1.2 Effets de l’injection de CO 2 sur les roches r´eservoir
1.2.2 Evolution des propri´et´es p´etrophysiques ´
L’´etude de l’influence de l’injection de CO2 sur les propri´et´es p´etrophysiques de la roche r´eservoir est une ´etape essentielle vers la maˆıtrise de l’injectivit´e du CO2 dans le cadre du stockage g´eologique. La plupart des travaux s’appuie sur des exp´erimentations interpr´et´ees num´eriquement `a l’´echelle de la carotte afin de comprendre les diff´erents m´ecanismes mis en jeu. L’´etude num´erique `a l’´echelle du r´eservoir de l’´evolution des propri´et´es p´etrophysiques sous l’effet de l’injection de CO2 est encore limit´ee du fait de la difficult´e de prise en compte de tous les ph´enom`enes intervenant in situ.
1.2.2.1 Modification de la porosit´e
Dans le contexte du stockage du CO2, la porosit´e est un facteur cl´e caract´erisant le potentiel du site en mati`ere de capacit´e du stockage. L’´etude de la variation de la porosit´e sous l’effet de l’injection de CO2 a pour objectif de pr´evoir le comportement du r´eservoir `a long terme.
Apr`es une p´eriode d’injection de CO2 supercritique, des simulations num´eriques d’´ecoulement r´eactif `a l’´echelle du r´eservoir montrent une zone ass´ech´ee proche du puits d’injec-tion o`u se trouve uniquement du CO2 supercritique (Andre et al., 2007). L’´evaporation de l’eau dans cette zone conduit `a une pr´ecipitation de min´eraux susceptible de diminuer la porosit´e. Les interactions roche-fluides se produisent essentiellement dans les zones plus ´eloign´ees satur´ees d’abord par un m´elange de CO2 gazeux et de saumure, puis par une saumure charg´ee en CO2. Dans ces deux derni`eres zones, la porosit´e varie en fonction des ph´enom`enes de dissolution ou de pr´ecipitation des min´eraux. Il n’y a pas de variation de porosit´e dans la zone intacte o`u l’on rencontre uniquement la saumure d’origine. Les r´esultats de ces simulations doivent ˆetre consid´er´es uniquement d’un point de vue qualitatif, les mod`eles d’´ecoulement r´eactif `a l’´echelle du site n’´etant pas `a ce jour totalement valid´es.
A l’´echelle du laboratoire, la porosit´e varie en fonction du profil de dissolution qui d´epend des conditions hydrodynamiques, de la composition des fluides acides, ainsi que de la nature de roche.
Dans le cadre du projet ANR G´eoCarbone-INJECTIVITE (Lombard et al., 2007), un m´elange de CO2 et de saumure ´equivalente `a celle du Dogger a ´et´e inject´e dans deux roches carbonat´ees : le calcaire de Lavoux Jaune et le calcaire du Comblanchien. Le calcaire de Lavoux Jaune est un calcaire quasiment pur, provenant d’un affleurement du Dogger. Il poss`ede une porosit´e moyenne de l’ordre de 20% et une perm´eabilit´e moyenne de l’ordre de 200 mD. Le calcaire du Comblanchien provient du site de Charmottes dans le Bassin de Paris. Sa
compo-sition min´eralogique est d’environ 85% de calcite, 5% de dolomite ferrif`ere et 10% de quartz.
Il poss`ede une porosit´e moyenne de l’ordre de 15% et une perm´eabilit´e moyenne de l’ordre de 10 mD (Bemer et Lombard, 2009). Diff´erents d´ebits d’injection ont ´et´e choisis dans le but de mod´eliser le comportement du r´eservoir dans diff´erentes zones (un fort d´ebit correspondant `a une zone proche du puits et un faible d´ebit `a une zone plus loin du puits). L’observation du profil de porosit´e scanner avant et apr`es traitement acide des ´echantillons montre plusieurs tendances qui d´ependent du d´ebit d’injection et de la nature de roche.
Figure 1.6 – Profil de porosit´e du calcaire du Comblanchien observ´e sous scanner avant et apr`es injection de CO2 (Lombard et al., 2007)
La figure 1.6 pr´esente les profils de porosit´e du calcaire du Comblanchien avant et apr`es traitement acide pour deux niveaux de d´ebit d’injection : 2 cm3/h et 70 cm3/h.
Le profil de porosit´e de l’exp´erience conduite `a faible d´ebit (Qw = QCO2 = 2 cm3/h) est singulier. Les images scanner montrent deux sch´emas de dissolution diff´erents. On observe en entr´ee de percolation (amont) un sch´ema de type compact sur les 6 ou 7 premiers millim`etres de l’´echantillon. En aval de cette zone, le sch´ema de dissolution est plutˆot de type uniforme et se traduit par une variation de porosit´e d’environ 0,7% sur l’ensemble de l’´echantillon.
L’observation scanner apr`es l’exp´erience conduite `a un d´ebit de percolation plus ´elev´e (Qw
= QCO2 = 70 cm3/h) montre un sch´ema de dissolution avec formation de wormholes. Les wormholes sont transport´es sur environ 50 millim`etres et semblent ˆetre att´enu´es en sortie de carotte.
Dans le cas du calcaire de Lavoux Jaune, le profil de porosit´e scanner avant et apr`es alt´eration sur l’exp´erience conduite `a forte d´ebit (Qw = QCO2 = 100 cm3/h) montre que l’alt´eration est localis´ee en amont de l’´echantillon (cf. Figure 1.7b). Une observation des images scanner montre la formation de wormholes suivant les lignes de courant principales de l’´ecoulement. Dans le cas de l’exp´erience conduite `a faible d´ebit (Qw = QCO2 = 5 cm3/h), les images scanner montrent ´egalement une dissolution de type compacte localis´ee sur la face amont de l’´echantillon.
Figure 1.7 – Profil de porosit´e du calcaire de Lavoux observ´e sous scanner avant et apr`es injection de CO2 (Lombard et al., 2007)
L’influence de la nature de la roche apparaˆıt nettement lorsque l’on compare l’alt´eration des deux types de calcaire ´etudi´es. L’attaque acide est rest´ee principalement localis´ee `a proximit´e de la surface d’injection pour le calcaire de Lavoux Jaune compos´e quasiment uniquement de calcite (cf. Figure 1.7). Elle a au contraire agi quasiment sur toute la longueur de l’´echantillon pour le calcaire du Comblanchien dont la composition min´eralogique est plus vari´ee (cf. Figure 1.6).
L’´evolution de la porosit´e d’une roche sous l’effet de processus de dissolution de min´eraux a ´et´e ´etudi´ee par diff´erents auteurs (Brosse et al., 2005; Izgec et al., 2008; Luquot et Gouze, 2009; Noiriel et al., 2009). La dissolution de la calcite est contrˆol´ee par la surface r´eactive de la roche qui d´epend de la surface sp´ecifique des min´eraux (Brosse et al., 2005), de la vitesse de la r´eaction (Kieffer et al., 1999), des conditions thermodynamiques et de la porosit´e (Luquot et Gouze, 2009). Brosse et al. (2005) ont propos´e un mod`ele dans lequel la surface r´eactive est exprim´ee par le produit de la surface sp´ecifique et d’un coefficient d’accessibilit´e aux sites r´eactifs.
1.2.2.2 Modification de la perm´eabilit´e
La perm´eabilit´e est une propri´et´e intrins`eque de la roche qui d´epend principalement de sa microstructure : la taille des pores, la distribution de la taille des pores et la connectivit´e des vides (Mavko et Nur, 1997). Elle est souvent ´evalu´ee `a partir de la porosit´e en utilisant des lois puissance (Pape et al., 1999). Dans le contexte du stockage g´eologique du CO2, la perm´eabilit´e est un facteur cl´e qui contrˆole le niveau d’injectivit´e et joue donc un rˆole important sur l’efficacit´e du stockage.
La plupart des ´etudes portant sur la variation de la perm´eabilit´e sous l’effet de l’injection de CO2 conduites `a l’´echelle du laboratoire montre que l’augmentation de la porosit´e n’entraˆıne pas syst´ematiquement une augmentation de la perm´eabilit´e (Egermann et al., 2005; Izgec et al.,
2008; Luquot et Gouze, 2009).
Egermann et al. (2005) ont co-inject´e de la saumure et du CO2 dans des ´echantillons de calcaire de Lavoux qui poss`edent une porosit´e moyenne de 25% et une perm´eabilit´e moyenne de 5 mD. Les exp´eriences ont ´et´e r´ealis´ees sous des conditions repr´esentatives de celles du r´eservoir (pression de 300 bar et temp´erature de 120˚C). Deux saumures diff´erentes ont ´et´e utilis´ees : la premi`ere a une composition assimilable `a celle de l’eau de mer ; la deuxi`eme a ´et´e pr´epar´ee de la mˆeme fa¸con que la premi`ere, mais sans ions SO2−4 . Egermann et al. (2005) ont montr´e que la variation de la perm´eabilit´e d´epend fortement des ph´enom`enes de dissolution et de pr´ecipitation. Ils ont observ´e une augmentation de 20% de la perm´eabilit´e quand la saumure sans ions SO2−4 est inject´ee dans l’´echantillon. Par contre une diminution de 15% de la perm´eabilit´e a ´et´e observ´ee quand les ions SO42− sont pr´esents dans la saumure inject´ee.
Les deux essais ont ´et´e r´ealis´es dans des conditions identiques avec un d´ebit d’injection de 500 cm3/h. La pr´esence d’ions SO42− dans la saumure inject´ee entraˆıne la re-pr´ecipitation des insolubles et conduit `a une diminution de la perm´eabilit´e.
Luquot et Gouze (2009) ont propos´e un mod`ele reliant la perm´eabilit´e `a la porosit´e par une loi puissance en introduisant un param`etre de surface r´eactive int´egrant les complexit´es de la microstructure ainsi que le r´egime de la r´eaction chimique. La diminution de la perm´eabilit´e est observ´ee pour un r´egime limit´e par la r´eaction pour lequel des ph´enom`enes de pr´ecipitation entrent probablement en jeu.
L’influence du d´eplacement des particules fines sur la perm´eabilit´e a ´et´e soulign´ee dans les travaux de Noiriel et al. (2005). Ils ont inject´e de la saumure satur´ee en CO2 dans des ´echantillons de calcaire de L´erouville, qui poss`ede une porosit´e moyenne de 27% et une perm´eabilit´e de 40 mD. Noiriel et al. (2005) montrent que, sur un ´echantillon court d’envi-ron 2 cm, les grains fins entraˆın´es et d´epos´es par l’´ecoulement peuvent ˆetre ´evacu´es et sortis de l’´echantillon lorsque l’on continue `a injecter le fluide, ce qui induit une augmentation de la perm´eabilit´e. Par contre, sur un ´echantillon relativement long, `a l’int´erieur duquel les grains fins restent bloqu´es, le d´eplacement des fines peut induire une chute de la perm´eabilit´e. La question demeurant ouverte est de savoir si ce ph´enom`ene de d´eplacement de fines affecte l’´evolution de la perm´eabilit´e `a l’´echelle du site.