Utilisation des isotopes stables du chlore pour le traçage des processus générés par l’injection de CO2 au sein d’un réservoir géologique

Jury : Florent Barbecot, rapporteur, Professeur au GEOTOP de l'Université du Québec à Montréal Wolfram Kloppmann, rapporteur, Directeur de recherche au BRGM à Orléans Catherine Noiriel, examinatrice, Maitre de Conférence au GET de l’Université Paul Sabatier à Toulouse Marc Benedetti, examinateur, Professeur à l’Université Denis Diderot, Paris 7 Bruno Garcia, promoteur de thèse, IFPen Pierre Agrinier, co-directeur de thèse, Physicien à l’IPGP Résumé : L’injection de CO2 dans un réservoir géologique n’a rien d’un processus anodin : les impacts sur la roche hôte peuvent menacer l’intégrité du stockage suite à des modifications des propriétés pétrophysiques. Nous proposons ainsi d’envisager l’utilisation des isotopes stables du chlore comme indicateurs des processus physicochimiques générés par une injection de CO2. L’ion chlorure Cl- est en effet un élément conservatif et ubiquiste dans les eaux des réservoirs, et le rapport ?37Cl est connu pour être modifié par divers processus (diffusion, filtration ionique, précipitation de sel, changements de phase). La méthodologie adoptée a consisté à investiguer les effets de ces différents processus sur le signal isotopique du Cl en conditions P-T d’un réservoir de stockage. Des expériences en autoclaves ont montré que le Cl était solubilisé dans le CO2sc, mais en quantités suffisamment faibles pour ne pas impacter le signal isotopique dans les saumures si fractionnement isotopique il y a. Des expériences de migration d’une saumure réactive par advection (banc de percolation ICARE1, Université de Montpellier) et par diffusion (cellule développée à IFPEN) ont également été réalisées. Aucune évolution de ?37Cl n’a été mesurée au cours de la percolation (transport advectif conservatif) et les effets de la diffusion restent à évaluer et à mettre en relation avec les évolutions de porosité et perméabilité des roches. Les expériences de séchage et de précipitation de sel en milieu poreux ont montré que les concentrations en Cl et les valeurs de ?37Cl permettaient de caractériser les processus de transport en jeu. Ces résultats expérimentaux ont permis d’identifier des processus capables de modifier les abondances isotopiques de Cl, et indiquent l’intérêt des isotopes pour le monitoring de site de stockage de CO2. Mots clés : stockage du CO2 ; isotopes stable du chlore ; fractionnement isotopique ; porosité ; perméabilité ; réservoir Use of chlorine stable isotopes to trace the processes generated by CO2 injection into geological formations Abstract: CO2 injection in a reservoir leads to physicochemical processes which can have harmful consequences on the reservoir integrity due to porosity and permeability alteration. In this work, we propose to test the possibility that stable chlorine isotopes could be used as a geochemical tool to assess these effects. Indeed, chloride is a conservative and a major component of reservoir brines, and it is already known that several processes can modify the ratio of its two stable isotopes ?37Cl (diffusion, ionic filtration, salt precipitation or phase change). To test this possibility, several types of experiments were performed to investigate the effects generated by a CO2 injection on Cl-isotopes. Autoclave experiments have shown that Cl can be solubilized in CO2SC, but the amounts would be too low to modify the isotopic signal of brines in case of any fractionation process. Reactive brine migration experiments by advection (ICARE1 percolation apparatus in Montpellier University) and diffusion (diffusion cell developed at IFPEN) were also conducted. No ?37Cl was observed during percolation (conservative advective transport) and the effects of diffusion remain to be investigated with regard to the evolution of rock porosity and permeability. Drying and salt precipitation experiments on porous media have shown that Cl concentrations and ?37Cl values can give information about transport processes during water evaporation. These experimental results allowed us to identify the processes capable of modifying the ?37Cl signal, and that Cl-isotopes can be of use for the monitoring of CO2 storage site. Keywords : CO2 storage, chlorine stable isotopes, isotope fractionation, porosity, permeability, reservoir