Cartographie et Modélisation 3D

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1 Cartographie et Modélisation 3D [UNOCAL diapir, GRG Nancy] [Syros Island, Philippon, 2009] C. Le Carlier de Veslud, Géosciences Rennes en collaboration avec le Gocad Research Group, Nancy

2 Intérêt des outils de cartographie Quels outils? SIG en 2D 2D et 3D? Modeleurs 3D dédiés à la quantification des ressources (pétrole, mines, eau) Bases de données A quoi servent ces outils? Intégration de toutes les données disponibles géoréférencées Vérification de la cohérence des données Archivage et pérennisation des données Visualisation temps réels et interprétation Construction de modèles et validation Production de documents (cartes, coupes,..) Quantification des ressources + incertitudes

3 Pourquoi en 3D La Géologie est 3D Besoin de quantification en 3D Géométrie (couches, failles) Propriétés (porosité, teneurs,..) Réserves, incertitudes

4 Les Challenges: types de données Données «dures» Données brutes Carottes Diagraphies Données sismiques Electro-faciès Attributs sismiques Faciès sismiques Réflecteurs sismiques Données Interprétées Discontinuités Faciès Propriétés pétrophysiques Données «molles» Affleurement Topographie Données gravimetriques Modèles régionaux Cartes Géologiques Modèle de densités Coupes interprétatives Analogues géologiques Structures en profondeur (horizons/failles)

5 Les Challenges: résultats attendus Modèle synthétique (SEG-EAGE, GRG Nancy) Corps minéralisé en U, Sheacreek, Athabasca - Complexité et diversité des formes, résultat de processus complexes - Relations complexes entre objets, horizontales ou verticales - Discontinuities reliées aux failles/discordances - Effets d échelle

6 Les méthodes: types d objets Dans l industrie: méthodes CAO basées sur des outils puissants: Splines, NURBS, etc. parfait pour modéliser des objets précisément connus (car il faut les construire!) -> Trop parfaites pour la Géologie

7 Les méthodes: types d objets maillage = représentation discrète des objets = points + connections Point: échantillons Ligne: trace en carte, pointé Surface: toit/mur d une couche, faille, isovaleur Grille régulière: sismique 3D Grille stratigraphique: couches réservoir Objets souples et adaptatifs Représentation de la géométrie + propriétés Applicable à des objets multivalués, faillés

8 Les méthodes: Interpolation (DSI) Données (éparses) Modèle (continu) Discrete Smooth Interpolation [Mallet 1989, 1992, 1997]

9 Ce que l on attend d une interpolation Problèmes de données Données hétérogènes en distribution redondantes bruitées Ce que nous aimerions avoir Ce que l on a..

10 Ce que l on attend d une interpolation Continu Discontinu (failles, discordances,..)

11 Ce que l on attend d une interpolation Problèmes de longueur d onde inconnue lisse Modèle Structural, -> interpolation lisse: les + hautes fréquences du signal sont du même ordre de grandeur que l échantillonage chaotique Modèles de Réservoir, -> simulation

12 Workflow de modélisation (pétrole) Décisions Simulations d écoulement Modèles Réservoir Modèle(s) Structural Interprétation

13 Acquisition, visualisation, interprétation, et contrôle-qualité Combiner des données de différents types Cap Corse

14 Acquisition, visualisation, interprétation, et contrôle-qualité Combiner des données de différents types Carte géologiques GéoFrance 3D Fossé rhénan Pointés Sismiques 2D Contrôle-Qualité!!!! Tâche chronophage mais indispensable

15 Workflow de modélisation Décisions Simulation d écoulement Modèle Réservoir Modèle Structural Interprétation

16 Modèle structural: but: un modèle de surfaces cohérent géométriquement et géologiquement! Failles Horizon [GRG Group] Données Résultat Surfaces = interfaces (horizon, faille, discordance, )

17 Conditions de validité d un modèle géologique (1) Bord libre B B H H F F Un horizon ne peut pas avoir de bord libre mais une faille le peut!

18 Conditions de validité d un modèle géologique (2) C 1 ou C 3? C 1 C 2 C 1 C 3 C 2 C 3 C 1 C 2 C 3 Interpretation contrôlee par le géologue 2 limites de couches ne peuvent pas se croiser

19 Modèle Structural: notion de contraintes Contact entre failles F1 et F2 Contact entre horizon H et failles F1 et F2 F2 F1 Données Liens entre données et objets en construction (horizons, failles) Traduction des relations géologiques entre structures (contacts) H

20 Modèle Structural: les étapes Construction du réseau de failles avec hiérarchie [GRG Group] Construction des horizons Coupure des horizons par les failles

21 Un modèle structural valide: Un pré-requis indispensable Nappe contact -Régions (blocks) -Modélisation des propriétés -Dépliage, simulations d écoulements Ile de Syros, [Philippon, 2011]

22 Workflow de modélisation Décisions Simulation d écoulement Modèle Réservoir Modèle Structural Interprétation

23 Modèle Réservoir D un modèle d interfaces (limites) «creux» Modèle cellulaire «plein» Point bars Ceinture de chenal Géométrie de chenaux dans un environnement deltaïque (Manatokan field, Alberta) Perméabilité [Poulain, 2014]

24 Modèle réservoir A quoi sert un modèle réservoir? Base pour l estimation ou la simulation de propriétés pétrophysiques (perméabilité, teneur) Calculs de volumes ou de réserves Simulations (écoulement, mécanique, thermique, géophysique..) Problèmes scientifiques: 2 grandes tâches Tâche 1: Construire des grilles 3D suivant la géologie = modèle structural Tâche 2: Remplir les grilles avec des propriétés pétrophysiques => interpolation/simulation

25 Modèle réservoir: Tâche 1: construire une grille 3D Types de Grilles 3D Structurée Régulier Répétition périodique d un même motif Curvilinéaire Non-structurée Homogène

26 Tâche 1: Grilles curvilinéaires (stratigraphiques) Certains corps géologiques => anisotropies naturelles (litage, foliation) But des grilles curvilinéaires: Capturer ces anisotropies w v Toit u + [GRG group] Base Plans w = cst correspond à une surface chronostratigraphique

27 Tâche 1: Grilles stratigraphiques Concordances ou discordances.. Grille 3D réelle = actuelle Grille chronostratigraphique Z w = t X u Lacune Et prise en compte des failles Cellules dégénérées

28 Tâche 1: Exemple de grille stratigraphique faillée Grille traduisant bien les différents schémas tectono-sédimentaires. mais pas forcément utilisables par tous maillages localement non-conforme (e.g. FEM) cellules dégénérées [GRG group]

29 Modèle réservoir: Tâche 2 Remplir les volumes avec des properties Un challenge qui doit intégrer: concepts physiques concepts tectono-sédimentaires géométries complexes (plis/failles) concepts statistiques et outils de simulation de propriétés Savoir du géologue Fournis par le modèle structural et/ou réservoir Géostatistiques Nécessite un modeleur 3D! [GRG Group]

30 Sur quelle distance et de quelle façon une donnée influe-t-il le résultat Problème à résoudre: Y Données Résultat Eparses Redondantes X Bruitées Biaisées

31 Tâche 2: Statistiques des variables régionalisées (géostatistiques) Inadéquation des outils standards (statistiques 1-point, moyenne,.) Variogramme: statistiques 2-points (paires de points) g (h) = 1 [Z(u i+h) - Z(u i )] 2 2.N(h) h N(h) i=1 h ui = position(x, Y, Z) Z propriété, variable aléatoire stationnaire 2 m et s indépendants de u h = vecteur distance Mesure la variabilité, quand les échantillons deviennent

32 Eléments caractéristiques d un modèle de variogramme g (h) porosité h = distance Comportement à l origine (h=0) Comportement à longue distance (palier et portée) Gringarten & Deutsch, 2001 Comportement directionnel = anisotropie Implique des pré-requis quant aux variables => analyse préalable (distribution), transformations (type gaussien), prise en compte des tendances

33 Role-clé joué par la géométrie 3D Z Iso w X Iso u Géometrie: plis + failles X,Y,Z système inadéquat Grille «stratigraphique» iso-w = isochrones w u Restauration 3D implicite = Corrélation stratigraphique

34 Tâche 2 : à partir du variogramme Interpolation: e.g. Krigeage Déterministe 2 approches Stochastic simulation e.g. Simulation Gaussienne Séquentielle Produit plusieurs réalisations => Évaluation des incertitudes [GRG Group]

35 La suite.. Les modèles 3D réalisés servent d entrée aux simulateurs: fluides monophasiques fluides polyphasiques + thermique aide à l exploitation

36 Intérêt de l approche stochastique Quantifier l incertitude par rapport aux entrées Géométries: Valeur horizons, moyenne failles, connections Propriétés réservoir (porosité, oil-water contact, net to Porosité gross) Fournir une aide à la décision Nombre/ probabilité min cas le plus probable Connexion des failles Net to gross Proportion d argile max Ressource Valeur d intérêt (tonnage)

37 Exemple: modèle 3D du Limousin Important district minier français (U, Au, (W-Sn)) Gisements formés à la fin de l orogènese varisque 300 Ma 80 km GéoFrance 3D Métallogénie du Massif central

38 Exemple: réservoir fluvio-deltaïque (Canada): données 77 puits 14 marqueurs stratigraphiques [Poulain, 2014]

39 Réservoir fluvio-deltaïque (Canada): données [Pouderoux et al., 2013]

40 Réservoir fluvio-deltaïque (Canada): modèle structural Erosion Channel belt limites argileuses des point-bars Dépôt Point bars [Poulain, 2014]

41 Réservoir fluvio-deltaïque (Canada): Résultats Faciès seuls Faciès + barrières continues Faciès + barrières discontinues [Poulain, 2014]

42 Conclusions: inconvénients Logiciels spécialisés assez onéreux Résultat proportionnel aux données et au savoir Processus chronophage Contrôles-qualités incessants Volumes importants Toujours des limitations (géologiques ou informatiques)

43 Conclusions: le 3D, outil de premier ordre pour: Intégrer, comparer et valider les données Permettre la combinaison nécessaire des informations structurale, puis réservoir Générer des simulations des ressources Servir de base numériques à l exploitation de ces ressources Aider à la décision Pérenniser les données

44 Conclusions: le 3D, outil de premier ordre pour: Faire la synthèse entre informations de terrain et modèles conceptuels Tester des hypothèses Quantifier des processus Aider à affiner l exploration de la zone d étude (cartographie/géophysique) Applicable à de nombreux cas d étude, à différentes échelles

45 Merci de votre attention

46 Gisement d U de Karku: Localisation Nord Ouest de la Russie près de la frontière avec la Finlande Nord Est du Lac Lagoda. Collaboration M. Cuney

47 Géologie de la région Quaternaire Neprotérozoïque inf à Mesoprotérozoique inf Mesoprotérozoique inférieur Dépôts glaciaire Riphéen subvolcanique, gabbro-diabases, diabases. Suite Pasha: Grès et argiles. Suite Salmi Sub suite supérieure: porphirites basaltiques, tuffs, diabases. Sub suite moyenne: grès et conglomérats. Sub suite inférieure: porphirites basaltiques; tuffs, diabases. Suite Prozersk:Grès, Graveites, conglomérats. Socle Paléoprotérozoïque Archéen sup Protérozoïque inf Granites Rapakivi Biotites graphitiques, gneiss à biotites et grenats, migmatites. Amphibolites, biotites amphiboles, gneiss graphitiques à biotite, migmatites. Granites-gneiss, amphibolites, gneiss à amphiboles et biotites, migmatites.

48 Le gisement de karku Dépôt en discordance sur un socle cristallin archéen à paléoprotérozoïque Plusieurs phases de circulations de fluides Dépôt d uranium au voisinage de la discordance Gisement de type «discordance»

49 Géologie : métallogénie 3 types de minéralisations d uranium croûte altérée du socle, proche de la discordance ; fractures dans les niveaux volcaniques ; dans les grès. Age de la minéralisation principale : 1200 à 1500 millions d années (datations U/Pb) Schéma interprétatif de la forme de la minéralisation (Lobaev, 2005)

50 Génèse de la minéralisation (Shurilov, 2005) Dépôts de grès dans des paléovallées du socle Drains pour les fluides Phase de rifting, volcanisme associé et subsidence du bassin Mélanges de fluides oxydants ayant mobilisé de l Uranium par percolation dans le socle et des fluides réducteurs -> minéralisation guidée par les «chenaux» de grès, au droit des failles de socle

51 Résultats : statistiques ppm 1000 ppm 10 ppm 1 ppm Minéralisation «collée» à la discordance

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53 Enveloppe minéralisée à 50 ppm

54 Prospective Est du Bassin de Paris 3D Geological model at 500 ky

55 3D Geological model at 1 My

56 Simulation d injectites: Modèle analogique: Silice pure 50 % silice et cire Problématiques : 1. Description quantitative de la géométrie 2. Quantification des transferts de matière, taux de fusion 3. Prise en compte des incertitudes (coupes tous les 2 cm sur un modèle de 40 cm de long) AG OSUR 18 avril

57 Simulation d injectites: les géométries AG OSUR 18 avril

58 Simulation d injectites: incertitudes sur les volumes AG OSUR 18 avril

59 Pli en fourreau (sheath fold) AG OSUR 18 avril

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61 Quel type de modélisation 3D des structures géologiques Process-based Equations -> résultats (e.g. plate bending) pros: bon contrôle de processus cons: cas réels, complexité, données à (Géometrie!!), n honore pas les données Result-based Données + «interpolation généralisée» -> résultat pros: indépendant du processus -> applicable aux cas réels cons: pas de contrôle du processus, résultat parfois aberrants, à vérifier par le géologue

62 In fine: Shared Earth Model in oil industry («gocad for rich man «) Take into account available data with associated uncertainty facies seismic porosity Well data Reservoir scale Regional scale

63 Developing with gocad Developing C++ Plugins with gocad Specific development environment Use the 3D environnment, objects, utilities, the display of gocad Add your own objects (stand-alone or by inheritance) Developing specialized softwares Can be given to the gocad community