Brevet FR2748516A1 — publié le 19971114

La présente invention concerne une méthode pour réaliser un modèle cinématique permettant de connaitre l'évolution géométrique en deux dimensions de bassins géologiques affectés par des failles, en fonction du temps. Le modèle réalisé selon l'invention permet de reconstruire dans le sens direct, depuis un état initial non déformé, les géométries intermédiaires du bassin au cours du temps. Deux mécanismes de déformation sont pris en compte dans la méthode: le glissement le long de discontinuités tectoniques majeures avec déformation interne (plissement) des sédiments et b) la compaction mécanique due à l'enfouissement des sédiments par déformation tectonique ou sédimentation. Le modèle réalisé selon la méthode, permet aussi le couplage de la déformation liée au jeu des failles avec le phénomène de compaction. Le modèle réalisé permet de rendre compte de la variation de la perméabilité, de l'expulsion de fluides par compaction et des transferts thermiques à l'échelle du bassin par circulation de fluides. On connait des méthodes qui ont été développées pour modéliser l'évolution de la géométrie des bassins géologiques sous l'effet de déplacements le long de failles majeures. Une telle méthode est décrite par exemple par Rouve, F. et Sassi, W., "Kinematics of Deformation and Petroleum System Appraisal in Neogen Foreland Fold-and-Thrust Belts in Petrol. Geosciences, vol. 1, 1995, pp. 253-269. Les séries sédimentaires transportées sont alors sujettes à une déformation interne. Les modèles connus définissent celle-ci soit par un mode de cisaillement simple vertical, soit par un mode de cisaillement en plis parallèles isopaques (méthode dite des "kinks"). Les couches de sédiments y sont considérées comme formant un milieu continu. Des modèles ont été proposés notamment par - Suppe, J.,"Geometry and Kinematic of Fault-bent Folding", Am. Journ. of Science, 283, p. 684-721 (1993), et par 2 2748516 - Zoetemeijer, R. "Tectonic Modelling of Foreland Basins, Thèse de doctorat, Université libre d'Amsterdam, 1983, ces modèles résultant de la mise en oeuvre de la méthode dite du plissement isopaque en "kink", mais qui ne traitent pas de la compaction mécanique. On connait aussi une méthode de modélisation permettant un couplage avec la compaction qui est décrite par: - Waltham, "Finite Difference Modelling of Sandbox Analogues, Compaction and Detachment Free Deformation; in Journal of Structural Geology, vol 12, 3, 375- 381, 1990, et qui procède en considérant des cisaillements simples locaux 1 mais sans respecter les longueurs et épaisseurs de bancs Une autre méthode de modélisation a été proposée aussi par: - Suter, M., "Kinematic Modelling of Cross-sectional Defoemation Sequences by Computer Simulation"; Journ. of Geophys. Research, vol. 95, B13, 21913-21929, 1990. La méthode selon l'invention permet de modéliser l'évolution géométrique au cours du temps d'un bassin géologique, sous l'effet de déplacements le long de failles, la détermination de chaque géométrie intermédiaire du processus d'évolution étant réalisée de façon incrémentale. La formation géologique ayant été subdivisée au préalable en un certain nombre d'objets géologiques par des limites (discontinuités stratigraphiques, failles délimitant des écailles etc.) dont on connait la position géométrique, la méthode est caractérisée essentiellement par le fait que l'on subdivise chacun de ces objets en couches ou bancs que l'on discrétise par des maillages et l'on détermine séparément la déformation tectonique de chaque couche discrétisée en respectant au mieux son épaisseur et sa longueur. De préférence, on discrétise chaque objet géologique en formant un maillage comportant des séries superposées de mailles ou cellules, les différentes séries étant 3 2748516 positionnées successivement à partir d'une première série de cellules dont au moins un côté appartient aux limites de l'objet géologique. Suivant un premier mode de mise en oeuvre, on délimite de proche en proche les différentes mailles de chaque série, chacune des mailles étant formée en positionnant un premier noeud défini par une abscisse curviligne et un deuxième noeud, les coordonnées du premier et du deuxième noeud étant obtenues par des relations géométriques liées aux dimensions et à la forme de chaque maille. Suivant un deuxième mode de mise en oeuvre, on délimite globalement la position de chaque série de mailles en minimisant une fonctionnelle dont les variables sont la coordonnées des noeuds des différentes mailles de la série, cette fonctionnelle étant formée également à partir d'au moins deux relations géométriques associées à chacune des mailles. La méthode comporte en outre de préférence une étape de modification géométrique des maillages pour tenir compte des effets de la compaction (due par exemple à la variation d'enfouissement des éléments maillés). On peut utiliser par exemple un maillage avec des mailles en forme de polygones comportant quatre noeuds principaux et éventuellement au moins un noeud secondaire. La discrétisation d'une formation affectée par des failles, opérée par la méthode, permet de rendre compte finement de son évolution géométrique en deux dimensions et de coupler facilement les déformations liées au jeu des failles avec les phénomènes de compaction. Une étude des transferts thermiques et fluides est alors rendue possible à l'échelle d'un bassin sédimentaire, ce qui permet de sélectionner plus facilement les zones susceptibles de recéler des gisements d'hydrocarbures. La méthode selon l'invention permet une meilleure simulation de deux mécanismes de plissement fondamentaux pour les géologues travaillant sur les orogènes et leur avant-pays ("foothills"): a) les plissements isopaques en "kink" ou les plis de cintrage sur rampe ("fault-bend fold"), ou b) les plis de propagation par faille. 4 2748516 Enfin, avec la méthode proposée, il est possible de tenir compte de la configuration structurale complexe: plusieurs niveaux de décollement majeurs (grandes failles) avec branchement en duplex profond et failles antithétiques. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après de deux modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig. 1 illustre le mode de formation de mailles polygonales pourvue de quatre noeuds principaux; - la Fig.2 montre un milieu géologique découpé en plusieurs écailles par des limites naturelles (failles et discontinuités stratigraphiques), chacune étant discrétisée et subdivisée par des maillages; - la Fig.3 montre la configuration de ce même milieu après retrait relatif d'une écaille, déterminée par application de la méthode selon l'invention; - la Fig.4 montre une autre configuration de ce même milieu après avancée relative d'une écaille, obtenue par la même méthode; - la Fig.5 montre un maillage appliqué à un milieu géologique sans tenir compte des effets de la compaction; et - la Fig.6 montre les modifications que l'on apporte au maillage précédent si on tient compte des effets de la compaction. Le modèle que l'on a développé, est de type géométrique: il s'appuie sur des principes de fractionnement et bien connus des géologues qui ont à réaliser des coupes équilibrées et il met enjeu des mécanismes cinématiques naturels. La formation du modèle comporte tout d'abord le fractionnement du domaine d'étude en une liste d"'écailles" qui sont délimitées par des failles, le fractionnement de chaque écaille en une liste de couches ou "bancs" que l'on délimite par la stratigraphie du domaine considéré, le fractionnement de chaque banc en une liste d"'éléments". 2748516 Pour réaliser le fractionnement préalable, on considère: - que les "bancs" sont des unités dites "compétentes" qui se déforment peu lors de leurs déplacements, et en particulier, que l'épaisseur des bancs peut être conservée; - que les bancs sont susceptibles de glisser les uns par rapport aux autres le long des discontinuités stratigraphiques. Modèle 1: calcul au niveau élémentaire Suivant un premier mode de réalisation, on considère que les éléments sont reconstruits individuellement. On procède de proche en proche en considérant d'abord les éléments ou mailles s'appuyant sur les limites choisies pour la discrétisation: limite stratigraphique servant de support et/ou faille. On choisit de représenter les différents éléments par des polygones à quatre noeuds principaux et un certain nombre de noeuds secondaires (pseudo-quadrilatères). Pour discrétiser une écaille Ek (Fig.2), on forme un élément (ou maille) initial Mi dans un banc Bj au contact par exemple d'une discontinuité S servant de support à sa base et d'une faille F. On connait par exemple la position de deux des noeuds principoaux NO, NI de la maille Mi tous les deux sur la ligne de faille (Fig. 1). On reconstruit l'élément Mi en positionnant les deux autres noeuds N2 et N3. On se fixe des valeurs scalaires pour l'aire de l'élément et son épaisseur et un critère relatif à l'orientation angulaire du côté passant par les deux noeuds restants N2, N3 par rapport au suppport S. Comme le noeud N2 repose sur le support S, on repère sa position par une abscisse curviligne (un seul degré de liberté). L'autre noeud N3 possède deux degrés de liberté dans le plan 2D. On détermine la position des deux noeuds, en écrivant trois relations reliant leurs abscisses et ordonnées aux valeurs et critère fixés. La maille Mi possède un noeud secondaire n 1. L'élément suivant Mi+l du même banc Bj repose aussi sur le support S. Comme il s'appuie latéralement sur le bord de l'élément précédent Mi que l'on vient de définir, et que l'on connait déjà la position des noeuds N2, N3, il reste à déterminer par les mêmes trois relations (aire, épaisseur, critère d'orientation), les positions respectives du sommet N4 sur le support S d'une part et du noeud N5 dans le plan. 6 2748516 Ainsi, de proche en proche, on définit tous les éléments du même banc initial Bj. Toutes les mailles de ce premier banc Bj ayant été positionnées, on positionne de proche en proche tous les éléments du banc adjacent Bj+l (Fig.2), en considérant comme connus les côtés des mailles reliant les noeuds N1, N3, N5 (limite supérieure du banc précédent), en partant du premier élément en appui par exemple contre la limite latérale du banc. Et ainsi de suite pour tous les bancs empilés. Modèle 2: Discrétisation globale d'un banc Suivant un autre mode de réalisation, on reconstruit en même temps les éléments constitutifs d'un même banc. Au lieu d'appliquer les critères de définition successivement aux différents éléments ou mailles d'un même banc Mi, Mi+l, etc., on les applique ici au banc tout entier. De la même façon, pour chacun d'eux, on écrit des relations reliant les coordonnées des différents noeuds à l'aire, l'épaisseur et la forme des éléments. L'écriture de la somme des carrés des résidus de toutes les relations, permet de construire une fonctionnelle positive dont les variables sont les coordonnées des noeuds des éléments. L'étape de reconstruction géométrique du banc est le résultat d'un calcul de minimisation de la fonctionnelle ainsi construite. 11) Effets de la compaction La méthode permet de tenir compte des effets de la compaction qui modifie la porosité des roches. On peut tenir compte de l'effet dû à la présence de tout nouveau banc discrétisé sur le maillage des bancs sous-jacents ou de tout déplacement des écailles qui modifie leur degré d'enfouissement (Fig.3, 4) Il est facile de reconstruire les états successifs de la formation en tenant compte de la diminution de porosité des matériaux géologiques lors de l'enfouissement qui a pour effet de modifier les aires des différents éléments, en se référant notamment à la publication suivante: - Perrier et Quiblier, J. "Thickness in Sedimentary Layers during Compaction History"; AAPG Bull., 58, 507-520. 7 2748516 REVENDICATIONS 1) Méthode pour modéliser l'évolution géométrique sous l'effet de déplacements, d'une formation géologique subdivisée en un certain nombre d'objets géologiques par des limites dont on connait la position géométrique, caractérisée en ce que l'on subdivise chacun desdits objets en couches ou bancs que l'on discrétise par des maillages et l'on détermine séparément la déformation tectonique de chaque couche discrétisée en respectant au mieux son épaisseur et sa longueur. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on discrétise chaque objet géologique (E) en formant un maillage comportant des séries superposées de mailles ou cellules (M), les différentes séries étant positionnées successivement à partir d'une première série de cellules dont au moins un côté appartient aux limites (S, F) de l'objet géologique. 3) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on délimite de proche en proche les différentes mailles de chaque série, chacune des mailles (M) étant formée en positionnant un premier noeud (N2, N4) défini par une abscisse curviligne et un deuxième noeud (N3, N5), les coordonnées du premier et du deuxième noeud étant obtenues par des relations géométriques liées aux dimensions et à la forme de chaque maille. 4) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on délimite globalement la position de chaque série de mailles en minimisant une fonctionnelle dont les variables sont la coordonnées des noeuds des différentes mailles de la série, cette fonctionnelle étant formée également à partir d'au moins deux relations géométriques associées à chacune des mailles. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une étape de modification géométrique des maillages pour tenir compte des effets de la compaction. 8 2748516 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on forme un maillage avec des mailles en forme de polygones comportant quatre noeuds principaux (N) et éventuellement au moins un noeud secondaire (n).