Comment le réseau poreux des roches mères retient les hydrocarbures qu'elle génère ?
Publié par Redbran le 14/03/2019 à 14:00
Source: CNRS-INP
La matière organique qui se transforme en pétrole ou en gaz est contenue dans la roche mère, une couche sédimentaire visée par des techniques extractives telles que la fracturation hydraulique. La tomographie électronique a permis de révéler pour la première fois la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) tridimensionnelle de ses pores dont la connectivité limite l'extraction des hydrocarbures.


Reconstruction 3D d'une tranche de matière organique provenant du bassin de Lower Eagle Ford (Ford Motor Company, généralement appelée simplement Ford, est un constructeur automobile américain.) (TX, USA) par tomographie électronique. a. Maillage de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de la matrice de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) amorphe constituant la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...). b. Cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de...) des diamètres d'ouverture des pores permettant le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) des hydrocarbures.
© Jeremie Berthonneau

L'extraction de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car...) et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) depuis les roches mères a récemment été rendue possible par la fracturation hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :). Outre les problématiques environnementales qu'elle suscite, cette technique draine les hydrocarbures de manière très inefficace. Elle entraîne invariablement une différence notable entre les réserves naturelles disponibles et les volumes finalement produits. Les mécanismes de formation et de confinement des hydrocarbures dans la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de...) mère sont en effet mal connus, ce qui complique leur exploitation. Pour comprendre ce problème, des géologues et des physiciens du Centre interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de nanosciences de Marseille (CINaM, CNRS/Aix-Marseille Université) et de l'unité mixte internationale Multi-Scale Materials Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) for Energy and Environment (², CNRS/MIT/Aix-Marseille Université) ont réalisé les toutes premières reconstructions 3D de cette matière organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) en utilisant la tomographie électronique. Grâce au couplage à des simulations numériques d'élasticité et de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information),...), ils ont montré l'existence d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) de pores, d'une taille comprise entre 0,3 et 2 nanomètres, au sein de la roche mère, qui limite la diffusion des hydrocarbures.

Les réseaux révélés par la tomographie électronique forment un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec...) trop confiné pour que les équations qui décrivent habituellement le mouvement des fluides newtoniens (Navier-Stokes) soient utilisables. Ici, c'est la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) du réseau poreux qui détermine à la fois l'élasticité de la matière organique et le transport des hydrocarbures dans la roche mère. Les chercheurs en ont tiré un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats mathématiques obtenus en...) pour évaluer des effets compétitifs entre l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins...) et les processus de diffusion. Ils en concluent que lorsque la roche mère n'est pas assez mature, c'est-à-dire qu'elle contient beaucoup d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) et d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), le réseau de pores n'est pas suffisamment développé pour rendre le gisement productif. En outre, ils suggèrent que le CO2 serait plus efficace et moins polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois...) que l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pour la fracturation, car il peut expulser et remplacer le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes...) dans des pores trop petits pour l'eau. Ce couplage imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) et simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...) pourrait également s'appliquer à d'autres matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) poreux (zéolithes, argilites, verres, etc.), afin d'établir les liens entre les modèles moléculaires et leurs propriétés d'intérêt pour l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.).

Références publication:
Mesoscale structure, mechanics, and transport properties of source rocks' organic pore networks. Jeremie Berthonneau, Amaël Obliger, Pierre-Louis Valdenaire, Olivier Grauby, Daniel Ferry, Damien Chaudanson, Pierre Levitz, Jae Jin Kim, Franz-Josef Ulm et Roland J.-M. Pellenq, PNAS, le 15 novembre 2018.

Contact chercheur:
Rolland Pellenq - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à MSE²
Page générée en 1.299 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique