Institut Carnot ISIFoR

ISIFoT_200

Institute for the sustainable engineering of fossil ressources

ISIFoR regroupe un ensemble de compétences dans le domaine de l’ingénierie durable des ressources fossiles, couvrant les géosciences, les mathématiques, la chimie et les sciences de l’ingénieur.
Ses compétences sont réparties selon 3 défis technologiques : l’utilisation efficace des ressources conventionnelles, le développement de nouvelles ressources et la maîtrise de l’empreinte environnementale.

Membres permanents du GET :

Patrice Baby, Pascale Benezeth, Stéphanie Brichau, Stéphane Brusset, Gérôme Calvès, Frédéric Christophoul, José Darrozes, Germinal Gabalda, Carine Lezin, Agnès Maillard, Francis Odonne, Eric Oelkers, Philippe de Parceval, Gleb Pokrovski, Oleg Pokrovsky, Dominique Remy, Martin Roddaz, Sonia Rousse, Jacques Schott

Ressourcement 2012:

- "Etude de l’impact des gaz annexes sur le comportement du CO2 lors de sa séquestration géologique" - 55k€ équipement (contact: pascale.benezeth@get.obs-mip.fr)

1. Contexte, positionnement et objectifs

Afin de concilier l’utilisation de ressources énergétiques et la maîtrise des émissions de gaz à effet de serre (en particulier CO2) qui contribuent au réchauffement climatique, la capture, séparation et stockage géologique du CO2 (CCS) est une des options prometteuse, déjà utilisée industriellement lors de la récupération assistée d’hydrocarbures (ex., Weyburn) ou bien dans le cadre de sites pilotes (ex., Lacq-Total, CARBFIX-Reykjavik Energy). Cependant, cette filière CCS comprend un segment dit de captage/séparation (oxy-combustion, post-combustion…) du CO2 à la source qui est très coûteux et encore insuffisamment optimisé. En effet, le gaz en sortie n’est pas du CO2 pur mais il contient un pourcentage encore trop important de gaz annexes (N2, O2, H2S, Ar, SOx, NOx, CH4) qui sont très corrosifs. La co-injection de ces gaz annexes avec du CO2 supercritique (CO2(sc)) et ± H2O peut avoir un impact considérable non seulement sur le devenir à long terme du CO2 (par exemple, lors du piégeage minéral) mais aussi sur l’intégrité des puits, de la roche couverture et du réservoir lui-même (par ex., réactivité des roches encaissantes, libération de métaux toxiques…). Des études récentes et préliminaires menées en France (c.f. certains projets financés par l’ANR Captage et Stockage du CO2) mais aussi aux USA (CSI: Carbon Sequestration Initiative, Pacific Northwest National Laboratories, PNNL) montrent en effet que ces mélanges de gaz±eau sont fortement réactifs. Cependant les mécanismes et les vitesses des processus d’interaction gaz-fluide-roches impliqués sont encore très mal connus.

2. Programme scientifique et technique

Afin de répondre à ces objectifs, le GET a récemment initié un certain nombre de projets nouveaux en collaboration avec 1) Reykjavik Energy (Islande), 2) Cimenterie Lafarge (France), 3) plusieurs laboratoires français (IPGP, GM, ICMCB, G2R, IMPMC, Institut Néel-ESRF) et européens (ETH-Zurich, BGI-Bayreuth). La contribution majeure du GET dans ces projets ambitieux et pluridisciplinaires (c.f. section 3) sont des mesures expérimentales sur 1) les cinétiques des réactions de transformation minérale en présence d’eau saturée en CO2+gaz annexes, CO2(sc)±H2O, CO2(sc)±H2O+gaz annexes, et 2) sur la spéciation et la solubilité du soufre et des métaux stratégiques (Au, Pt, Cu, Fe…) en phase fluide H2O-CO2-S. L’étude de ces systèmes complexes requière la mise en œuvre de méthodes expérimentales et analytiques puissantes et complémentaires. Parmi elles, la méthode la plus directe est la spectroscopie in situ. Le but de ce projet est de développer cette méthode nouvelle au GET en mettant au point des cellules optiques pour l’étude in situ des systèmes gaz-fluide-minéraux.

3. Achat d’équipement de recherche (si le projet est centré uniquement sur l’achat d’équipement)

Les approches expérimentales pour l’étude des systèmes multiphasiques (minéraux-fluides-gaz) sont en constante évolution au GET et peuvent bénéficier de développements révolutionnaires dans le cadre de projets scientifiques permettant d’accéder aux paramètres clés des systèmes complexes décrits ci-dessus. L’un des objectifs majeur du GET dans ces projets consiste à développer des méthodes et concepts expérimentaux permettant d’étudier les processus d’interaction gaz-eau-roches (propriétés des minéraux et des fluides, cinétique de dissolution/précipitation des minéraux, évolution des surfaces réactives) dans une large gamme de conditions physico-chimiques (T, P,…) et d’échelles (nanométriques à pluri-centimétriques) caractéristiques des environnement rencontrés au cours de la séquestration géologique du CO2. Dans le cadre de cette demande à l’institut Carnot ISIFoR, nous demandons donc un complément de financement pour acquérir et mettre au point un réacteur optique HT/HP à fenêtres saphir ainsi qu’une cellule hydrothermale à enclumes de diamant (HDAC). Ces deux équipements couplés à la spectroscopie Raman (en place à Toulouse) et d’absorption de rayons X (XAS sur synchrotron, à l’ESRF et Soleil) permettront de suivre in situ la composition des gaz et les transformations minérales associées au cours des expériences ainsi que de mesurer in situ pour la première fois la spéciation chimique du soufre et la solubilité/spéciation des métaux mobilisés par la phase fluide.

Cette approche originale sera le complément indispensable aux programmes de recherche récemment initiés:

CARBFIX, Reykjavik Energy, Islande : Stockage du CO2 dans les basaltes (2011-2014) 

CO2FIX (ANR-CO2): [Bio]-minéralisation du CO2 in-situ en contexte basique et ultrabasique: une approche expérimentale et numérique (2008-2012, coll. IPGP, GM, ICMCB),

CIMENT Lafarge, France : Carbonatation des olivines (2011-2012),

CO2MET, Université Paul-Sabatier : Rôle du CO2 dans le transfert des métaux d’intérêt économique par les fluides géologiques: applications aux ressources minérales et au stockage géologique du CO2 (2011-2013, coll. IMPMC),

SOUMET (ANR blanc): Impact du soufre sur le devenir des métaux stratégiques dans les fluides géologiques (2011-2015, coll. G2R, IN-ESRF, IMPMC),

qui financeront le personnel (thèses, postdocs) ainsi que le fonctionnement et les analyses chimiques des fluides et phases solides.

Ressourcement 2013:

- "Système pétrolier au front de chaîne, apport de la thermochronologie basses températures" - 60k€ équipement (contact: stephanie.brichau@get.obs-mip.fr)

La découverte de nouvelles réserves d’hydrocarbures est conditionnée par l’élaboration de nouveaux concepts dans l’analyse des bassins sédimentaires et la caractérisation de leurs systèmes pétroliers. Devenant de plus en plus souvent «non conventionnels», les gisements sont plus délicats à détecter car ils se situent dans des pièges cachés en particulier dans les structures déformées au front des chaînes de montagne. Ces régions sont extrêmement complexes car il s’y produit une large interaction de processus géologiques qui exige une approche pluridisciplinaire. La reconstruction des géométries et la détermination de l’histoire thermique est au cœur de la compréhension de ces zones. La thermochronologie de basses températures (40-120°C, traces de fission et (U-Th)/He sur apatite) fournit des contraintes sur l’histoire thermique des derniers kilomètres de la croûte continentale (2-5 km) dont les profondeurs correspondant aux gammes de température du début des fenêtres à huiles et gaz. La mesure directe de la chronologie et de la magnitude des évènements thermiques passés ne renseigne pas que l’histoire de la maturation et de la formation des hydrocarbures, mais permet d’obtenir de contraindre l’histoire d’exhumation et de mise en place des pièges structuraux.

He_Line

La connaissance de ces variables impacte les critères d’exploration de manière significative. Un système pétrolier ne peut plus être étudié sans les outils de la thermochronologie de basses températures (traces de fission (TF) et (U-Th)/He). Plus particulièrement, la méthode (U-Th)/He, enregistre les mouvements verticaux les plus récents et, de par sa faible température de rétention (40-80°C), est plus sensible aux événements superficiels que les TF, offrant de précieuses informations sur les processus géologiques responsables de la formation et l’évolution des systèmes pétroliers.

Les datations (U-Th)/He se font en trois étapes. Le GET réalise actuellement deux de ces étapes : la première, qui nécessite une loupe binoculaire couplée avec une caméra et un logiciel de mesure pour sélectionner les minéraux adéquats ; la troisième, qui consiste en la mesure des concentrations en U et Th à l’ICP-MS par dilution isotopique. Des mesures U et Th sur ICP-MS ont déjà été faites au GET pour ce type de datation, la procédure est donc déjà au point. Cependant, reste la seconde étape : l’extraction de l’hélium, qui nécessite une ligne dite de dégazage. Ce projet a pour objectif l’achat de cette ligne pour la mesure des concentrations en 4He indispensable à ces datations.

- "Quantification d’un bassin d’avant-pays pour projection d’un modèle d’exploration prédictif à échelle continentale" - 32k€ (contact: gerome.calves@get.obs-mip.fr)

QBAP

1. Contexte, positionnement et objectifs

La découverte de nouvelles réserves d’hydrocarbures est conditionnée par l’élaboration de nouveaux concepts dans l’analyse des bassins sédimentaires et la caractérisation de leurs systèmes pétroliers. Devenant de plus en plus souvent « non conventionnels », les gisements sont plus délicats à détecter car ils se situent dans des bassins sédimentaires complexes en particulier au front des chaînes de montagne. Ces régions sont extrêmement intéressantes du point de vue de l’analyse des bassins sédimentaires car il s’y produit une large interaction de processus géologiques qui exige une approche pluridisciplinaire. La reconstruction des structures tectoniques et de l’histoire de la charge sédimentaire est au cœur de la compréhension de ces zones. Les modèles de dépôts actualises sont orientés sur un pôle en érosion des systèmes géologiques et ce en opposition des observations des systèmes sédimentaires dans l’ancien qui sont eux sur un pôle majoritairement en sédimentation en lien avec de forts taux de subsidence.

L’analyse du remplissage de ces bassins sédimentaires sera réalisée essentiellement à partir de données de sous-sol fournies par notre partenaire PERUPETRO S.A. L’analyse stratigraphique et paléo-environnementale permettra de caractériser l’évolution de la sédimentation d’un point de vue quantitatif. Cette étape dite couramment naturaliste est à la base de tout nouveau concept développé en exploration. Elle sera jointe aux thématiques académiques portées sur la compréhension des interactions entre processus climatiques, tectoniques et sédimentaires à fin de simulations. Le partage de compétences propres aux deux instituts permettra de former un pôle de compétences sur les thématiques du projet qui n’aurai pas d’égal au niveau national et européen.

2. Programme scientifique et technique

Ce projet tourne autour de deux éléments courant à la construction d’un modèle cohérent en substance : la donnée d’échantillon ponctuel (puits et échantillons) et la donnée spatialisée (sismique reflexion 2D et 3D). Deux approches jointes de ces données permettrons la reconnaissance des propriétés physique du remplissage du bassin sédimentaires (qualité des réservoirs : dimensionnement des objets, lithologie, pétrophysique) : l’analyse neuronale des sondages et la géomorphologique sismique sur les blocs 3D. Ces deux aspects méthodologiques sont utilisés à l’échelle du champ mais rarement à l’horizon prédictif de l’exploration. Ces travaux se dérouleront au sein des équipes qui superviseront des étudiants des masters professionnels rattachés aux deux laboratoires.

Lors de cette première année ce chantier sera évalué et complété sur la base de projets en sistership au sein des pays frontaliers (e.g. : Colombie, Bolivie, Brésil, Pérou, Equateur). Les premiers contacts établis (compagnies nationales) sont favorables au partage de données permettant l’évaluation de ce modèle d’exploration. Une communication aura lieu soit lors d’une conférence régionale ou d’un AAPG international.

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