Atténuation et double porosité

Figure 2.4: Déplacements verticaux calculés avec la théorie de Biot (1956) (gauche) et la théorie de la double porosité (Pride et Berryman, 2003a) (droite).

Chapitre 2 : Propagation d'onde en milieu poreux

code de propagation et valider la théorie de la double porosité (cf. section 1.4.1) que j'ai introduite dans ce code. La gure 2.4 présente des sismogrammes calculés avec la théorie de Biot (1956) et avec la théorie de la double porosité (Pride et Berryman, 2003a). La source (force verticale) est située à 100 mètres de profondeur et les 10 récepteurs (dépla-cements verticaux) de 90 à 0 mètres de profondeur. La surface n'est pas considérée dans ce calcul. Les vitesses sont identiques dans les deux cas et la fréquence centrale est de 140 Hz.

Les coecients d'atténuation sont de 1760 et 620 pour les ondes Pf et S dans la théorie de la simple porosité et de 600 et 190 pour ces mêmes ondes dans la théorie de la double porosité.

Il est rassurant de noter que les ondes calculées avec la théorie de la double porosité ont la même forme que celles calculées par la théorie classique. L'atténuation apparaît légèrement plus forte pour les ondes calculées avec la théorie de la double porosité. L'am-plitude maximale (trace 1) du sismogramme calculé avec la double porosité est 1.4 fois plus faible que celle du sismogramme déterminé avec la théorie classique.

Cependant, l'algorithme montre des instabilités numériques et la prise en compte de l'atténuation des ondes S n'est pas optimale (cf. sect 1.4.1). Par conséquent, les études de sensibilité seront menées avec la théorie classique présentée dans le chapitre 1.

2.4 Conclusion

La méthode de réectivité de Kennett (1983) associée à l'intégration en nombres d'ondes discrets de Bouchon et Aki (1977) permet de calculer les sismogrammes syn-thétiques en milieu poreux. Cette méthode est rapide et numériquement stable. Bien que la géométrie du modèle soit latéralement invariante, la géométrie des sources et récep-teurs est à 3 dimensions. Le bon fonctionnement de ce code, inspiré par le code écrit par Garambois (1999) a été vérié en utilisant la réciprocité des fonctions de Green.

La modélisation des déplacements solides et relatifs uide/solide à partir des para-mètres du milieu poreux présentés au chapitre 1 permet de visualiser des propriétés spé-ciques des ondes en milieu poreux, notamment la présence d'une onde P-lente. Je me suis aussi intéressé à l'atténuation et à la résolution des équations de la double porosité.

Enn, cet outil sert de base pour les modélisations numériques, pour les études de sensibilité avec les dérivées de Fréchet et pour les algorithmes d'inversion utilisés dans la suite de cette thèse.

Chapitre 3

Application à la surveillance du

stockage de CO

3.1 Introduction

Problématique

La combustion des hydrocarbures fossiles génère chaque année plusieurs milliards de

tonnes de dioxyde de carbone (CO2) qui sont rejetées dans l'atmosphère. Or, ce gaz

par-ticipe à l'eet de serre de notre planète. Le Groupement Intergouvernemental d'experts sur l'Evolution du Climat (GIEC, co-Prix nobel de la paix 2007) arme que ce gaz est très certainement responsable de l'augmentation de température et des dérèglements climatiques que subit actuellement notre planète. Les conséquences peuvent être catastro-phiques : montée du niveau des océans et diminution des surfaces émergées, pénurie d'eau et d'alimentation dans certaines zones de la terre, phénomènes météorologiques violents... Le lm Une vérité qui dérange, Al Gore (2006, co-Prix nobel de la paix 2007)), est une illustration bien vulgarisée des conséquences actuelles et futures de ce phénomène. Pour remédier à ce problème, les solutions les plus évidentes sont la diminution de la consommation d'hydrocarbures et la variation des sources d'énergie. Une autre solution

consiste à capturer puis à stocker le CO2. Par exemple, il est possible de le stocker dans des

réservoirs géologiques profonds. Les sites de stockage sont variables et peuvent présenter des avantages annexes :

Chapitre 3 : Application au stockage de CO2

Anciens réservoirs pétroliers, ce qui a l'avantage d'augmenter la quantité d'hydrocar-bures exploitables. C'est le cas depuis 2000 à Weyburn (Canada), à Salah (Algérie) ou au Texas (Etats-Unis) ;

Veine de charbons inexploitables, avec une récupération de méthane possible ; Aquifères salins profonds, dont la capacité de stockage est estimé équivalente au

volume de CO2 émis pendant plusieurs siècles.

Les sites de stockages de CO2 sont utilisés depuis plusieurs années, et de nombreux sites

sont en projet. En France, il est prévu d'injecter du gaz carbonique dans le site gazier épuisé de Lacq (Pyrénées-Atlantiques) et dans des aquifères du bassin parisien.

Le CO2 doit être stocké sous forme supercritique et non gazeuse, pour limiter

l'encom-brement. La pressions et la température critique pour le CO2 sont de 7.4 MPa et 31 °C.

Le stockage doit donc se faire dans des réservoirs profonds d'au moins 800m.

Le principe du stockage est relativement simple. Le CO2 est capturé au niveau des sites de

production, transporté puis comprimé à une pression supérieure à la pression interstitielle du milieu d'injection. Lors de son injection, il va donc partiellement chasser les uides initialement présents dans les pores.

Dans le cas des aquifères salins, il est au mieux possible d'obtenir des saturations en CO2

de 60 % à 70 %. La densité du CO2 étant inférieure à celle de l'eau, celui-ci va remonter

et s'accumuler sous les barrières peu perméables situées au-dessus. La géologie des sites d'injection est donc très particulière : il faut un réservoir poreux et perméable situé en dessous d'une barrière la plus imperméable possible.

Pour surveiller la localisation et les mouvements du CO2 supercritique à ces profondeurs et

à distance des puits, seules des techniques indirectes sont utilisables. Les ondes sismiques réechies ont l'avantage de pouvoir investiguer ces profondeurs et d'être inuencées par des changements de composition du uide. Dans le but d'inverser les ondes sismiques en

concentration den CO2, il est nécessaire de comprendre quelle est l'inuence du uide sur

les ondes sismiques. De plus, une inversion sera possible si les variations des propriétés

du uide lié à la concentration en CO2 entraînent des changements non négligeables dans

les propriétés des ondes sismiques. Pour cela, des modélisations numériques et des études

de sensibilité par rapport à la concentration et à la localisation du CO2 permettent de

connaître les informations que peuvent fournir les ondes sismiques. Le code de propaga-tion poro-élastique présenté dans le chapitre 2 a été adapté à l'étude de ce problème.

Plan du chapitre

Dans une première partie, je présenterai les caractéristiques du uide aux profondeurs

concernées par le stockage de CO2. Il est ici indispensable de tenir compte de la pression

et de la température.

Chapitre 3 : Application au stockage de CO2

Une deuxième partie sera consacrée à une étude de sensibilité numérique des ondes P ré-échies appliquée au cas du site de Sleipner, dans la mer du nord. Après une présentation de ce site, je m'interesserai à l'inuence de la géométrie de la répartition du gaz et de sa concentration. Je regarderai aussi les variations des vitesses et amplitudes des ondes

sismiques lorsque le CO2 dissout la matrice solide ou fait précipiter des carbonates.