Exploration des ressources géologiques et des réservoirs par prospection géophysique des propriétés des argiles – ExCiTING

Nous avons poursuivi dans ce projet 2 axes d’études : la réalisation de mesures en conditions contrôlées et des modélisations numériques à différentes échelles, depuis le nanomètre jusqu’au décamètre. Au cœur du projet, on trouve donc l’aspect multi-échelle et l’unification de descriptions préexistantes, mais validées à des échelles et des conditions particulières. Nous avons aussi travaillé sur les relations d’ « upscaling » qui permettent de passer des modèles d’échantillons en laboratoire aux modèles à l’échelle des mesures de prospection géophysique de surface.
Des mesures de polarisation provoquée spectrale (SIP en anglais) ont été réalisées en laboratoire pour valider ces relations sur des argiles pures puis sur des mélanges et enfin en incluant des hétérogénéités structurales comme des fractures.
En parallèle, nous avons fait évoluer les procédures de mesure grâce à des améliorations significatives au niveau instrumental, sur le traitement des signaux et les techniques d’imagerie. Elles ont été déployées sur plusieurs sites et jeux de données tests, dont le site expérimental hydrogéologique de Poitiers pour les tester et diffuser les résultats dans la communauté des géosciences.

Grâce aux modèles mécanistiques, une meilleure compréhension des phénomènes physico-chimiques et de leurs importances relatives dans le comportement de la résistivité complexe a été obtenue. Une meilleure utilisation des lois empiriques a été démontrée pour l’extrapolation des propriétés lors du passage à une échelle supérieure. La méthode des moments a été utilisée pour estimer la résistivité complexe en présence de fractures.
Le logiciel PolyEM3D d’imagerie 3D de la résistivité complexe à partir de données électromagnétiques est partagé avec la communauté, sur demande auprès des auteurs.
Une nouvelle génération d’instruments a été conçue, développée et testée, et préfigure la future gamme commerciale du partenaire industriel.

Le projet a contribué sur plusieurs aspects théoriques importants pour la caractérisation et l’utilisation du sous-sol, en particulier les roches argileuses (intégrité d’un cap-rock pour le stockage, exploration pour la géothermie par ex.).
Des méthodes de prospection, depuis l’appareil de mesure jusqu’au logiciel d’imagerie, ont été développées et testées à différentes échelles, depuis le décimètre jusqu’au kilomètre (pour les aquifères ou des réservoirs plus profonds). L’apport d’un paramètre supplémentaire pour décrire le sous-sol ouvre des possibilités supplémentaires pour la description et la discrimination des faciès géologiques.

Dans le cadre du projet, 15 articles scientifiques ont été publiés dans des revues internationales à comité de lecture, et 21 présentations ont été réalisées dans des conférences internationales.
Les partenaires du projet ont organisé et animé un workshop « Electrical properties of clays » dans le cadre de la conférence internationale de géosciences EAGE 2021, et participé à de nombreuses autres manifestations dans le cadre d’application de la géophysique.

Jusqu’à récemment, les ressources souterraines exploitées étaient surtout non renouvelables. Désormais, le potentiel de stockage d’énergie ou l’exploitation de l’énergie géothermique sont des enjeux majeurs de la transition énergétique. Non-seulement le sous-sol peut fournir de l’énergie, mais c’est un immense espace de stockage séquestration du CO2, mais aussi pour des vecteurs d’énergies dé-carbonées : hydrogène, air comprimé, etc…
Pour pouvoir exploiter efficacement et en toute sécurité les capacités de réservoir du sous-sol, ou ses ressources énergétiques, la présence d’une couche peu perméable (généralement argileuse) qui recouvre les réservoirs naturels est cruciale pour le stockage de chaleur, de fluide où pour isoler le réservoir des couches sus-jacentes. La caractérisation de la couverture est donc un enjeu prioritaire pour réduire les risques environnementaux ou financiers des géotechnologies. Elle se fait classiquement via des forages de reconnaissance (invasifs), des analyses et des diagraphies. Mais ces mesures très précises doivent ensuite être extrapolées à l’échelle de la zone d’étude. Ce saut d’échelle, s’il peut s’appuyer sur une mesure indirecte mais continue comme les méthodes géophysiques gagnerait en précision.
Si l’imagerie sismique offre une résolution incomparable, sa sensibilité à la présence de fluides, et surtout à la nature des argiles est très faible. Les mesures électromagnétiques (EM) depuis la surface donnent accès à la conductivité électrique : une propriété des matériaux qui y est bien plus sensible. L’interprétation des mesures EM se fait généralement via la conductivité en courant continu, et avec une résolution limitée par la physique en jeu (équation de diffusion) et le manque de paramètres. Utiliser des mesures multifréquences avec un émetteur contrôlé, et mesurer la conductivité comme un paramètre complexe (amplitude et phase) permettra d’améliorer la caractérisation des zones argileuses.
L’objectif central du projet est d’améliorer l’imagerie de la couverture des réservoirs à partir de l’imagerie par résistivité complexe qui présente une sensibilité intéressante à la minéralogie et aux argiles. Cela implique des développements assez fondamentaux pour unifier des modèles théoriques validés dans des conditions et des échelles spécifiques afin d’introduire dans les codes de modélisation EM 3D une conductivité complexe et d’établir un schéma d’inversion stable et robuste qui permette d’imager et de caractériser le type d’argile à partir de modèles validés.
Cela nécessite avant tout des données de bonne qualité et en grand nombre et nous proposons de combiner mesures, modélisations et inversion à différentes échelles, depuis le nanomètre jusqu’aux décamètres. Le cœur du projet est donc l’aspect multi-échelle, et en particulier les relations d’ « upscaling » qui permettront de passer des modèles sur échantillons aux mesures de prospection géophysique de surface. Des mesures de polarisation provoquée spectrale (SIP) seront réalisées en laboratoire pour valider ces relations sur des argiles pures puis sur des mixtures (sables-argiles) et enfin en incluant des hétérogénéités comme des fractures.
En parallèle, nous proposerons de nouvelles procédures de mesure au travers d’améliorations significatives au niveau instrumental qui permettront de coupler une imagerie très haute résolution pour la partie superficielle (jusqu’à quelques centaines de mètres) afin d’éviter les problèmes dits « de statiques » qui génèrent des artefacts en profondeur. Des techniques avancées de traitement du signal utilisant les mesures simultanées permettront d’améliorer la qualité des données. Une démonstration sur le site pilote SEH près de Poitiers permettra de démontrer la pertinence de l’approche proposée et de diffuser les résultats dans la communauté scientifique et industrielle.