Réservoirs chenalisés fluviatiles et turbiditiques : architecture et modélisation

Les réservoirs issus de systèmes chenalisés fluviatiles ou turbiditiques présentent des géométries et architectures internes très complexes en raison de l’agencement des différents corps sédimentaires les uns par rapport aux autres, et aux variations d’écoulement contrôlant la granularité des dépôts (Shepherd, 2009). Ainsi, bien que les corps sableux formant l’essentiel du volume réservoir soient de taille importante, l’intercalation de corps argileux imperméables est responsable de fortes hétérogénéités voire de la compartimentation des réservoirs, complexifiant par conséquent la connectivité entre les corps sableux et donc les chemins d’écoulement des fluides qui s’y sont accumulés (e.g. Mayall et al., 2006 ; Gainsiki et al., 2013 ; Issautier et al., 2016 ; Willems et al., 2017). La première partie de ce chapitre présente une comparaison de l’architecture des réservoirs fluviatiles méandriformes et turbiditiques chenalisés. En effet, en dépit de la forte analogie de morphologie entre les systèmes chenalisés fluviatiles et sous-marins (Menard, 1955; Shepard, 1965 ; Lonsdale et Hollister, 1979; Flood et Damuth, 1987; Miall, 1989; Clark et Pickering, 1996 ; Leeder, 1999; Wynn et al 2007 ; Konsoer et al., 2013), le type, la géométrie et l’architecture des réservoirs associés à chacun de ces systèmes sédimentaires diffèrent fortement (Shepherd, 2009).

Afin de prendre en compte la complexité des réservoirs, l’industrie s’appuie sur des modèles numériques permettant d’estimer les volumes de fluides (eau, hydrocarbures) en place, proposer des plans de développement des champs, prévoir la production, et évaluer les risques techniques et financiers des projets (Mayall et al., 2006 ; Baddeley, 2018). Outre les approches de modélisation pixel-based (Matheron, 1963; Strebelle et al., 2002 ; Caers, 2005 ; Mariethoz et Caers., 2014 ; Tahmasebi, 2018) et object-based (Deutch et Tran, 2002) classiquement utilisés par l’industrie, de nombreuses approches rule ou process-based (Pyrcz et al., 2015) dédiées aux réservoirs fluviatiles méandriformes voient le jour depuis plusieurs années (Lopez et al., 2008 ; Pyrcz et al., 2009 ; Parquer et al., 2017 ; Rongier et al., 2017 ; Yan et al., 2017). La deuxième partie de ce chapitre présente Flumy au début de cette étude, le modèle process-based développé par MINES ParisTech pour la simulation des réservoirs chenalisés méandriformes fluviatiles.

Architecture des réservoirs fluviatiles méandriformes et turbiditiques chenalisés

Les réservoirs fluviatiles méandriformes sont essentiellement formés par l’amalgamation horizontale et/ou verticale des barres de méandre (Figure 1.1a – Shepherd, 2009 ; Miall, 2014). Ces réservoirs se situent donc dans des grès grossiers à moyens, de forte porosité et perméabilité. La complexité de ces réservoirs réside principalement dans la géométrie les barres d’accrétion latérale et leur connectivité latérale et verticale qui dépendent des paramètres cinématiques des chenaux (i.e. taux de migration, d’aggradation, et d’avulsion – Koneshloo et al., 2017). Par exemple, une fréquence d’avulsion élevée favorise la formation de corps sableux isolés dans les faciès fins de plaine d’inondation (i.e. réservoir de type ribbon), tandis qu’un fort taux de migration permet le développement de larges barres de méandre (i.e. réservoir de type sheet). De plus, des barrières créées par les chenaux abandonnés ou la présence de fines couches argileuses au sein des barres de méandre peuvent compartimenter le réservoir . Enfin, les lobes de crevasse et les levées peuvent également contribuer au volume poreux du réservoir mais ne suffisent pas à créer de réservoirs à part entière.

Les réservoirs dans les systèmes turbiditiques  sont constitués par les corps chenalisés, les levées et les lobes de crevasse, ou encore les lobes frontaux (Shepherd, 2009). Ceux situés dans des corps chenalisés sont créés lors du remplissage d’une vallée incisée par l’amalgamation de remplissages de chenaux et de LADs (Lateral Accretion Deposits) (Figure 1.1b – Mayall et al., 2006 ; Arnott, 2007). Leur architecture peut être très complexe en fonction des composantes respectives de la mobilité latérale et verticale des chenaux, qui génèrent des proportions de corps sableux très variables et des connectivités plus ou moins développées (Clark et Pickering, 1996). Les réservoirs situés au sein des levées et des lobes de crevasse sont formés par l’empilement de fins bancs silto-sableux de très grande extension latérale en alternance avec des argiles (Figure 1.1c – Clemenceau et al., 2000 ; Shepherd, 2009). Les corps chenalisés sableux peuvent également contribuer au réservoir si des connexions avec les dépôts grossiers des levées existent. Ces réservoirs sont principalement exploités pour du gaz en raison de leur faible perméabilité. Enfin, le dernier type de réservoir turbiditique correspond aux lobes frontaux (Shepherd, 2009) dont la géométrie et la présence de niveaux argileux constituent des défis pour leur exploitation.

Modélisation des réservoirs fluviatiles méandriformes avec Flumy

Flumy simule les principaux processus en jeu dans les systèmes fluviatiles méandriformes (migration, aggradation et avulsions) ainsi que les corps sédimentaires qui en résultent (Lopez, 2003 ; Lopez et al., 2008 ; Grappe, 2014). La migration de la ligne centrale du chenal conduit à la formation de méandres et le dépôt de barres d’accrétion latérale (point bars), pouvant évoluer jusqu’à leur recoupement donnant ainsi naissance à des bras morts comblés par des bouchons sableux et argileux. L’aggradation du chenal au cours des crues de débordement contribue à la construction de la plaine d’inondation associée au chenal. Le phénomène d’avulsion conduit dans un premier temps à la formation de lobes de crevasse, puis en cas d’avulsion réussie à l’abandon par remplissage progressif de la portion du chenal située à l’aval du nœud d’avulsion, et à la construction de nouveaux tracés assurant ainsi le balayage du domaine simulé . Flumy est donc un modèle hybride, comprenant trois modules dédiés à chacun des trois processus simulés :
◆ Module de migration latérale du chenal
◆ Module d’incision et d’aggradation du chenal associé à l’érosion ou la construction de la plaine d’inondation
◆ Module de gestion des avulsions .

En complément, deux autres modules permettent d’une part de gérer les dépôts associés aux différents processus , et d’autre part de conditionner les simulations aux données . Cette construction modulaire de Flumy lui apporte une grande souplesse puisque chaque processus est géré localement dans l’algorithme et de nouveaux processus peuvent être ajoutés relativement facilement. Néanmoins, la difficulté liée à cette organisation est de faire interagir ces différents modules. Ainsi, dans le modèle initial l’essentiel des interactions entre les processus se font via la modification de la morphologie du chenal et de la topographie issue du bloc 3D de dépôts .

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Table des matières

Sommaire
Remerciements
Résumé
Abstract
Sommaire
Table des figures
Liste des tableaux
Nomenclature
Introduction
1. Problématique
2. Approche
Chapitre 1 Réservoirs chenalisés fluviatiles et turbiditiques : architecture et modélisation
1.1. Introduction
1.2. Architecture des réservoirs fluviatiles méandriformes et turbiditiques chenalisés
1.3. Modélisation des réservoirs fluviatiles méandriformes avec Flumy
1.3.1. Module de migration latérale du chenal
1.3.2. Module d’incision et d’aggradation du chenal et de construction de la plaine d’inondation
1.3.3. Module de gestion des avulsions
1.3.4. Module de gestion des dépôts
1.3.5. Module de conditionnement
1.3.6. Conclusions
1.4. Modèles de systèmes turbiditiques et application à la simulation de réservoirs
1.5. Conclusions
Chapitre 2 Geomorphic variability of submarine flow pathways along continental margins: comparison with fluvial meandering channels
Abstract
2.1. Introduction
2.2. Quantitative parameters for alluvial meandering systems
2.3. Material and methods
2.3.1. A worldwide dataset of modern and fossil submarine systems
2.3.2. Submarine flow pathway geomorphic classification
2.3.3. Measurement of hydraulic parameters of submarine flow pathways
2.3.4. Comparison with a fluvial dataset
2.4. Results
2.4.1. Geomorphic control on the distribution of flow pathway data
2.4.2. Dimensions of submarine flow pathways
2.4.3. Flow pathway geomorphic relationships
2.4.4. Comparison between submarine flow pathways and alluvial meandering rivers
2.5. Discussion
2.5.1. Submarine flow pathways classification
2.5.2. Distribution of submarine flow pathways and analogies with fluvial channels
2.5.3. Submarine leveed channel flow processes in the light of fluvial meandering ones
2.6. Conclusion
Chapitre 3 Subaerial- versus subaqueous density-flow dynamics using a same sinuous path: insights on channel migration theories
Abstract
3.1. Introduction
3.2. Methodology
3.2.1. Experimental setup
3.2.2. Data acquisition
3.2.3. Flow modeling
3.3. Results
3.3.1. Flow velocity vertical profile along the straight channel
3.3.2. Velocity field along the sinuous channel
3.4. Discussion
3.4.1. Comparison of subaerial and subaqueous flows
3.4.2. PIV for subaqueous flows
3.4.3. Channel migration
3.4.4. Conclusion
Chapitre 4 Reproduction of submarine channel-belt architecture and quantification of channel kinematics using a forward model
Abstract
4.1. Introduction
4.2. Channel-belt characterization
4.3. Model description
4.3.1. Channel migration algorithm
4.3.2. Aggradation algorithm
4.4. Methodology
4.4.1. Simulation parameters
4.4.2. Extraction of channel-belt geometry and channel kinematics
4.5. Results
4.5.1. Submarine channel-belt architectures
4.5.2. Channel kinematics
4.5.3. Channel migration analysis
4.6. Discussion
4.6.1. Channel kinematics
4.6.2. Channel mobility
4.6.3. Channel stabilization: what causes?
4.7. Conclusion
Conclusion

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