Modélisation expérimentale des transferts de matières dans un calcaire oolithique soumis à un gradient de température et à une forte pression de CO2 : le modèle COTAGES

Résumé : Même si l'impact anthropique sur le réchauffement climatique est encore débattu, la réduction des émissions des gaz à effet (GES) de serre est un objectif prioritaire à l'échelle mondiale. Le stockage géologique de CO2 pourrait permettre d'en réduire les émissions à court terme. Cependant, les différents phénomènes physicochimiques affectant le réservoir après l'injection doivent être compris et quantifiés pour envisager un stockage durable et efficace. Ce travail porte sur l'influence du gradient thermique provoqué par l'injection d'un fluide froid (˜31°C) dans un réservoir chaud (˜100°C). L'objectif de cette étude est de quantifier les transferts de matière associés à des phénomènes de dissolution/précipitation, dus à la dépendance de la solubilité du CO2 et des phases minérales de l'encaissant vis-à-vis de la température. C'est dans cette optique que le modèle expérimental COTAGES (Colonne Thermorégulée à Grains pour Gaz à Effet de Serre) a été développé. Cet autoclave tubulaire d'environ 75 cm de long permet d'appliquer un gradient thermique contrôlé sur un système roche/solution/CO2. Les échantillons, composés de calcaire oolithique de Lavoux broyé à différentes granulométries, sont soumis à un régime de forte pression de CO2 (110 bar) et à un gradient thermique (de 35 à 100°C) pendant une durée de 1 mois. A l'issue de l'expérience, les échantillons sont pesés puis analysés par diverses techniques d'imagerie (Microscopies optique et électronique, cathodoluminescence et tomographie aux rayons X). Le bilan de masse a permis de mettre en évidence un important transfert de matière de la zone intermédiaire à 55°C (perte de masse pouvant atteindre 10% de la masse initiale) vers la zone chauffée à 100°C (gain de masse pouvant atteindre 12% de la masse initiale). L'analyse pétrographique des grains de calcaire montre que les phénomènes de dissolution et de précipitation se produisent majoritairement en périphérie des grains, là où les échanges avec la solution sont favorisés. La dissolution du cortex oolithique dans la zone à 55°C provoque la coalescence des cristaux de micrite et un gain significatif du nombre de pores dont l'aire est comprise entre 2.2 et 100 μm² (gain de 500 pores/mm²). L'augmentation de porosité associée à la formation de micropores peut atteindre 4.5%. La matière dissoute est transportée (par diffusion et par convection) vers la zone à 100°C, provoquant la recristallisation de microcristaux de calcite d'environ 5 μm. Le comblement de l'espace intergranulaire par la néoformation de ciment calcitique a provoqué l'agrégation des grains dans certains échantillons. Ces résultats montrent que le gradient thermique peut provoquer des variations de porosité importantes aux abords d'un puits d'injection en réservoir carbonaté et donc en modifier les propriétés d'injectivité.