Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Réservoirs carbonatés – Propriétés électriques“

Dans un contexte de changements globaux et de transitions écologiques et énergétiques, le changement climatique induit une sècheresse récurrente et de crise de la ressource en eau dans plusieurs régions et continents. Il est donc crucial d'étudier les aquifères d'eaux douces afin d'accompagner ces transitions et assurer une gestion et une utilisation durable et raisonnée de cette ressource vitale. En l'occurrence, la zone vadose qui joue un rôle important dans la recharge de ces aquifères et le transfert d'éventuels polluants et d'intrants. La plupart du temps, cette zone non saturée en eau, se caractérise par la présence d'hétérogénéités (structure de pores, fractures, variation minéralogique) multi-échelles notamment lorsqu'il s'agit d'un milieu calcaire. Ces hétérogénéités sont complexifiées par les processus diagenétiques liés principalement à l'altération physico-chimique et minéralogique. La surimposition de ces phénomènes primaires et secondaires rend difficile l'estimation des propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité, saturation en eau) à partir des méthodes géophysiques. Parmi ces méthodes couramment utilisées, les méthodes acoustique et électrique sont bien adaptées car il existe, à priori, un lien étroit entre les hétérogénéités et les propriétés mesurées.Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse s'appuient ainsi sur une approche multi-géophysique permettant de mieux caractériser un réservoir carbonaté complexe en se basant notamment sur une analyse pétrophysique combinée à une description microstructurale fine.Dans ce travail, nous avons démontré l'influence de la microstructure sur la prédiction et la modélisation des propriétés pétroacoustiques ce qui conduit à une bonne discrimination de certains faciès, utile pour améliorer les modèles de simulation d'écoulements. De plus, ce travail a aussi permis de montrer la pertinence de la conductivité complexe dans la caractérisation des calcaires et la prédiction de leur perméabilité. Cependant, des développements supplémentaires sont nécessaires concernant la problématique du changement d'échelles des réservoirs complexes et hétérogènes
In a context of global changes and ecological and energy transitions, climate change induces recurrent drought and water resource crisis in several regions and continents. It is crucial to study groundwaters in order to support these transitions and ensure effective management and use of this vital resource. In particular, the vadose zone which plays an important role in the recharge of these groundwaters and the transfer of possible pollutants and inputs. Most of the time this unsaturated zone is characterized by multi-scale heterogeneities (e.g., pore structure, fractures, mineralogical variation) particularly in a limestone environment. These heterogeneities are complexified by diagenetic processes linked mainly to physicochemical and mineralogical alteration which leads to uncertainty in reservoir property (e.g., porosity, permeability, water saturation) estimation from geophysical methods. Among these methods, acoustic and electrical methods are well suited because of the strong relation between heterogeneities and the measured properties.This thesis relies on a multi-geophysical approach in order to better characterize a complex carbonate reservoir using petrophysical measurements combined with microstructural descriptions. Based on this approach, we demonstrated the influence of rock structure on the prediction and modeling of petroacoustic properties. This work leads to a good discrimination of some facies, which can be used to improve simulation and flow models. In addition, we demonstrate the relevance of complex conductivity measurements in limestone characterization and permeability prediction. However, additional developments are needed to understand the upscaling problematic for heterogeneous and complex reservoirs

Depuis une dizaine d'années, une volonté internationale de réduction des émissions de gaz à effet de serre s'est développée, afin de limiter leur concentration dans l'atmosphère. Ainsi, il est envisagé de récupérer le CO₂ issu d'activités humaines fortement émettrices afin de le réinjecter dans le sous-sol à l'état supercritique. Hors du panache de CO₂ supercritique, ce gaz se dissout dans la saumure et l'acidifie. Deux phénomènes ont alors lieu. Ils constituent la base des études menées au cours de cette thèse : (i) le devenir des espèces chimiques mobilisées par la dissolution des minéraux, et (ii) les variations des propriétés d'écoulements induites par la réactivité de la roche encaissante. Pour étudier ces phénomènes, des expériences ont été menées sur les carbonates de Lavoux et de St-Emilion. Ces deux échantillons naturels ont été sélectionnés pour leur composition minérale modèle qui assure une forte réactivité dans le contexte de l'étude, et l'absence d'argile et de matière organique qui limite la complexité du système géochimique. Les expériences menées sont de deux types. En autoclave, la compétition entre dissolution et sorption des éléments traces est mise en avant et permet d'investiguer des conditions variant de celles de la surface (20°C – 1 atm) à celles d'un site de stockage (40°C – 90 bar de CO₂) en passant par des intermédiaires de pression (30 et 60 bar). Les effets de la salinité de la saumure, de la concentration initiale en cations divalents ainsi que de l'état de l'échantillon solide (poudre, plug) sont étudiés. D'autre part, un dispositif expérimental a été développé au cours de cette thèse. Il permet d'étudier les propriétés de diffusion d'éléments traces à travers une carotte dans des conditions représentatives de celles d'un réservoir de stockage de CO₂. Les résultats expérimentaux obtenus mettent en évidence à la fois l'impact de la dissolution sur la mobilisation des espèces chimiques, la compétition entre différents cations pour la sorption et les conséquences de cette sélectivité sur le transport et la disponibilité des espèces chimiques. L'étude pétrophysique des échantillons réagis met en évidence une augmentation de la porosité, et une tendance à l'uniformisation du réseau de pore. Les données obtenues dans les expériences en batch permettent d'obtenir par simulation les paramètres de sorption du système pour les différents éléments traces, en fonction des conditions de pression. Grâce à ces différents résultats, la surveillance de sites de stockage géologique de CO₂ est possible dans différentes formations, et permet un suivi à la fois des flux des espèces chimiques et des propriétés d'écoulement
Over the last decade, an international will to reduce the emissions of greenhouse gases in the atmosphere developed, in order to limit their atmospheric concentration. Thus, to deal with the large amounts of CO₂ produced by human activities, this gas is to be injected under supercritical state in the underground. Outside the CO₂ plume, this gas dissolves within brine and acidifies it. Two phenomena occurs then. They are the main subject of this work: (i) the fate of chemical species mobilized by mineral dissolution, and (ii) the evolution of flooding properties induced by mineral reactivity. To study those phenomena, experiments were carried out on the Lavoux and the Saint-Emilion carbonates. Those two natural samples were selected because their mineralogical composition ensures a high reactivity and limits the complexity of the geochemical system, as they contain neither clays nor organic matter. Two types of experiments were carried out. Competition between dissolution and sorption was studied in batch reactors, from conditions similar to those of the surface (20°C – 1 atm) to those of a storage site (40°C – 90 bar of CO₂), passing by intermediate pressures (30 and 60 bar). The parameters investigated are salinity, initial concentration of divalent cations, and the state of solid samples (powder, core). On the other hand, an experimental setting was developed during the thesis project. It allows the study of trace elements diffusion through a core in CO₂ geological storage conditions. The experimental results evidence the impact of dissolution on chemical species mobilization, competition between those species regarding sorption and consequences of this selectivity on transport and availability of those chemical species. The petrophysical study of reacted samples evidence a porosity increase and the homogenization of the porous network. The data resulting from the batch experiments are used as input data for simulations, in order to estimate sorption parameters of trace elements in the systems investigated. Thanks to those results, the monitoring of CO₂ geological storage sites is possible within several different geological formations, and allows to track both flux of chemical species and flooding properties evolution

Les réservoirs carbonatés sont exploités pour leur réserve d’eau potable, de ressource géothermique ou le stockage géologique du dioxyde de carbone. Ces réservoirs sont difficiles à caractériser à cause d’une histoire diagénétique souvent complexe. Cette thèse offre de nouvelles perspectives sur la caractérisation des propriétés pétrophysiques et élastiques des calcaires urgoniens de Provence. Une approche intégrée et multi-échelle est proposée pour caractériser les propriétés pétrophysiques et élastiques des carbonates. Cette étude est basée sur des mesures de vitesse d’ondes P (Vp) et S (Vs) à l’échelle du laboratoire (centimètre–décimètre) et du terrain (mètre–décamètre). En laboratoire, les Vp et Vs ainsi que l’anisotropie sont mesurées sur des plugs et sur des carottes, en utilisant différentes fréquences centrales ultrasonores. Sur le terrain, l’approche consiste à mesurer les Vp et Vs entre deux puits distant de 2 m sur une profondeur de 14 m. Les mesures sont ensuite interprétées en fonction de la géologie observée aux échelles macro- et microscopiques. Les principaux résultats montrent que les Vp et Vs moyennes sont indépendantes de l’échelle de mesure, car elles sont dictées par la porosité. L’anisotropie causée par les fractures (15%) et les hétérogénéités (5%) se manifestent par une variabilité autour des vitesses moyennes. L’approche adoptée ici a permis de définir les interactions entre les propriétés de la matrice, les hétérogénéités, les fractures et les propriétés élastiques des roches carbonatées. Elle a montré que les propriétés élastiques tout comme les structures géologiques varient en fonction de l’échelle
Carbonate reservoirs are also exploited for water production, geothermal energy, and carbon geological storage. Their Geophysical characterization remains challenging because of complex diagenetic history. This work offers new insights into the characterization of petrophysical, and elastic properties of the Urgonian limestones in the Provence region. An integrated multi-scale approach is proposed to characterize carbonate rocks petrophysical and elastic properties. This study relies on P- and S-wave velocity (Vp and Vs) measurements carried out at laboratory (centimeter–decimeter) and field (meter–decameter) scales. Laboratory scale Vp, Vs, and anisotropy are measured on plugs and cores, while on the field they are measured between two boreholes (crosshole) over a distance of 2 m and 14 m depth. The measurements are then compared to the geology from the macro- to the microscopic scale. The main results show that the average Vp and Vs are porosity related, and are independent from scale. Anisotropy caused by fractures (15%) and heterogeneities (5%) is responsible for variations around the mean velocities. The approach adopted during this work has enabled to scope out the interplay between matrix properties, heterogeneity, fracturing, and elastic properties in carbonate rocks. It has shown that the elastic properties evolve with scale as well as the geological structures

Prédire la distribution des propriétés pétrophysiques au sein des plates-formes carbonatées est un enjeu majeur de l'industrie pétrolière car celles-ci représentent plus de la moitié des réserves en hydrocarbures. Pour résoudre ce problème, des modélisations basées processus à grande échelle permettant de déterminer l'architecture sédimentaire des platesformes sont de plus en plus utilisées. Ces modèles prennent en compte de nombreux paramètres (tectonique, eustatisme, hydrodynamisme, sédimentation) mais la diagenèse précoce n'y est généralement que peu ou pas intégrée. Les processus diagénétiques précoces sont pourtant un facteur de contrôle critique des propriétés pétrophysiques dans les platesformes carbonatées. Afin de mieux déterminer l'influence de la diagenèse précoce et de la dynamique sédimentaire sur la distribution des propriétés pétrophysiques dans les systèmes carbonatés, une étude pluridisciplinaire (sédimentologie, diagenèse et pétrophysique) a été menée dans cette thèse sur une série de plate-forme mixte carbonatée-silicoclastique relativement récente, et qui a été très peu enfouie : la série oligo-aquitanienne de Carry-le-Rouet (nord-ouest de la ville de Marseille, France). Cette étude a permis de montrer que cette série a subi de très importantes modifications diagénétiques précoces. Les transformations minéralogiques observées se sont toutes déroulées au cours des phases d'émersion de la plate-forme, qui ont engendrées la circulation de fluides météoriques à travers les sédiments. Les zones météoriques vadoses mises en place au cours de ces périodes d'émersion ont pu être subdivisées en une sous-zone "sommitale", qui présente un néomorphisme très important des éléments de minéralogies instables et/ou une microsparitisation des matrices, et en une sous-zone "non sommitale", qui présente un gradient de néomorphisme et de cimentation des porosités en fonction de la distance à la surface d'émersion. Les zones météoriques phréatiques présentent quant à elles une dissolution très importante de l'ensemble des minéralogies carbonatées instables. L'étude de la série oligo-aquitanienne de Carry-le-Rouet a permis d'aboutir à une relation entre l'évolution des propriétés pétrophysiques des sédiments (porosité, perméabilité), la dynamique sédimentaire et les processus diagénétiques précoces. Un modèle conceptuel d'évolution des propriétés pétrophysiques pour des sédiments boueux soumis à des conditions climatiques humides en contexte de mer aragonitique a pu être proposé à l'issu de cette thèse. Au premier ordre, ce modèle montre que les propriétés pétrophysiques des sédiments peuvent être estimées à partir de la quantité originelle en éléments de minéralogies instables, de la position au sein des différentes zones diagénétiques, et du temps de résidence dans ces zones (durée d'émersion des plates-formes).

Les calcaires sont des roches sensibles aux phénomènes physiques et chimiques qui peuvent les dissoudre, les cimenter ou les fracturer. Dans ce cas, les propriétés des calcaires vont évoluer en fonction de ces différents processus qui varient dans le temps et dans l’espace. Or les réservoirs carbonatés peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de kilomètres. Afin d’exploiter ces réservoirs géologiques (ressources en eau, gaz ou pétrole), il est donc nécessaire de caractériser en 3 dimensions leurs propriétés (porosité, perméabilité) ainsi que les hétérogénéités géologiques ou tectoniques, qui peuvent modifier la géométrie du réservoir ou ses propriétés. L’acquisition de données locales (affleurements, forages), réparties sur la totalité du réservoir, pose la question de leurs représentativités projetées sur l’ensemble du volume de roche mais aussi de leurs distributions entre les points d’acquisitions qui sont espacés de plusieurs kilomètres. Cette thèse propose d’étudier les propriétés des calcaires Urgoniens (d’âge Barrémien supérieur – Aptien inférieur) situés en Provence, analogues aux calcaires des réservoirs d’hydrocarbures présents au Moyen-Orient. Trois sites comportant différentes échelles sont étudiés afin de caractériser cette série carbonatée. L’étude propose ensuite des règles géologiques dans le but d’extrapoler les mesures réalisées sur des échantillons d’unités centimétriques à l’échelle hectométrique
Carbonates are sensitive to physical and chemical processes which can dissolve, cement or fracturing them. In this case, the carbonate properties evolve according to these different changes that vary in time and space. Carbonated reservoirs can extend for hundreds of kilometres. To prospect these geological reservoirs (water, gas or oil resources), it’s therefore necessary to characterize in 3 dimensions their properties (porosity, permeability), as well as geological and structural heterogeneities which can modify the basin geometry or the reservoir properties. The acquisition of local data (outcrops, boreholes) compared to the properties distributed at field scale ponder their representativeness at multi-kilometres scale but also their distribution between the acquisition area. This thesis proposes to study the properties of Urgonian limestones (Upper Barremian - Lower Aptian) located in Provence, analogue of Middle East hydrocarbon reservoirs. Three sites with different scales are studied to characterize this carbonate series. Additionally, this study proposes geological rules to upscale the measurements made on centimetric samples to hectometric scale

Les calcaires hémipélagiques du Sud-Est de la France sont caractérisés par de faibles valeurs de porosité et de perméabilité. Ces caractéristiques permettent de considérer ces roches comme de potentiels analogues des réservoirs pétroliers non-conventionnels ou des aquifères fissurés. Ces réservoirs sont d’une importance capitale dans le contexte économique actuel. Néanmoins, l’exploitation de ce type de réservoir représente des risques industriels et des challenges techniques qui doivent être gérés pour réduire leur empreinte sur l’environnement.Ce travail apporte une quantité significative de nouvelles données et des méthodes pour caractériser les réservoirs carbonatés non-conventionnels. Il démontre l’importance des figures de compaction (stylolites, microstylolites et faisceaux de pression-dissolution) sur la capacité de stockage des fluides dans ce type de réservoir. Il montre aussi que l’évolution diagénétique des sédiments carbonatés hémipélagiques dépend de processus précoces (cimentations précoces, compaction différentielle) et éventuellement de réactivations plus tardives (inversion de contraintes tectoniques). Le couplage des modèles 3D avec les géostatistiques apparaît comme un protocole valide et rapide pour identifier les éléments clef (faciès, fractures et stylolites) qui jouent un rôle dans la distribution des hétérogénéités pétrophysiques des réservoirs non-conventionnels. Cette méthode permet aussi de générer des modèles équiprobable de corps géologiques fracturés et perméables permettant de possible investigations sur la distribution des zones d’écoulement préférentiels
Hemipelagic limestones from the South-East of France are characterized by low values of porosity and permeability that allow considering these rocks as potential analogs to unconventional oil and gas reservoirs or fissured aquifers. These reservoirs are of primary importance in today’s economical context where the energy and the water’s demands grow with the increase in the world population. Nevertheless, the industrial exploitation of such reservoirs faces series of environmental risks and technical challenges that require to be managed in order to reduce their footprint on the environment.This work brought a significant amount of new data on unconventional carbonate reservoirs. It highlights how important compaction features (stylolites, microstylolites, solution seams) may be to fluids storage in such reservoirs. It shows that the diagenetic evolution of hemipelagic carbonate sediments depends on both early processes (sorting, early cementation, differential compaction) and eventual late reactivations (under tectonic stress inversion for example). Coupling three-dimensional modeling with geostatistics appear as an accurate and fast protocol to identify key elements (facies, fractures and stylolite) that play a role in the petrophysical heterogeneity of such unconventional reservoirs. This method also allows identifying equiprobable models of fractures geobodies and investigating the distribution of flow preferential pathways

En domaine de plate-forme carbonatée épicontinentale peu profonde, la production sédimentaire est étroitement liée aux variations eustatiques, au climat et à la position paleogéographique. Les périodes d’émersion constituent des phases de non-dépôt durant lesquelles l’arrêt de l’enregistrement sédimentaire peut être relayé par un enregistrement diagénétique. Les transformations associées aux discontinuités (réarrangement des porosités, modifications lithologiques, circulations tardives…) peuvent avoir un rôle déterminant sur les propriétés pétrophysiques des réservoirs carbonatés. La détection des surfaces d’émersion et des produits diagénétiques associés apparaît donc essentielle pour préciser la qualité des réservoirs, par (1) la compréhension des processus sédimento-diagénétiques aux limites de séquence, (2) la comparaison de données d’affleurement et de subsurface, et la caractérisation des géométries des réservoirs associés, (3) l’analyse de l’impact de la diagenèse associée à ces surfaces (amélioration ou détérioration des propriétés réservoir).La Formation Natih d’Oman (Albien sup. – Turonien inf.) se situe au sommet d’une épaisse série de plates-formes carbonatées peu profondes et de grande extension géographique (marge de la Néotéthys). La Formation Natih est subdivisée en quatre séquences majeures (3ème ordre) constituées d’unités transgressives tabulaires à faiblement inclinées (rampe à faciès boueux) et de prismes régressifs progradants plus inclinés (barrière bioclastique bien différenicée protégeant un domaine de lagon interne) (van Buchem et al. 2002). Ces séquences se terminent par une ou plusieurs surfaces d’émersion, pouvant être associées à des incisions (Grélaud et al. 2006). La présente étude porte sur l’analyse diagénétique de ces surfaces d’émersion par l’intégration de données de terrain (Foothills d’Adam, Jebel Akhdar) et de subsurface (carottes de forage et données de puits de champs pétroliers voisins).L’analyse diagénétique détaillée des affleurements et des données de subsurface repose sur l’étude de la chronologie relative et de la répartition spatiale des phases diagénétiques associées aux surfaces d’émersion. Elle démontre la mise en place d’une diagenèse précoce dans des conditions relativement arides qui se traduisent par l’absence de karstification et de phénomènes pédogénétiques bien développés sur la plate-forme émergée. Sous les surfaces, des circulations de fluides météoriques oxydants, alimentés par des recharges latérales, entrainent une dissolution précoce des minéralogies instables et la précipitation de ciments météoriques en domaine phréatique. Cette étude diagénétique est complétée par l’analyse des phases mésogétiques et télogénétiques qui permettent de contraindre la séquence diagénétique de la Formation Natih avec les grandes étapes de déformations tectoniques et d’enfouissement.A partir de ces résultats, les produits diagénétiques et leur impact sur l’évolution des réservoirs peuvent être caractérisés et interprétés pour chaque surface. Ils résultent d'interactions complexes entre des facteurs intrinsèques et extrinsèques comme la dynamique de l'aquifère météorique, le contexte paléogéographique et géodynamique au moment des émersions, la maturité du substrat... Ces paramètres sont effectifs au moment du dépôt et des émersions. Toutefois la préservation des produits éogénétiques peut-être fortement influencée par l'évolution au cours de l'enfouissement qui se caractérise par des phénomènes de compaction, cimentation ou dissolution
On epeiric carbonate platforms, sediment production and stratigraphic architecture are mainly controlled by sea-level variations, climate and palaeogeographic position. During periods of subaerial exposure, carbonate production/deposition stops and the sedimentary record can then be replaced by the diagenetic record. The diagenetic transformations associated to discontinuity surfaces (rearrangement of porosity distribution, lithological alteration, late fluid circulation …) may have a significant impact on carbonate reservoir properties. The characterization of subaerial exposure surfaces and associated diagenesis is therefore essential to understand and predict reservoir quality. It requires: (1) the study of the sedimentological and diagenetic processes at the sequence boundaries, (2) the integration and comparison of outcrop and subsurface data, including respective reservoir architecture, (3) the analysis of the diagenetic overprint related to these surfaces (enhancement or deterioration of reservoir properties).The Natih Formation (Late Albian – Early Turonian) is the last of a thick succession of Cretaceous epeiric carbonate platforms. It is subdivided into four third-order sequences. In each sequence, the transgressive phase is formed by flat to slightly sloping units (muddy ramp facies) whereas the regressive phase corresponds to a higher angle prograding carbonate ramp with a well developed bioclastic margin protecting an inner lagoon (van Buchem et al. 2002). These sequences are capped by one or several subaerial exposure surfaces, sometimes associated with incisions (Grélaud et al. 2006). The present study focuses on the diagenetic analysis of these emersion surfaces by the integration of outcrop (Adam Foothills, Jabal Akhdar) and subsurface data (neighbouring oil fields from the interior Oman).The detailed study of the lateral distribution and chronology of the diagenetic phases associated with emersion surfaces form the basis for the sedimentological and diagenetic model. The results highlight the development of a meteoric diagenetic system which was probably subject to relatively arid conditions, explaining the absence of karstification and pedogenetic features on the exposed platform. Below the emersion surfaces, the circulation of oxidizing meteoric fluids, laterally sourced, leads to the early dissolution of unstable minerals and the precipitation of meteoric cements in the phreatic domain.This diagenetic study is completed by the analysis of the mesogenetic and telogenetic phases, which allow to constrain the diagenetic sequence in relation with the main phases of deformation and burial of the Natih Formation.These results show the particularities of each subaerial exposure event in terms of diagenetic products and their impact on reservoir properties. They result from complex interrelations between external and intrinsic factors, such as the dynamics of meteoric aquifers, the geodynamic and paleogeographic context during exposure, chemical reactivity ... These are effective during deposition and subaerial exposure. However, the preservation of exposure-related diagenetic features may subsequently be influenced by burial evolution trough competition between compaction, cementation and dissolution

L'apport de contraintes chronologiques absolues sur les différents évènements et processus qui ont modelé la Terre constitue un des défis majeurs dans de nombreux domaines des sciences de la terre et de l'environnement. C'est en particulier le cas pour les bassins sédimentaires qui jouent un rôle économique majeur en étant sources d'importantes ressources naturelles, en particulier en hydrocarbures. L'objectif de cette thèse est de développer la datation absolue des minéraux secondaires carbonatés par la méthode U-Pb. Ces minéraux, quasi ubiquistes dans les réservoirs, témoignent des processus diagénétiques, tectoniques et des circulations fluides qui ont affecté ces systèmes. Au cours de cette thèse, plusieurs développements méthodologiques ont été mis en œuvre avec pour objectifs de repousser les limites de la méthode U-Pb. Des techniques d’analyses innovantes, comme le couplage ablation laser/SF-ICP-MS ou la sonde ionique, ont été testées et ont permis d’accroître de plusieurs ordres de grandeur la résolution spatiale des analyses U-Pb. Ces méthodes, couplées à la méthode plus classique de dilution isotopique ont été appliquées avec succès dans différents contextes d’exploration pétrolière permettant notamment d’apporter des contraintes temporelles sur des éléments clés du système pétrolier, comme le timing de la création/préservation du réservoir ou encore de la migration des hydrocarbures. Les différents résultats obtenus ont permis de dresser une synthèse des contextes les plus favorables à l’application de la méthode U-Pb, et de donner ainsi une vision d’ensemble du potentiel de la datation U-Pb sur carbonates secondaires appliquée aux réservoirs pétroliers
Absolute chronological constraints on the different events and processes that have shaped the Earth constitute a major challenge in numerous realms in Earth and Environmental sciences. In particular this is the case for sedimentary basins that play a major economic role as being source of important hydrocarbon resources. The objective of this thesis is to develop absolute uranium-lead dating methodology on secondary carbonate minerals. This ubiquitous mineral phase in petroleum reservoirs testifies their complex geodynamic and diagenetic histories. In this study, several developments were implemented in order to circumvent the limits of U-Pb methodology. Innovative analysis techniques such as laser ablation coupled with SF-ICP-MS or ion probe were tested to increase the spatial resolution of the U-Pb analysis by several orders of magnitude. These methodologies coupled to the more traditional isotope dilution was successfully applied in different oil exploration context allowing to bring absolute constraints on key diagenetic events such as creation/preservation of reservoir properties or hydrocarbon migration. The results obtained during this study allowed to draw a synthetic model of the most favorable contexts for U-Pb method and gives an overview of the U-Pb dating potential to secondary carbonates applied to petroleum reservoirs

La caractérisation des réservoirs dans les bassins frontières reste un défi en termes d’exploration et de production de la ressource. Le Bassin du Levant, situé dans la partie la plus orientale de la mer Méditerranée, représente un bassin frontière largement cartographié par des acquisitions sismiques mais qui manque de calibrations diagraphiques. Le manque de données entraîne des incertitudes dans l'interprétation sismique et l'évaluation des propriétés du réservoir. En l'absence de données de puits, les analogues d'affleurements apparaissent comme un outil essentiel pour la caractérisation des plates-formes carbonatées enfouies parfois sous plusieurs kilomètres de sédiments. L'objectif principal de cette thèse est d'intégrer des informations sédimentologiques avec des mesures géophysiques et pétrophysiques afin de caractériser une plate-forme carbonatée Cénomanienne-Turonienne située au nord du Liban. L'investigation de l'analogue d'affleurement permet de mieux contraindre les propriétés de la plate-forme carbonatée sur des données sismiques 2D. Cette approche d’abord été testée et appliquée aux calcaires du Bathonien moyen-supérieur de la carrière de Massangis (formation de l’Oolithe Blanche), représentant un analogue du réservoir géothermal « moyenne température » ciblé par de nombreuses communes de la région Ile-de-France. Une description sédimentologique et pétrographique est réalisée sur un affleurement de la carrière de Massangis. Un total de 1000 vitesses acoustiques sont acquises à une fréquence de 40 kHz ont servi à générer un sismogramme synthétique 2D. La caractérisation sédimentologique et acoustique de l'affleurement permet de comprendre l'influence des variations de faciès et des caractéristiques diagenétiques (firm ground, bioturbation, stylolites) sur les mesures acoustiques et la génération de réflecteurs sismiques. L'affleurement étudié à Kfarhelda au nord du Liban est une plate-forme carbonatée Cénomanienne – Turonienne déposée en environnement marin peu profond. Il représente les formations Sannine et Maameltein caractérisées par des accumulations de rudiste. Une description sédimentaire est réalisée pour la plate-forme carbonatée de 400 m d'épaisseur. La vitesse des ondes P été mesurée directement en surface des roches exposées et les propriétés pétrophysiques mesurées sur 44 échantillons représentatifs. Ces données de vitesses et de densités ont permis de générer un sismogramme synthétique 1D avec une ondelette de Ricker à 25 Hz. Les réflecteurs obtenus sont principalement : (1) des réflecteurs de forte amplitude à la limite entre deux faciès aux propriétés physiques contrastées renforcées par la diagenèse, (2) des réflecteurs d'amplitude modérée correspondant aux limites stratigraphiques à la transition entre faciès, et (3) des réflecteurs de très faible amplitude dans les unités karstifiées. L'intégration des données d'affleurement et des données sismiques se fait au travers du sismogramme synthétique. L'interprétation et l'analyse des faciès sismiques sont réalisées à partir du profil sismique terrestre 2D acquis en 2013. Une étape de calibration entre la sismique terrestre 2D et la sismique synthétique acquise sur affleurement est nécessaire. De cette calibration, deux réflecteurs se distinguent : le premier représente la "Marly Limestone Zone" associée à un fort contraste d'impédance acoustique, et le second représente le contraste entre des carbonates massifs et des carbonates avec des faciès de chenaux caractérisés par une porosité plus élevée. L'approche développée dans ce travail de thèse permettent de mettre en évidence l'importance de combiner des mesures sédimentologiques et acoustiques avec une modélisation sismique synthétique, pour identifier l'origine géologique des réflecteurs sismiques et améliorer l'interprétation sismique en termes de faciès et de propriétés de réservoir
Reservoir characterization in frontier basins remains a challenge for exploration efforts. The Levant Basin, located in the easternmost part of the Mediterranean region, represents a frontier basin that is extensively mapped in terms of seismic survey but lacks well log calibration. The sparse data coverage results in substantial uncertainties in seismic interpretation and evaluation of reservoir properties. In the absence of well data, outcrop analogues can play a key role in the characterization of subsurface carbonate platforms. The main objective of this thesis is to characterize a large-scale Cenomanian – Turonian carbonate platform located northern Lebanon based on integrating sedimentological characterization with geophysical and petrophysical measurements. The investigation of the onshore analogue outcrop allows to constrain the carbonate platform’s properties on onshore seismic data. The developed approach is first applied to the Mid – Late Bathonian limestones of Massangis quarry (Oolithe Blanche formation), representing an analogue of the geothermal reservoir targeted by many municipalities in the Ile-de-France region. Sedimentologic description is completed for the studied outcrop and petrographic analysis is accomplished for representative samples. A total of 1000 acoustic velocities are acquired at 40 kHz to generate a 2D synthetic seismogram. The sedimentologic and acoustic characterization of the section allows to understand the influence of facies variation and diagenetic features (firm grounds, bioturbation, stylolites, etc) on the acoustic measurements and the generation of seismic reflectors. The studied outcrop in Kfarhelda northern Lebanon is a Cenomanian – Turonian shallow marine carbonate platform representing Sannine and Maameltain formations. The formations represent bedded limestones with important Turonian rudist-rich rudstones. A thorough sedimentary description is completed for the 400 m-thick carbonate platform. P-wave velocity is acquired directly on the outcrop, and the petrophysical properties are measured on 44 representative samples. The data are used to generate a 1D synthetic seismogram with a 25 Hz Ricker wavelet. The resulting reflectors are mainly (1) high amplitude reflectors at the limit between two facies with contrasting physical properties enhanced by diagenesis, (2) moderate amplitude reflectors corresponding to stratigraphic limits at the transition between facies, and (3) very low amplitude reflectors in karstified units. The integration of outcrop and seismic data is based on the generation of the synthetic seismogram. Interpretation and seismic facies analysis are completed for the 2D onshore seismic profile acquired in 2013. The best fit between the synthetic seismic and seismic profile resulted in the identification of two distinctive reflectors related to the Marly Limestone Zone causing sharp contrast in acoustic impedance, and the overlying channel facies characterised by higher porosity. The approach developed in this thesis work highlights the importance of combining sedimentologic and acoustic measurements together with synthetic seismic modelling to identify the geological origin of seismic reflectors and improve the seismic interpretation in terms of facies and reservoir properties

La prise de conscience de la communauté internationale et la convergence des données scientifiques autour du réchauffement climatique confirment l'urgence de déployer des technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, ces gaz peuvent s'échapper des réservoirs géologiques profonds et migrer vers les aquifères sus-jacents et la surface. Il est donc nécessaire de mettre en place des systèmes de surveillance du stockage géologique du CO2 pour détecter ces éventuelles fuites et évaluer leur importance et leur impact sur la qualité de l'eau des aquifères. En cas de fuite dans le contexte de réservoirs utilisés pour le stockage du CO2, le CH4 résiduel du réservoir de stockage sera probablement entraîné avec le CO2. Cependant, peu d’études ont abordé les implications de la présence de CH4, et aucune son potentiel en tant que gaz précurseur permettant la surveillance des fuites d’un stockage géologique. L'étude des processus physico-chimiques et des impacts des fuites de CO2 associées au CH4 en cas de fuite sur un aquifère carbonaté proche de la surface nécessite une meilleure caractérisation des processus multi-échelles tels que la dissolution à l'échelle du réseau poreux ou le transport des panaches à l'échelle macroscopique. Les méthodes expérimentales et de modélisation utilisées individuellement donnent des réponses à des questions sur des processus particuliers, mais ces méthodes ont des limites si elles sont utilisées individuellement. Par conséquent, une approche hybride et multi-échelle est nécessaire. Le site expérimental de Saint-Émilion, avec huit forages déjà en place au niveau de l'aquifère de l'Oligocène supérieur, et les expériences passées portant sur les fuites sur les aquifères, offre une excellente opportunité pour une étude multi-échelle expérimentale et de modélisation. Dans cette thèse, l'impact des fuites a été étudié à l'échelle de la carotte en laboratoire, plus spécifiquement sur la compréhension des facteurs contrôlant les processus de dissolution tels que les faciès sédimentaires carbonatés, la vitesse de la nappe, la salinité et de la concentration de CO2. À l'échelle macroscopique, une expérience d'injection d'eau riche en CO2-CH4 a été menée sur le site de Saint-Émilion pour mieux comprendre le comportement physico-chimique du CO2 et du CH4 dans l'aquifère carbonaté. Enfin, les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la simulation 3D du transport réactif lors d'un événement de fuite, avec le but de vérifier les résultats expérimentaux et d'étudier les processus de fuite à l'échelle macroscopique dans diverses conditions. Des relations ont été établies entre la cinétique de dissolution des carbonates, la concentration de CO2, le débit d'injection et la salinité. Des liens entre la cinétique de dissolution et l'évolution de la porosité, de la perméabilité, des paramètres électriques et le type de faciès sédimentaire ont été déterminés. L'expérience d'injection sur le site de Saint-Émilion a révélé que : i) certains paramètres physico-chimiques permettent de distinguer la fuite des gaz du signal physico-chimique naturel de l’aquifère ; ii) le déplacement du panache de CO2 est retardé par rapport au déplacement du panache de CH4 ; et iii) la corrélation entre la conductivité électrique et la concentration en CO2 permet de détecter et de suivre une fuite de CO2. De plus, l'approche par modélisation numérique du transport réactif nous a permis d'étudier comment les paramètres de la fuite peuvent modifier la propagation des panaches de CO2 et de CH4 en trois dimensions dans les milieux poreux. La modélisation a également permis d’établir l'influence des interactions de surface sur le transport du CO2 et du CH4. Ces résultats influent directement sur l'élaboration de stratégies efficaces de surveillance et d'atténuation des fuites de CO2 et de CH4 dans les sites de stockage géologique
The awareness of the international community and the convergence of scientific data around global warming confirm the urgency of deploying technologies to reduce greenhouse gas emissions. However, these gases can escape from deep geological storage and migrate to the overlying aquifers and the surface. It is therefore necessary to set up monitoring systems for geological CO2 storage to detect these possible leaks and assess their importance and impact on the water quality of the aquifers. In the event of a leak in the context of depleted reservoirs used for CO2 storage, the residual CH4 from the storage reservoir will likely be entrained with CO2. However, few studies have addressed the implications of the presence of CH4, and none have studied its potential as a precursor gas for monitoring leaks from geological storage. Studying the physicochemical processes and impacts of CO2 leakage associated with CH4 in the event of a leak on a near-surface carbonate aquifer requires better characterization of multi-scale processes such as dissolution at the scale of the porous network or the transport of plumes at the macroscopic scale. Experimental and modeling methods used individually give responses to questions on particular processes, but these methods have limitations if used individually. Therefore, a hybrid, multi-scale approach is necessary. The experimental site of Saint Émilion, with eight wells already in place at the level of the Upper Oligocene aquifer, and past experiments on leakage in this aquifer, provides an excellent opportunity for a comprehensive multi-scale experimental and modeling study. In this thesis, the impact of leakage was studied at the scale of the core in the laboratory, more specifically on the comprehension of factors that control the dissolution processes such as carbonate sedimentary facies, groundwater velocity, salinity, and CO2 concentration. At the macroscopic scale, a CO2-CH4-rich water injection experiment was conducted at the Saint-Émilion site to understand better the physicochemical behavior of CO2 and CH4 in the carbonate aquifer. Finally, the experimental results were used for the 3D simulation of the reactive transport during a leakage event, with the aim of verifying the experimental results and studying the leakage processes at the macroscopic scale under various conditions. Relationships between the dissolution kinetics for each CO2 concentration, injection rate, and salinity were established. Links between dissolution kinetics, evolution of porosity, permeability, electrical parameters, and the type of sedimentary facies were determined. The injection experiment at the Saint-Émilion site revealed that : (i) some physicochemical parameters are able to distinguish the gas leakage signal from the natural physicochemical signal of the aquifer; ii) CO2 plume displacement is retarded relative to the CH4 plume displacement; and iii) the correlation between electrical conductivity and CO2 concentration enables detection and track a CO2 leakage. Moreover, the reactive transport modeling approach has allowed us to study how the parameters of the leak can modify the propagation of CO2 and CH4 plumes in three dimensions in the porous media. Modeling also enabled to establish the influence of surface interactions on CO2 and CH4 transport. These findings directly affect the development of effective monitoring and mitigation strategies for CO2 and CH4 leaks in geological storage sites