La dégradation thermique des hydrocarbures dans des gisements conduit à la formation de gaz et<br />d'un résidu insoluble carboné, connu sous le nom de pyrobitume, dont la présence réduit<br />considérablement la porosité et la perméabilité des réservoirs pétroliers.<br />Cette thèse concerne l'étude géochimique et pétrographique d'une série de bitumes naturels<br />d'Angola et d'Abu Dhabi, ainsi qu'une approche expérimentale de maturation artificielle de<br />bitume solide immature et de l'huile brute par la pyrolyse au milieu fermé.<br />La formation du pyrobitume dépend fortement de la composition du précurseur d'huile. Le<br />contenu en NSO a une forte influence sur le seuil de la température de formation, et le<br />rendement de pyrobitume. Il semble y avoir au moins deux mécanismes de formation du<br />pyrobitume : les huiles « normales » subissent un craquage et une condensation, alors que celles<br />riches en NSO, plutôt une insolubilisation prématurée par polymérisation.

L'utilisation des méthodes intégrales dans le milieu pétrolier est récente et reste limitée à des problèmes 2D, le puits étant modélisé comme un terme source. Dans ce travail, nous proposons une nouvelle méthode intégrale pour évaluer la performance des puits dans un réservoir stratifié à géométrie quelconque en 3D. Ici, l'écoulement dans le puits est pris en compte par deux types de conditions aux limites, la première linéaire, la seconde non-linéaire et non-locale. Nous avons démontré que chacun des deux modèles (linéaire et non-linéaire) est bien posé. Du point de vue numérique, nous avons développé une nouvelle formulation intégrale, équivalente au modèle linéaire. Les équations intégrales ont été discrétisées par une méthode de Galerkin. D'autre part, nous avons pu tirer profit du problème d'échelle pour faire une approximation filaire du puits. Les tests numériques montrent que cette nouvelle méthode intégrale permet de calculer l'indice de productivité du puits à 1% près.

Le SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage) est un procédé de récupération des huiles lourdes qui remporte énormément de succès, en particulier pour le bitume. Le SAGD génère des interactions complexes entre la géomécanique et les écoulements polyphasiques en milieux poreux. Dans ce procédé, l'injection de vapeur modifie la pression et de la température dans le réservoir, ce qui peut augmenter ou diminuer les contraintes effectives dans le réservoir. La quantification de l'état de contrainte et déformation dans le réservoir est essentielle pour effectuer un bon pronostic de la productivité du réservoir, pour vérifier l'intégrité de la couverture et les risques de fracturation hydraulique, et également pour interpréter correctement la sismique 4D en termes d'évolution de la chambre de vapeur. Dans le procédé SAGD, les effets géomécaniques de l'injection de vapeur dans le réservoir sont liés aux écoulements de fluide.. Le couplage réservoir-géomécanique est un sujet de recherche important. Pour effectuer ce type de simulation, une solution consiste à utiliser un simulateur en éléments finis pour décrire la géomécanique et un simulateur en volumes finis pour décrire les écoulements. Dans cette thèse, une simulation couplée thermo-hydro-mécanique du SAGD a été effectuée à l'aide du simulateur de réservoir PumaFlow et du simulateur de géomécanique Abaqus. Les principaux thèmes étudiés dans cette étude ont été (1) la stratégie de couplage, (2) la géométrie du système et (3) le type de maillage utilisé. Ce travail a été effectué sur des cas synthétiques.

La nature hétérogène et parfois karstifiée des milieux carbonatés a un impact direct sur nombre de problématiques environnementales, comme celle des aquifères côtiers affectés par une intrusion d'eau salée. Au sud de l'ile de Majorque (Baléares, Espagne), la plate-forme carbonatée de Llucmajor offre un site privilégié pour l'étude de telles intrusions notamment avec le site expérimental de Campos, qui rencontre l'intrusion à faible profondeur. La caractérisation des propriétés hétérogènes du réservoir passe par une description préalable des propriétés des réservoirs carbonatés et notamment celle de la porosité. Au regard de la large gamme d'échelles d'hétérogénéités allant du micromètre à la centaine de mètre, l'utilisation de méthodes multi-échelles est nécessaire. Ce travail de thèse a porté sur la caractérisation multi-échelle de la porosité, allant de la microporosité à la porosité karstique, et l'établissement de relations entre les changements d'échelles d'observation de ces propriétés. A très petite échelle, la microtomographie haute-résolution à rayons X extrait à l'échelle du micron la microporosité et la connectivité des réseaux microporeux. A plus basse fréquence (celle du mm), la tomographie est également utilisée afin d'étudier le réseau micro- et macroporeux à l'échelle des carottes, à laquelle sont réalisées nombre d'observations et de mesures, notamment pétrophysiques. A l'échelle du puits, les images de paroi permettent d'identifier les zones de dissolution allant des macropores centimétriques aux cavités karstiques plurimétriques. A plus grande échelle, la géophysique de surface permet d'étudier l'extension latérale de ces karsts et hétérogénéités. Enfin, la structure poreuse du site étudié sur cette vaste gamme d'échelles est intégrée à la géologie régionale de la plate-forme de Llucmajor. Ainsi, l'observatoire installé sur le site pour surveiller la propagation de l'eau salée dans l'aquifère a pu être replacé dans son contexte géologique et pétrophysique, afin d'affiner l'interprétation de ses mesures de variations de salinité au cours du temps.

Le calage historique permet l'intégration de données acquises après la production dans la construction de modèles de réservoir. Le filtre de Kalman d'ensemble (EnKF) est une méthode d'assimilation (ou calage historique) séquentielle capable d'intégrer les données mesurées dès qu'ils sont obtenus. Ce travail est basé sur l'application de l' EnKF pour le calage historique et est divisé en deux sections principales. La première section traite l'application de la EnKF à plusieurs cas d'études afin de mieux comprendre les avantages et les inconvénients de la méthode. Ces cas d'étude incluent deux cas d'étude synthétiques (un simple et un plutôt complexe), un modèle de faciès et un modèle de réservoir réel. Dans la plupart des cas, la méthode a réussi à reproduire les données mesurées. Les problèmes rencontrés sont expliqués et des solutions possibles sont proposées. La seconde partie traite deux nouveaux algorithmes proposé en combinant l'EnKF avec deux méthodes de paramétrisation: méthode des points pilotes et méthode de déformation graduelle, permettant la préservation les propriétés statistiques de l'ordre de deux (moyenne et covariance). Les deux algorithmes développés sont appliqués au cas d'étude synthétique simple : la première méthode peut réussir avec un nombre suffisant et un bon positionnement des points pilotes. Pour la déformation graduelle, l'application peut réussir si l'ensemble de fond est assez grand.

Cette thèse étudie la différenciation des lithologies et fluides à partir de données sismique et de puits dans le réservoir gréseux peu consolidé à huile lourde Morichal (ceinture de l'Orénoque, Venezuela). Dans ces réservoirs, cette discrimination est complexe parce que les lithologies ont des propriétés élastiques similaires et qu'il en est de même pour les sables saturés en eau et ceux saturés en huile lourde (mêmes densités). Dans une première partie, cette problématique de discrimination est analysée au niveau des puits par la détermination d'électrofaciès puis en étudiant la relation entre propriétés pétrophysiques et élastiques. De petites variations de la taille des grains de la roche ou du pourcentage de ciment génèrent des changements de vitesses qui pourraient être utilisés pour discriminer lithologies et fluides. Afin de mieux comprendre pourquoi un premier calage puits-sismique a échoué, une deuxième partie de la thèse a été dédiée à la construction d'un modèle 3D du réservoir, habillé en faciès, propriétés pétrophysiques et élastiques. Ce modèle 3D est ensuite utilisé pour réaliser des tests de modélisations sismiques 1D et 2D, afin d'étudier les effets de l'anisotropie et de l'atténuation sur le signal sismique. En effet, l'anisotropie peut entraîner des changements de phase pour les grands angles d'incidence, et l'atténuation due à la présence d'huile lourde peut causer un retard de phase et un affaiblissement de l'amplitude. Ces deux phénomènes peuvent donc perturber le calage puits-sismique. Après analyse de ces tests, des pistes d'amélioration du calage puits-sismique dans ce contexte géologique sont proposées pour le futur.

La présence d'H2S dans un gisement est un important facteur de dévalorisation économique, c'est pourquoi connaitre sa concentration et sa distribution est capital pour optimiser toutes les étapes de l'exploration à la production d'un champ. Dans les conditions de pression et température des réservoirs, l'H2S est beaucoup plus soluble que les hydrocarbures et autres gaz. Le lessivage préférentiel de l'H2S par un aquifère actif pourrait ainsi entrainer la création d'hétérogénéités compositionnelles au cours du temps. L'objectif de la thèse est d'illustrer et quantifier ce processus à l'aide de simulations numériques réalisées avec Hytec, logiciel couplé géochimie-transport diphasique développé par MINES ParisTech. Le lessivage préférentiel de l'H2S est contrôlé par : la solubilité différentielle des gaz qui modifie les quantités relatives de chacun des gaz à proximité de l'aquifère ; le transport aqueux qui exporte les gaz dissous et améliore ainsi la dissolution des gaz sur le long terme ; le transport gazeux qui renouvelle les gaz dissous à l'interface et étend le lessivage du gaz à toute la structure ; les caractéristiques d'un réservoir (type d'aquifère, hétérogénéité des perméabilités).

La présente étude s'inscrit dans le cadre d'un projet multidisciplinaire visant à comprendre la dynamique du carbone organique et inorganique suite à la mise en eau d'un réservoir hydroélectrique. Dans un premier temps, ces travaux avaient pour objectif de décrire et de cartographier à l'échelle du 1: 50 000 les dépôts superficiels (nature, étendue, sédimentologie et stratigraphie) afin de reconstituer les principaux évènements quaternaires de la région dans le but de définir, entre-autre, le contexte de mise en place des tourbières étudiées dans le volet paléoécologique du projet. Dans un deuxième temps, ces travaux visaient à estimer la teneur en carbone inorganique (CO₃) dans les sédiments meubles, à partir de la mesure des carbonates (CaCO₃) afin d'évaluer son impact potentiel dans l'équation du bilan global du carbone du réservoir créé. Ces travaux de caractérisation des dépôts meubles ont été réalisés dans le secteur affecté par le réservoir Eastmain-I, durant les étés de 2005 et 2006. La photo-interprétation, la campagne de validation sur le terrain et la compilation cartographique ont permis d'évaluer la répartition spatiale et l'épaisseur maximale des principaux types de dépôts quaternaires dans la zone maintenant ennoyée par le réservoir: till (superficie couverte 30 %; épaisseur maximale 6 m), fluvioglaciaire de contact (< 1 %; 10 m), proglaciaire (12 %; 4 m), marin (30 %; 11 m) et organique (18 %; 5 m). Les relevés des microformes et mésoformes d'érosion glaciaire suggèrent également qu'il y a eu quatre phases d'écoulement soit de la plus ancienne à la plus récente: NNE-SSO (006°-186°) à NNO-SSE (350°-170°), NO (310°) à ONO (290°), OSO (240°; mouvement dominant responsable de l'orientation des formes fuselées) et finalement SO (220°). De plus, lors de la déglaciation, il a été établi que la Mer de Tyrrell a envahi le territoire jusqu'à une altitude d'environ 274 m (900 pi). Cette limite marine est indiquée par des deltas, des limites de délavage dans le till et quelques accumulations littorales. C'est à l'intérieur de la zone couverte initialement par la Mer de Tyrrell que les plus vastes tourbières se sont développées. Les datations au radiocarbone de la base de six de ces tourbières indiquent qu'à 6640 ± 40 ¹⁴C BP (7 510 cal BP), le niveau de la mer était situé sous l'altitude de 246 m. Enfin, les teneurs en CaCO₃ mesurées dans les sédiments superficiels sont relativement faibles, soit inférieures à 2,45 %. Ces résultats sont en accord avec la géologie du substratum rocheux, principalement formé de roches cristallines. Les valeurs moyennes les plus élevées se trouvent dans les sédiments marins (1,77 %). Les faibles valeurs en carbonates mesurées dans les tills (1,32 %) semblent démontrer que ce secteur n'a pas été affecté de façon importante par le transport glaciaire qui aurait pu provenir d'autres sources connues de roches carbonatées (régions du lac Mistassini et de la Baie James). À l'intérieur de la portion cartographiée du réservoir EM-1, la quantité approximative de moles de CaCO₃ est de 6,16 x 10¹², soit 9,25 x 10⁰⁸ tonnes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Eastmain-l, Cartographie, Paléogéographie quaternaire, Écoulements glaciaires, Mer de Tyrrell, Teneur en carbone inorganique.

Le présent projet de recherche s'intègre dans une vaste étude pluridisciplinaire visant à quantifier les émissions nettes de GES suite à la mise en eau d'un réservoir hydroélectrique situé en milieu boréal. La formation du réservoir Eastmain a impliqué l'ennoiement d'un territoire de 623 km² composé de peuplements forestiers, de lacs et de tourbières. De manière plus précise, cette étude vise d'abord à quantifier les stocks de carbone des sols des cinq principaux types de formations végétales du territoire qui ont été classifiés à partir d'images SPOT. Le deuxième objectif est de déterminer les variables écologiques qui influencent la variabilité des stocks de carbone mesurés. Des expériences d'incubation in vitro ont permis de quantifier la proportion de carbone labile dans chacun des sites ainsi que la réactivité de ces stocks face à une augmentation de la température. Les résultats des différentes analyses montrent que les stocks de carbone varient significativement dans les cinq formations végétales. Les quantités de carbone les plus élevées sont associées aux peuplements de conifère à canopée fermée (CF) (12,2 kg C mˉ²) et de feuillus (FEUIL) (13,4 kg C mˉ²). Les peuplements de feux anciens (FA), feux récents (FR) et de conifère à canopée ouverte (CO) présentent des valeurs qui ne sont pas significativement différentes (4,2 à 8,5 kg C mˉ²) malgré une productivité variable (p > 0,05). Les résultats des analyses démontrent que les facteurs qui contribuent davantage à l'accumulation de carbone dans les sols sont principalement l'épaisseur de l'humus, la position du site par rapport à la pente et le dépôt. La classe de drainage et le type de végétation ont aussi une influence sur la variabilité des stocks de carbone. Au niveau de la qualité du carbone, les résultats des incubations présentent des similitudes entre les cinq types de forêts et ce, autant dans l'humus que dans l'horizon minéral (p > 0,05). La proportion de carbone labile est plus grande dans la couche organique. La qualité du carbone est plus élevée dans les sites FEUIL et CO et elle est plus faible dans les formations CF. Le potentiel de minéralisation du carbone à un même régime de température est plus élevé dans les peuplements FEUIL et CC. Ce potentiel est principalement déterminé par les stocks de carbone et non la qualité de ce dernier. En déterminant le taux de décomposition de la matière organique à l'aide de la température journalière moyenne du sol et du Q¹⁰, il a de plus été possible d'estimer la respiration hétérotrophe des sites pour la période du 8 mai au 4 octobre 2007. Les résultats indiquent que les sites de feuillus présentent le taux de respiration le plus élevé et qu'en considérant un renouvellement quotidien des apports de matière organique au sol (i.e litière et racines), cette formation a perdu plus de 2% des stocks de carbone suivie de la formation à canopée ouverte (1,58%). Les peuplements de feuillus ont donc les stocks les plus importants de carbone et un potentiel de minéralisation supérieur aux autres formations. Dans le contexte d'une perturbation de ces écosystèmes, ils seraient donc les plus susceptibles à émettre du CO₂. Cependant, en raison de leur faible représentativité sur le territoire à l'étude (<10%), les impacts seraient minimisés dans ce contexte-ci. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Carbone organique, Sols forestiers, Forêt boréale, Séquestration.

La modélisation de la déformation, de la rupture et de la fracturation des milieux rocheux représente un enjeu majeur dans de nombreux domaines scientifiques et pratiques, notamment pour l'exploitation des réservoirs fracturés. Cependant, cette modélisation se heurte à la mauvaise connaissance des lois constitutives, ce qui rend particulièrement importantes les approches expérimentales et en particulier la modélisation physique, qui est au coeur de ce travail.<br /> Nous avons développé une technique originale d'une telle modélisation, basée sur un nouveau matériau Crack1 à l'échelle physique par rapport à une roche réservoir typique: le calcaire. Un programme étendu d'expérimentation avec les modèles de Crack1 a été réalisé avec un dispositif de chargement poly-tridimensionnel. Ce dispositif combine à la fois la simplicité et l'efficacité des solutions réalisées pour la réduction et l'élimination complète de la friction aux bords des modèles. Les résultats principaux peuvent être résumés de la façon suivante:<br />1.Des réseaux de diaclases ont été reproduits pour la première fois dans des conditions de chargement homogènes.<br />2.Les diaclases se forment, dans nos expériences, sous une compression triaxiale. Elles ne sont donc pas des fractures en Mode I. <br />3.Les figures fractographiques visibles sur les surfaces des diaclases naturelles et celles obtenues dans les modèles sont très similaires, ce qui suggère que la similarité physique est assurée pas seulement à macro-échelle, mais aussi à micro-échelle.<br />4.L'espacement S entre les diaclases ne dépend pas de l'épaisseur du modèle , contrairement au concept de « saturation » largement adopté dans la littérature et les modèles de réservoirs. Il a été démontré que S est contrôlé par l'état des contraintes imposé et la déformation accumulée du modèle.<br />5.Nous avons pu également reproduire dans des modèles les couloirs fracturés dont la formation est contrôlée par la rigidité des contacts aux limites de l'unité mécanique affectée par la fracturation.<br />6.L'augmentation de la pression moyenne appliquée au modèle résulte en un changement du style de la fracturation, qui évolue de manière continue des diaclases vers des fractures «obliques » conjuguées.<br />7.L'analyse des conditions de cette transition à partir de la théorie de la bifurcation de la déformation montre qu'elle est associée à la réduction du facteur de dilatance β de Crack1 avec l'augmentation de la pression p (ce type de dépendance β (p) est également connu pour les roches réelles).<br />Les résultats obtenus confirment donc que les lois constitutives contrôlent directement la fracturation. Des études expérimentales plus larges doivent désormais être menées pour contraindre ces lois dans toute leur complexité et avec une précision nécessaire.