Géologie Pétrolière
Géologie Pétrolière
Géologie Pétrolière
DES RESSOURCES FOSSILES
François Fournier
Laboratoire de Géologie des Systèmes et Réservoirs Carbonatés
Licence Pluridisciplinaire‐
année 2008‐2009
Université de Provence
CHAPITRE I
Charbon et pétrole:
Définitions
CHAPITRE I- Charbon et pétrole: définitions et importance économique
Définitions
Le charbon est une roche sédimentaire contenant plus de 50% (en masse) de matière
organique cogénétique (c’est‐à‐dire déposée en même temps que le reste du sédiment), le
plus souvent dérivée de débris de végétaux terrestres.
Une roche‐mère est une roche sédimentaire contenant de la matière organique (typiquement
plus de 1% en masse) susceptible de générer des hydrocarbure par maturation thermique.
pétrole = huile + gaz
CHAPITRE I- Charbon et pétrole: définitions et importance économique
E
TOURB
L IG N I T E
E
LL
UI
HO
ANTHRACITE
Tourbe
Anthracite
CHAPITRE I- Charbon et pétrole: définitions et importance économique
‐paraffines (hydrocarbures saturés CnH2n+2 = alcanes à chaîne ouverte);
‐cyclo‐alcanes = naphtènes (alcanes à molécule cyclique)
‐composés aromatiques (à noyau benzenique)
Benzène C6H6 Cyclohexane C6H12
Paraffines
CHAPITRE I- Charbon et pétrole: définitions et importance économique
Le gaz naturel est un mélange d’hydrocarbures saturés composé
essentiellement:
‐ de méthane (70 à 95 %,
‐ d’autres alcanes (éthane, propane, butane, ...),
‐des gaz inorganiques (N2, CO2, H2S)
CHAPITRE I- Charbon et pétrole: définitions et importance économique
Les biomarqueurs
Biomarqueur: molécule dont la structure reflète celle de son précurseur biologique
(= fossile géochimique)
Les réserves mondiales prouvées en huile
Chiffres: 2000
CHAPITRE II
La matière organique sédimentaire:
accumulation et préservation
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
82% dans les carbonates (CaCO3…)
2.7.1014 tonnes
18% de carbone organique
1‐ Sédimentation et conservation de la matière organique (MO)
2‐ L’enfouissement de la MO
3‐ La maturation de la MO et la production des hydrocarbures
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
CO2
nutrition ATMOSPHERE
Photo‐
synthèse Plantes animaux
H2O BIOSPHERE
Mort
Décomposition 1%
bactérienne
Oxydation /
LITHOSPHERE
Combustion /
Enfouissement
Biodégradation
Charbons / Huile / Gaz
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Les géochimistes utilisent des solvants organiques lipophile (ex: chloroforme, chlorure de
méthylène…) pour séparer les 2 fractions de la matière organique: le kérogène et le bitume.
Définitions
minéraux
Roche totale
Kérogène
(insoluble)
Bitume (soluble dans
les solvants
organiques)
Matière
organique totale
Asphaltènes
+ résines
HC
aromatique
HC
saturés
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Hydrates de carbone
et lignine:
Riches en O (O/C
élevé)
Pauvres en H (H/C
faible)
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
MO terrestre
Les végétaux terrestres contienne une
plus forte proportion de lignine et
cellulose (carbohydrates) qui constituent
leur tissus de soutiens (bois)
=> Molécules riches en oxygène
La matière organique terrestre est riche en O, contrairement à la matière organique
d’origine lacustre ou marine
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Kérogène lacustre
=> H/C élevé, O/C faible
Kérogène lacustre
=> H/C élevé, O/C faible
Kérogène marin
=> H/C élevé, O/C élevé
Kérogène terrestre:
riche en lignine et
cellulose
=> H/C faible, O/C
élevé
Diagramme de vanKrevelen
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
La préservation de la MO dépend de divers facteurs:
‐ la profondeur du dépôt (décantation et oxydation des particules)
‐ la granulométrie du sédiment (porosité/perméabilité)
‐ le taux de sédimentation (la préservation de la MO augmente quand le taux
de sédimentation augmente)
‐ les conditions REDOX (présence d’oxygène)
‐ la production primaire
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Les sédiments les plus favorables à la préservation de la MO:
‐Les argiles
‐Les calcaires fins
(boue carbonatée)
o xiq ues
ents
Séd. Sédim
x iq ues suboxiques
n ts a no
~200-1000m me
Sédi
Séd.
suboxiques
es
MODELES D’UPWELLING
-sous l’action du vent soufflant du continent vers la mer, la couche d’eau superficielle se
déplace vers le large;
-une remontée d’eau profonde se produit, remplaçant le volume d’eau de surface déplacé.
⇒Apport de nutriments
⇒Forte activité planctonique => excès de matière organique
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Hémisphère Sud
-sous l’action des forces de Coriolis, la couche d’eau
superficielle se déplace vers le large;
-une remontée d’eau profonde se produit, remplaçant le
volume d’eau de surface déplacé.
⇒ Apport de nutriments
⇒ Forte activité planctonique
⇒ Excès de matière organique + anoxie
Noir: direction du vent
Rouge: force de Coriolis
Bleu: gradient de pression
Hemisphère N
Hemisphère S
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
MODELES D’UPWELLING
Les écosystèmes d'upwelling
fournissent plus de 40 % des captures
des pêcheries mondiales alors qu'ils
représentent moins de 3 % de la
surface de l'océan.
Licence Pluridisciplinaire‐
année 2008‐2009
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
MODELE EUXINIQUE
MODELE EUXINIQUE
Tranche d’eau
non connectée
avec la surface
Euxinisme =
enrichissement en
CIRCULATION ESTUARIENNE H2S dans l’eau par
sulfato-réduction
‐Faible production primaire bactérienne
‐Conditions réductrices de fond
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Charbons limniques
Argiles marines
Montée du niveau marin
Charbon
Grès
200m
Zone à Oxygène minimum
Niveau Sédiments anoxiques/suboxiques
marin
TRANSGRESSION MARINE
temps
Les périodes transgressives favorisent le
développement de roches-mères à vaste extension
Niveau
200m
marin Zone à Oxygène minimum
BAS-NIVEAU MARIN
temps
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
Lessivage du continent
« hot shales » à
graptolites
(Libye)
Kérogène de type II
(marin)
CHAPITRE II- La matière organique sédimentaire: accumulation et préservation
93 Ma
CHAPITRE III
La maturation thermique de la
matière organique :
évolution des charbons et
formation du pétrole
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
NB: à titre de comparaison, le flux d’énergie solaire arrivant sur terre est de 342W/m2.
-Ordres de grandeur:
Valeur moyenne dans les crôutes continentales: 30°C/km
Dans les bassins de type rift (ex: Alsace): 100°C/km
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
-Loi de Terzaghi:
S=σ+p
Sur les parties solides de la roche s’exercent 2 forces: le poids des sédiments sus-
jacente et la force exercée par le fluide des pores sur le solide.
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
Profil
typique de
pression
des fluides
formation
Pression lithostatique
Pression hydrostatique
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
1 2
La matière
organique se
Roche‐mère transforme en
hydrocarbures
avec
3 4
l’augmentation
de température et
de pression
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année 2008‐2009
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
DIAGENESE
Fenêtre à huile: 60‐120°C
CATAGENESE
Cracking (craquage)du kérogène
Huile
Cracking de l’huile et du kérogène Gaz
METAGENESE
Craquage: fractionnement des composés
organiques sous l’action de la chaleur
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
LES TYPES DE KEROGENE ET LEUR EVOLUTION
Algues et bactéries lacustres HUILE
Algues et plancton marin HUILE + GAZ
Végétaux terrestres GAZ
Licence Pluridisciplinaire‐
année 2008‐2009 Diagramme de Van Krevelen
Evolution de la matière organique avec l’enfouissement
en fonction du type de matière organique
Profondeur (m)
Température (°C)
Houille
90 3000
120 4000
Anthracite
150 5000
180 6000
LA MATURATION ARTIFICIELLE DES SCHISTES BITUMINEUX
Schistes bitumineux=roches sédimentaires à grain fin (argilites ou calcaire fin) riches en
kérogène mature et n’ayant pas expulsé ses hydrocarbures.
Du pétrole peut‐être obtenu à partir de la pyrolyse
(chauffage) des schistes bitumineux: ce procédé revient à
produire une maturation et une expulsion artificielle des
hydrocarbures.
Licence Pluridisciplinaire‐ année 2008‐2009
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
Immature Immature
Immature
Zone à Zone à
Zone à huile huile
huile huile
Gaz à
cond.
Zone à gaz à condensats
Gaz sec
2- Mode Rock-Eval:
1- Mode COT:
pyrolyse à température
chauffage à 1200°C => tout
croissante (jusque vers
le C organique est brulé =>
550°C)
CO2
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
2- Le type de kérogène => S2/C org ~ H/C (index d’hydrogène IH) Diagramme de
S3/C org ~ O/C (index d’oxygène IO) Van Krevelen
4- Le degré de maturation:
-IP= S1/ (S1+S2) : index de production
-diagramme IH=f(Tmax)
CHAPITRE III- La maturation thermique de la matière organique
diagramme IH=f(Tmax)
Diagramme IH/IO
(Van Krevelen modifié)
CHAPITRE IV
La migration des hydrocarbures
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
NECESSITE DE LA MIGRATION
gaz
huile Roche imperméable
Roche perméable
Ro gaz
ch
e-m huile
ère
Roche imperméable
Roche perméable
MIGRATION MIGRATION
PRIMAIRE SECONDAIRE
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
-Les argiles se
compactent plus avec
l’enfouissement que les
sables
e co m pLoi d
Argile -Si l’enfouissement est rapide, la
Press
action
Sable permet pas d’équilibrer l’augmentation
i on h y
De plus,
Lorsque 2 fluides sont présents dans le réservoir, la loi de Darcy s’écrit alors:
K Krw
Vw = - ( grad P – ρw g )
µw
K Kro
Vo = - ( grad (P + Pc) – ρo g )
µo
eau
Réservoir
Perméabilité relative
mouillable à
l’eau
huile
Huile
immobile
0-
Sco 1-Srw
Saturation en huile So
gaz
huile Roche imperméable
Roche perméable
Ro gaz
ch
e-m huile
ère
Roche imperméable
Roche perméable
MIGRATION MIGRATION
PRIMAIRE SECONDAIRE
Fa
Grain
r
Fc
Pénétration d’un goutte d’huile dans un sable mouillé à l’eau
P
Si l’eau est statique, 3 forces s’exercent sur la goutte:
- Poids P
- Force d ’Archimède Fa
- Force capillaire Fc
Hauteur
Pression capillaire s’exerçant sur la goutte au niveau
d’huile z0 du seuil du pore:
Pc=2γ/r
⇒ Condition de migration: gz0(ρw-ρo) > 2γ/r
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
Migration liée à la
charge (pression
hydrostatique)
Compaction
Réservoir des argiles
carbonaté
Argile
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
Convection thermique
Fond marin
isothermes
Anomalie thermique
Surface émérgée
isothermes
Anomalie thermique
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
-La migration secondaire est contrôlée à petite échelle par les forces
capillaires, la force d’Archimède et l’hydrodynamisme.
sel
Diapir de sel
CHAPITRE IV- La migration des hydrocarbures
POROSITE
Porosité = 27 %
Porosité = 14%
CHAPITRE V- Les réservoirs à hydrocarbures et les couvertures
Très bon tri Bon tri Tri modéré Mauvais tri Très mauvais
tri
TRI
CHAPITRE V- Les réservoirs à hydrocarbures et les couvertures
INFLUENCE DE LA CIMENTATION:
CIMENTS QUARTZEUX
LP
Grain
original
0.2 mm
INFLUENCE DE LA COMPACTION
La compaction mécanique et chimique est responsable de la
tendance à la diminution de porosité des réservoirs gréseux en
profondeur
Etat initial
ENFOUISSEMENT
Ehrenberg and nadeau, 2005
Réarrangement
des grains
5400
échantillons =>Absence de
provenant de loi universelle
réservoirs porosité-
Perméabilité (mD)
pétroliers du perméabilité
monde entier:
0 10 20 30 40
Porosité (%)
CHAPITRE V- Les réservoirs à hydrocarbures et les couvertures
Porosité=21%
Porosité=5%
0.2mm
Sable de Fontainebleau
2 faciès de dépôt identiques, 2 porosités identiques mais des perméabilités très différentes!
0.5 mm 0.5 mm
Seal
Fault
Oil/water
(impermeable)
contact (OWC)
Seal Migration route
Seal
Hydrocarbon Reservoir
accumulation rock
in the
reservoir rock
Top of maturity
Source rock
Fa
P: poids de la colonne
d’huile
Particule argileuse Particule argileuse
Fa : force d’Archimède
sur la colonne d’huile
Fc
Fc force capillaire au
sommet du réservoir Grain de Qz Grain de Qz
P
(ρeau-ρhuile).g.h < Pc
Pc: pression
huile h capillaire
eau
CHAPITRE V- Les réservoirs à hydrocarbures et les couvertures
Réservoirs non-
conventionnels:
• “Tight gas” sands
• “Coal bed methane”
•GAS SHALES
• Sables bitumineux
CHAPITRE VI- Les hydrocarbures non conventionnels
HUILES NON-CONVENTIONNELLES
GAZ NON-CONVENTIONNELS
Augmentation de la
récupération par
fracturation hydraulique
Eléments Processus
Roche-mère Génération
Route de migration Migration
Réservoir
Couverture Accumulation
Piège Préservation
La présence simultanée de tous les éléments constitutifs d’un système
pétrolier (roche-mère, réservoir, couverture, piège) n’est pas suffisante le
fonctionnement d’un système pétrolier.
=> il faut que la roche-mère ait été mature et ait expulsé l’huile
=> il faut que les pièges aient été déjà formés au moment de la
migration secondaire!
CHAPITRE VII- La notion de système pétrolier
Anticlinaux pyrénéo-provençaux
(Crétacé sup. à Eocène)
A
Anticlinal de roll-over
(Eocene terminal-Oligocène)
A B
B
Barjac 6
LOCALISATION 5
Saint-Jean de
DES INDICES DE Maruejols
SURFACE
Affleurements
4 Auzon
Rousson
3 Vieilles-
Fumades
2 Servas
1 Mas d’Olympie
ROCHES-MERES
- Charbons stéphaniens
- Schistes cartons
(Jurassique inf.)
- Marnes noires lacustres
(Priabonien)
RESERVOIRS
-Grès stéphaniens
-Calcaires mésozoïques (dont
Urgonien)
-Calcaires lacustres
(Priabonien)
COUVERTURES
-Argiles et gypses du Trias
-Marnes de bassin
(Jurassique/Crétacé)
-Argiles oligocènes
CHAPITRE VII- La notion de système pétrolier
Bourroulec, 1992
Bouquet-1
Phase Extension
pyrénéo- « oligocène »
Mauvais timing génération-structuration! provençale
CHAPITRE VII- La notion de système pétrolier
DECOUVERTES
PUITS SECS
CHAPITRE VIII- Systèmes pétroliers et contexte géodynamique
1- Connexions marines
2- Dépôt de sel
CHAPITRE VIII- Systèmes pétroliers et contexte géodynamique
MARGE ANGOLAISE
MARGE BRESILIENNE
CHAPITRE VIII- Systèmes pétroliers et contexte géodynamique
3 roches-mères principales:
LES RESERVOIRS
2 km
Offshore Angola
Kolla et al., 2001
CHAPITRE VIII- Systèmes pétroliers et contexte géodynamique
« Flat-spot » = réflecteur
sismique horizontal
représentant un contact
fluide dans un réservoir
(contact huile-eau, gaz-
eau ou gaz-huile)
Offshore Angola
CHAPITRE VIII- Systèmes pétroliers et contexte géodynamique
2000m