Éditeur(s) : HAL CCSD American Association of Petroleum Geologists
Résumé : International audience
We describe the structure, microstructure, and petrophysical properties of fault rocks from two normal fault zones formed in low-porosity turbiditic arkosic sandstones, in deep diagenesis conditions similar to those of deeply buried reservoirs. These fault rocks are characterized by a foliated fabric and quartz-calcite sealed veins, which formation resulted from the combination of the (1) pressure solution of quartz, (2) intense fracturing sealed by quartz and calcite cements, and (3) neoformation of synkinematic white micas derived from the alteration of feldspars and chlorite. Fluid inclusion microthermometry in quartz and calcite cements demonstrates fault activity at temperatures of 195degC to 268degC. Permeability measurements on plugs oriented parallel with the principal axes of the finite strain ellipsoid show that the Y axis (parallel with the foliation and veins) is the direction of highest permeability in the foliated sandstone (10-2 md for Y against 10-3 md for X, Z, and the protolith, measured at a confining pressure of 20 bars). Microstructural observations document the localization of the preferential fluid path between the phyllosilicate particles forming the foliation. Hence, the direction of highest permeability in these fault rocks would be parallel with the fault and subhorizontal, that is, perpendicular to the slickenlines representing the local slip direction on the fault surface. We suggest that a similar relationship between kinematic markers and fault rock permeability anisotropy may be found in other fault zone types (reverse or strike-slip) affecting feldspar-rich lithologies in deep diagenesis conditions.
ISSN: 0149-1423

hal-00903428
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00903428
DOI : 10.1306/03071312127

Éditeur(s) : HAL CCSD American Chemical Society
Résumé : Experiments were conducted to assess the potential impact of fractured well-cement degradation on leakage rate. Permeability was monitored while CO2-enriched reservoir-equilibrated brine was flowed at constant rate through a single fracture in a class G cement core under conditions mimicking geologic sequestration environments (temperature 60 °C, pressure 10 MPa). The results demonstrate that, at least for the conditions used in the experiment, an initial leakage in a 42 μm aperture fracture (permeability = 1.5 × 10-10 m2) can be self-mitigated due to the decrease of the fracture hydraulic aperture after about 15 h. This decrease results from the development of continuous highly hydrated amorphous Si-rich alteration products at the edge of the fracture and the dense carbonation of the bulk cement that mitigate the penetration of the alteration front.
ISSN: 0013-936X

hal-00950088
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00950088
DOI : 10.1021/es401317c

Éditeur(s) : HAL CCSD Elsevier
Résumé : We investigate experimentally the alteration of fractured class-G cement flowed by CO2-rich brine. The experiment mimics a mechanically damaged rough-walled fractured cement annulus at temperature 60 °C and pressure 10 MPa. The experiment consists of flowing a reservoir-equilibrated brine mixed with CO2 (partial pressure of 2.3 MPa) through the fracture of average aperture 14 μm at constant flow rate (100 μL min−1). This flow rate corresponds to pressure gradient representative of an average in situ hydrodynamic condition. Results indicate an intense alteration of the cement with a large removal of mass at the scale of the sample. However, the fracture alteration patterns are triggered by the initial heterogeneity of the fracture aperture; the aperture of the low aperture zones tends to decrease due to calcite precipitation whereas preferential paths develop in the zones of higher aperture associated. Nevertheless, the expected large permeability increase triggered by the mass removal is mitigated by the precipitation of a low density Si-rich amorphous material. The alteration rate will decrease with time because of the increasing distance of diffusion between the fracture where the reactants are actively renewed by advection and the portlandite and C-S-H dissolution fronts. The different zones of reaction can be adequately modeled by a simple 1D diffusion-reaction model using published kinetics coefficients and extrapolation to larger times than the experiment time can be drawn. Altogether, and in addition to the previous studies of the alteration of fractured well cement annulus, this study shows that the leakage potential is strongly controlled by the initial distribution of the aperture along the fracture: low aperture zones will tend to self-heal while localized flow in connected high aperture paths will be perennial.
ISSN: 1750-5836

hal-01346006
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01346006
DOI : 10.1016/j.ijggc.2016.01.032

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : The main purpose of this thesis was to characterize and to model the hydrodynamic and thermochemical processes leading to the alteration of the wellbore cement materials under borehole conditions. Percolation experiments were performed on fractured cement samples under CO2 storage conditions (60°C and 10MPa). Injection flow rate was dictated by the fracture aperture of each sample. CO2 enriched brine was flowed along the fracture aperture, and permeability changes as well as chemical evolution of major cations were continuously acquired during the experiment time. Reaction paths developed by the alteration of the cement were characterized using microtomography and ESEM images. The experiments conducted using samples presenting large fracture apertures during 5h showed that permeability was maintained constant during the experiment time. Three reacted layers were displaying by the alteration of portlandite and CSH. Long term experiment (26h) conducted with large initial fracture aperture showed a decrease of the permeability after 15hours of CO2 exposure. Otherwise, experiments performed on samples presenting narrow apertures indicated the conversion of portlandite and CSH to calcite leading to the permeability reduction and the fracture clogging. Assemblages of phases and chemical changes were modelled using GEMS-PSI speciation code. We studied also using a coupled transport-reactive model the conditions leading to the cement alteration and the formation of associated layers.
L'objectif de cette thèse était de modéliser à partir des expériences de percolation-réactive, les processus hydrodynamique et réactionnel qui gouvernent l'altération des ciments de puits. Différentes expériences ont été réalisées dans des conditions représentatives de celles du stockage du CO2. Des échantillons fracturés ont été utilisés pour injecter une saumure enrichie en CO2 à 60°C et 10MPa et à différentes pressions partielles de CO2. Le débitd'injection variait en fonction des propriétés hydrauliques de l'échantillon exposé. L'injection d'une saumure enrichie en CO2 à débit constant à travers une fracture supposée plane a permis d'étudier les modifications des propriétés hydrodynamiques et ces conséquences sur la géochimie et la microstructure du ciment altéré. L'impact dynamique de l'évolution microstructurale a été mis en évidence. Les expériences conduites sur des échantillons présentant de larges ouvertures, réalisées sur une durée de 5 h, ont montré que la perméabilité était maintenue constante le long de l'expérience. Trois couches d'altération se sont développées consécutivement à la dissolution de la portlandite et la décalcification des CSH. L'altération a entrainé la précipitation des carbonates et de la silice amorphe à proximité de la fracture. Dans le cas d'une expérience longue durée appliquant les mêmes conditions que précédemment on a observé que la croissance de la silice amorphe a entrainé la diminution de la perméabilité. Par ailleurs les expériences effectuées sur des échantillons présentant de faibles ouvertures, ont indiqué que la conversion de la portlandite en calcite conduit au colmatage de la fracture. L'évolution des assemblages de phases conduisant à la formation des carbonates et de la silice amorphe a été modélisée à partir du code géochimique GEMS. Les mécanismes de diffusion et les processus de mise en place des couches d'altération ont été étudiés à partir d'un modèle analytique et d'un modèle de transport réactif à partir du code géochimique PHREEQC.
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01038034

tel-01038034
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01038034
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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01038034/file/theseabdoulghafour.pdf

Éditeur(s) : HAL CCSD Elsevier
Résumé : Deficient sealing in the well cement plugs and annulus due to mechanical fracturing is an important risk of CO2 leakage from the reservoir to others permeable layers and the surface. Such situation was reproduced at laboratory scale in order to determine the hydro-chemical control on the fracture permeability. Specifically, we investigated the effect of CO2 rich-brine flowing through fractured Portland cements at T = 60 °C and P = 10 MPa and variable flow rates. We showed that carbonation process is dominant and induces permeability decrease and leakage mitigation for extremely low flow rate whereas for high flow rate injection the permeability remains constant due to the precipitation of a low density secondary Si-rich phase which maintains the initial fracture aperture. At intermediate flow rate the hydraulic aperture can increase due to the densification of the material triggered by the net precipitation of low porosity calcite. These results emphasize that more complex behaviors than those considered from batch experiments may take place in the vicinity of flowing fractures. Specifically, the redissolution of the neoformed calcite as well as the development of amorphous phases, both controlled by the CO2-rich brine renewing rate in the fracture may prevent the healing fracture.
ISSN: 1750-5836

hal-00857555
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00857555
DOI : 10.1016/j.ijggc.2013.04.002

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Fault zones are major discontinuities in sedimentary basins. Understanding their role on fluid migrations is an essential issue to (i) characterize the mechanisms and kinematics of deformation and (ii) to determine the parameters which control the distribution of energetic or mineral resources. This work applies to faulting under a temperature range of 200-250°C, corresponding to that of deeply buried reservoirs as well as potentially seismogenic fault zones. The studied faults are normal faults affecting the “Grès d’Annot” Formation, a Priabonian-Rupelian siliclastic turbidite succession of the Alpine foreland basin. They are located in two distinct areas: the Moutière-Restefond area in the eastern part of the basin and the Estrop area in the western part. Vitrinite reflectance outside fault zones indicates maximal temperatures of 240-260°C at Moutière-Restefond and 170-200°C at Estrop, i.e. burial depths around 8 km and 6 km, respectively, assuming a mean geothermal gradient of 30°C/km. Burial was due to underthrusting below the Embrunais-Ubaye Alpine nappes, the difference in burial between the two areas traducing the westward taper of the nappe front.The studied faults affect alternating arkosic sandstone beds and pelite layers with offsets from centimeters to decameters. Two types of core zones are recognized: (1) the foliated core zones of the Moutière-Restefond area, where deformation dominated by pressure solution and synkinematic phyllosilicate neoformation resulted in a foliated fabric, and (2) the core zones of the Estrop area, characterized by dilatant quartz-mineralized veins and breccia. Fault and host rock petrophysical properties were measured on drill plugs, using the water porosity technique and nitrogen permeability technique under 2 Mpa of confining pressure. In the Moutière-Restefond fault zones, plug axes were oriented in three orthogonal directions corresponding to the main deformation axes (X, Y, Z) of the foliated arkose to characterize the effect of structural anisotropy. In the Estrop fault zones, where deformation does not show equivalent anisotropy, the plug axes were oriented according to the main fault plane orientation (i.e., parallel to azimuth, parallel to dip and normal). In each fault zone, the porosity of fault rocks is equivalent to that of host rocks. In the Moutière-Restefond fault zones, the plugs parallel to the X and Z axes of deformation have a permeability similar to that of the host rocks, whereas permeability parallel to the Y axis (i.e. parallel to the foliation and the main fault plane) is one order of magnitude higher. By contrast, the permeability values in the Estrop fault zones are isotropic and equivalent to the host rock values. This study highlights the importance of various types of deformation mechanisms and related fluid-rock interactions in determining different fault rock types within a similar protolith, ultimately controlling distinct petrophysical properties of fault zones.
Les zones de failles constituent des discontinuités majeures dans la croûte supérieure. Ce mémoire s’intéresse aux failles actives à des profondeurs de 5-8 km, i.e. dans des conditions pouvant jouer un rôle important (i) sur le comportement mécanique de de la croûte, en particulier sur son potentiel sismogénique et (ii) sur la compartimentation des réservoirs géologiques profondément enfouis.Les failles étudiées sont des failles normales (rejet jusqu’à 50 mètres) affectant des alternances de bancs de grès arkosiques et de pélites dans les Grès d’Annot, une formation turbiditique d’âge priabonien-rupélien du bassin d’avant-chaine alpin. Les Grès d’Annot ont été enfouis sous les nappes de l’Embrunais-Ubaye peu de temps après leur dépôt et exhumés au Miocène moyen-supérieur. L’étude a été réalisée dans deux secteurs des Alpes de Haute-Provence, (1) le secteur de l’Estrop (chaine des Trois Evéchés, dans la partie occidentale du bassin) et (2) le secteur de Point Vert-Restefond (alentours du col de la Bonette, dans la partie orientale du bassin). La réflectance de la vitrinite dans les Grès d’Annot indique des températures maximales de 160-190°C dans le secteur (1) et de 240-260 °C dans le secteur (2) , soit des profondeurs d’enfouissement de 5-6 km et 8-10 km, respectivement, dans l’hypothèse d’un gradient géothermique moyen de 25-30°C/km. A partir des observations microstructurales, de données d’inclusions de fluides, de modélisations thermodynamiques sur chlorites syncinématiques et des indices de cristallinité de l’illite, on a établi que les failles du secteur (1) ont fonctionné à une température d’environ 200°C pour une pression de 0.6Kbar et celles du secteur (2) dans une gamme de température de 200-220°C et de pression comprise entre 0.6 et 1.1 Kba. L’activité de la faille de Point-Vert a été datée par la méthode 40Ar/39Ar au Miocène inférieur (21 Ma). Ces failles sont interprétées comme associées aux premiers stades du soulèvement résultant de l’activité des chevauchements dans le socle sous-jacent.Deux types principaux de roches de failles caractérisent les failles étudiées. Les brèches dilatantes sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (1) alors que les arkoses foliées sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (2). Les brèches dilatantes témoignent de mécanismes de déformation dominés par la fracturation transgranulaire et la pression-solution des silicates. Ce dernier mécanisme se manifeste principalement par d’abondantes précipitations cycliques de quartz, les stylolites restant peu développés. Les géométries structurales sont associées à l’activation de plans T de Riedel déterminant l’ouverture de relais extensifs et un régime localement dilatant. Nous associons ce type de roche de faille à une faible pression effective au cours de la déformation.La déformation cisaillante exprimée dans les arkoses foliées témoigne de mécanismes de déformation dominés par (i) la fracturation intragranulaire et transgranulaire, (ii) la pressionsolution/ précipitation des silicates, principalement le quartz, (iii) la néoformation de micas blancs liée à l’altération des feldspaths et (iv) la précipitation de chlorite. Ce travail montre également que les transformations minéralogiques liées aux interactions fluide-roche dans la zone de faille (forte augmentation de la proportion des phyllosilicates au dépend des feldspaths) changent radicalementla composition minéralogique de la roche. Nous associons ce type de roche de faille à une forte pression effective au cours de la déformation.La pétrophysique montre que les brèches de failles (secteur 1) ont une perméabilité isotrope et équivalente à celle du protolithe (10-3mD sous 2 MPa de confinement) tandis que les roches foliées (secteur 2) montrent une augmentation de perméabilité (10-2mD) selon l’axe Y de la déformation, d’un ordre de grandeur supérieure aux perméabilités suivant les axes X et Z et dans la roche hôte (10-3mD). Ce drain préférentiel potentiel est associé à l’orientation des phyllosilicates dans la foliation.
https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01310382

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