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Pour détecter et confirmer la présence d'hydrates de gaz, nous devons tout d'abord étudier l'environnement général, puis resserrer progressivement notre recherche sur les gisements. N'oubliez pas que les hydrates de gaz ne peuvent se former que sous des conditions de température et de pression particulières, et que ces conditions se produisent uniquement sur le pergélisol (permafrost) et au large du talus continental.
Les études de réflexion sismique entreprises dans ces régions nous aident à affiner notre recherche. Les hydrates de gaz peuvent être présents sous la surface en couches épaisses, veines fines, nodules ou en ciment interstitiel, toutes ces formes tendant à rigidifier la couche sédimenteuse dans laquelle se trouvent les hydrates. Bien entendu, les ondes sonores voyagent plus vite dans les roches dures que dans les roches malléables. Par conséquent, si une couche relativement rigide de sédiments sous-marins contenant des hydrates de gaz recouvre une couche plus malléable contenant du gaz libre, l'interface entre ces deux couches réfléchira alors fortement les ondes sonores vers la surface. Ce type de réflexion est appelé réflecteur de simulation du fond (RSF).
Figure 1 - Carte géographique sous-marine de la marge continentale sud-est de l'Amérique du Nord. Les gisements d'hydrate de gaz, confirmés par des réflecteurs de simulation du fond (RSF) sismiques, sont indiqués par les zones rouge clair. Les chiffres renvoient aux sites scientifiques de forage en mer. |
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Figure 2 - Coupe sismique de la marge continentale sous-marine à proximité des sites de forage 994, 995 et 997. L'apparition du RSF, sous les sites 995 et 997, signale la présence d'hydrates de gaz. Toutefois, des hydrates de gaz ont également été découverts au niveau du site 994. |
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L'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisée dans le secteur médical est maintenant bien connue de nous tous. Ces appareils de résonance magnétique, de la taille d'un camion de plusieurs tonnes, prennent des images de nos os, des tissus et du sang dans notre corps (figure 4). Mais ce que beaucoup ignorent sûrement, c'est que l'industrie du pétrole utilise également la technologie de la résonance magnétique pour effectuer des mesures sur les formations sous-marines. Bob Kleinberg, un expert de Schlumberger, est aussi l'un des premiers scientifiques à avoir développé des outils de résonance magnétique dédiés à l'industrie pétrolière. Lisez notre article La résonance magnétique nucléaire (ou NMR) à 20 000 lieues sous la terre pour en savoir plus.
Figure 4
Appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM) type utilisé pour l'examen médical du cerveau. Le patient est placé sur une table et sa tête est lentement introduite dans la sonde de l'appareil. Cette grosse sonde est enveloppée d'un réseau d'antennes et d'aimants fixes puissants, qui fournissent la polarisation des noyaux d'hydrogène dans le cerveau. Ce type d'appareil, du volume d'une pièce entière et pesant plus de 4 tonnes, est capable de dégager un champ magnétique permanent de 3 Tesla (30 000 gauss). Photo du MAGNETOM Allegra, avec l'aimable autorisation de www.Siemens.fr.
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Figure 3 - Enregistrements de logs de forage et analyse des carottes d'un forage en mer. Ce puits a été foré afin de tester la présence d'hydrates de gaz. Une couche contenant des hydrates de gaz a été rencontrée entre 200 et 430 m sous les sédiments. Plus les valeurs de résistivité et de vitesse de propagation des ondes sonores sont élevées, plus nous avons des chances de trouver des hydrates de gaz. L'analyse des carottes, à droite de la figure, a confirmé la présence des hydrates de gaz dans 15 % de l'espace interstitiel total.
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Figure 5 - La résonance magnétique nucléaire (ou RMN) aide à obtenir des mesures précises de la concentration d'hydrates sur site. Schlumberger a conçu et construit un outil capable d'effectuer de telles mesures. Cet outil contient deux aimants permanents combinés de façon à projeter un champ magnétique puissant (550 gauss) autour et à l'intérieur de la formation géologique environnante. Les antennes et toute l'électronique associée fonctionnent à environ 2 MHz. Le volume de mesure (jaune) est d'environ 2x2 centimètres de largeur et 15 centimètres de hauteur.
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Les outils de diagraphie par résonance magnétique (figure 5) mesurent environ 4,5 m de long, 13 cm de diamètre et pèsent à peu près 227 kg. Mais, contrairement à leurs cousins du secteur médical, ces outils de diagraphie par résonance magnétique fonctionnent de façon « inversée », c'est-à-dire de l'intérieur vers l'extérieur.
Le fonctionnement des scanners d'IRM médicaux est basé sur un tout petit élément appelé : proton. Le corps humain est composé de milliards d'atomes, principalement des atomes d'hydrogène. Chaque atome d'hydrogène est doté d'un noyau contenant un seul proton. Normalement, cet atome d'hydrogène tourne autour d'un axe (ce que l'on nomme précession), comme les toupies d'enfants qui tournent autour d'un axe vertical (figure 6). Lorsqu'une personne est allongée au centre du champ magnétique principal, le noyau d'hydrogène de son corps s'aligne alors dans une direction (vers la tête) ou dans la direction opposée (vers les pieds). Heureusement, cela n'est jamais exactement moitié vers l'une et moitié vers l'autre, une nette orientation résiduelle du proton tendra toujours vers l'une des deux directions (figure 7).
Arrive ensuite la partie la plus amusante de l'IRM. Une antenne située à l'intérieur de l'appareil émet des ondes à radio-fréquence (RF) vers ces protons orientés, par séries de salves : actives, puis inactives. Lorsqu'elles sont « actives », ces ondes font tomber les protons sur le côté ; ensuite, lorsqu'elles sont « inactives », les protons en profitent pour rayonner leurs propres signaux, enregistrés par l'antenne, tout en essayant de se relever. Ces signaux renferment des informations sur le tissu du corps humain. Chaque série de salves et de signaux reçus renvoie une image d'une partie infime du corps. L'appareil d'IRM répète néanmoins cette séquence plusieurs fois de suite, déplaçant chaque fois légèrement l'endroit où l'énergie est concentrée. Lorsque ce processus est terminé, une image complète d'une partie du corps humain est alors obtenue et prête à être examinée par les médecins. |
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Figure 6 - A gauche, une toupie tourne autour de son axe vertical. A droite, l'atome d'hydrogène tourne autour d'un champ magnétique. Etant donné qu'il possède un seul proton, soit une masse unique avec une charge positive, cet atome produit un moment magnétique (flèche rouge) puissant. |
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Figure 7
Tous les protons d'hydrogène s'alignent avec le champ magnétique de l'aimant permanent. Etant donné que le corps est allongé au centre du champ magnétique, les protons s'alignent dans une direction ou dans la direction opposée, s'annulant alors. Toutefois, quelques protons supplémentaires restent toujours alignés dans l'une des deux directions. |
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L'outil de diagraphie par RMN doit pouvoir s'introduire dans un puits de faible diamètre et doit donc être beaucoup plus modeste que ses cousins médicaux ! L'outil de diagraphie par RMN est conçu pour étudier l'espace poreux d'une formation, généralement rempli par de l'eau, du pétrole ou du gaz riche en hydrogène. Le principe de mesure est similaire à celui utilisé dans les appareils d'IRM médicaux, sauf que, ici, le matériau à évaluer se trouve à l'extérieur de l'aimant permanent : le principe de mesure est donc « inversé ». L'aimant aligne les protons d'hydrogène des fluides présents dans les pores. L'antenne émet ensuite des ondes à RF en alternance, puis enregistre les signaux émis par les protons dès que ceux-ci tentent de se réaligner avec le champ de l'aimant. Les signaux proviennent d'un faible volume de la formation (figure 5), mais apportent des renseignements sur une caractéristique importante de la roche, à savoir le pourcentage de fluide qui peut se déplacer dans l'espace poreux.
Nous pouvons maintenant comprendre en quoi la diagraphie par résonance magnétique « inversée » est un outil très précieux pour rechercher les hydrates de gaz. La majorité des fluides de formation sont mobiles et se déplacent dès qu'ils ont un endroit où aller, comme un puits. Mais, même si les hydrates de gaz remplissent l'espace poreux (porosité) de la formation, ils se comportent comme des matériaux solides et renvoient alors un signal très faible mesuré par l'antenne de diagraphie par résonance magnétique. Ce signal très faible (propre aux fluides non-mobiles) confirme, lorsqu'il provient d'une formation connue pour être poreuse, la présence et la quantité d'hydrates de gaz.
Figure 8 - Le scientifique de Schlumberger, Robert Kleinberg, fixe un outil RMN sur un véhicule submersible. |
Figure 9 - Le véhicule submersible est plongé dans l'océan, au large de Monterey, en Californie, afin d'étudier les gisements d'hydrates de gaz. |
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