut à cause de leur description approximative de la fracturation naturelle. Les approches utilisées sont basées sur une estimation arbitraire de l’impact de la fracturation des sédiments sur leur perméabilité. L’impact de la fracturation est pris en compte par une pression limite donnée sans considérer l’évolution des contraintes in-situ. En négligeant le rôle des contraintes horizontales cette approche ne permet pas d’estimer si une couche est capable de se fracturer ou non de manière pertinente. Dans certains cas cette approche a été clairement mise en défaut notamment dans la prédiction des hauteurs de colonnes d’hydrocarbures dans les bassins soumis à des épisodes d’érosion rapide, et dans le cas de la prédiction des niveaux de surpression dans les bassins d’avant pays.

L’objectif de ces travaux est de pouvoir proposer une amélioration des prédictions issues des simulateurs de bassin en mettant au point un modèle qui décrive la fracturation naturelle des sédiments à l’échelle temporelle de la modélisation des bassins sédimentaires. Pour la description analytique de la fracturation naturelle, la difficulté réside dans le fait de prendre en compte des processus qui se déroulent à des échelles de temps différentes comme notamment la vitesse de sédimentation et la diffusion des fluides. L’idée est d’aboutir, sur la base de modélisations numériques, à une loi de comportement dont la mise en oeuvre et les paramètres sont faciles à implémenter dans les simulateurs actuels. Cette loi découlera de l’analyse des résultats des simulations numériques de processus naturels de fracturation, en prenant en compte la physique du problème en jeu.

L’un des tout premiers modèles de bassin a été proposé dans les années 1980 par Yukler [1979]. Dans ce modèle, Yukler détermine de façon quantitative le bilan de masse et l’énergie de transport pendant la sédimentation et propose un modèle déterministe 1D tenant compte des mécanismes importants intervenant lors de la sédimentation. L’un des points clés de ce modèle est de calibrer la température durant l’évolution du bassin et de prédire le niveau de pression de pores à partir des modèles de compaction. Le calibrage des températures dans le bassin permet d’évaluer le taux de craquage des hydrocarbures à partir des équations de cinétique chimique. Ainsi, à partir de ce calibrage il est possible de reconstituer la génération de pétrole et construire des cartes d’évaluation de la maturité des roches mères.

Les premiers modèles de bassin sont réalisés principalement en 1D le long des puits avec une seule phase fluide. Il a fallu attendre jusqu’au début des années 1990 pour voir arriver une nouvelle génération de programmes de modélisation de bassin [Ungerer et al., 1990; Hermanrud, 1993]. Dans ces modèles la principale avancée est l’introduction de l’écoulement de Darcy en 2D et le raffinement du processus d’écoulement en prenant en compte les 3 phases du fluide : eau, huile et gaz. Avec le modèle d’écoulement de Darcy on est maintenant capable de modéliser d’autres processus importants durant l’historique du bassin tels que l’accumulation et la rupture de la couverture. Ensuite, d’autres innovations importantes sont apportées telle que le raffinement du comportement des failles, la description de la diffusion, la cimentation, et la fracturation. A partir de 1998, plusieurs programmes et outils de modélisation de bassin comportent des fonctions 3D, la calibration statistique, l’analyse de risque (pour quantifier la probabilité de succès ou d’échec) et la prise en compte des compressions et d’extensions tectoniques d’un point de vue géométrique. La performance de ces simulateurs étant nettement améliorée, l’utilisation de cette modélisation devient un standard dans l’industrie pétrolière.

Pour construire un modèle de bassin, on commence par modéliser la sédimentation des couches plus anciennes jusqu’aux séquences de dépôt de couche plus récentes. Plusieurs processus géologiques sont considérés et introduit à chaque pas de temps dont les plus importants sont : le dépôt, la compaction, la génération d’hydrocarbures, le flux de chaleur, l’accumulation et la migration. Durant la modélisation, on considère que les couches sont créées sur la surface supérieure du modèle lors de la sédimentation et disparaissent avec l’érosion. Dans la phase de dépôt, on suppose que les évènements géologiques à l’origine de ce phénomène sont connus. Ainsi, les paléo-temps de dépôt peuvent être assignés aux différentes couches. L’épaisseur de dépôt est calculée à partir de la technique de « back stripping » [Watts et Ryan, 1976] ou à partir d’une restauration structurale. Le backstripping ainsi que la restauration structurale consistent à mettre au point un historique cinématique du bassin et se basent généralement sur des approches géométriques. L’évolution de la pression est influencée par la variation du chargement induit par l’enfouissement des sédiments durant la sédimentation et par l’écoulement des fluides. Un autre phénomène clé est la compaction qui consiste à la réduction de la taille des pores dans le bassin du fait de l’augmentation du chargement vertical lié à la sédimentation. Dans les modèles de bassin actuels on peut prendre en compte la génération de pression interne issue de processus comme la génération de gaz, la cimentation du quartz ou la conversion de minéraux (par exemple la transformation de la smectite en illite qui génère de l’eau).