À la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de l'Université technique de Munich (TUM), les réseaux de micropores ont été caractérisés par diffusion de neutrons aux petits et très petits angles.

Dense, sombre, compact :à première vue, les échantillons de roches sédimentaires que le Dr Amirsaman Rezaeyan a sur son bureau de laboratoire ne sont que légèrement différents. Les pores ne sont pas visibles à l'œil nu.

Néanmoins, ce sont précisément les pores qui confèrent aux mudrocks leurs propriétés particulières :les pores, d'une taille allant de quelques micromètres à quelques nanomètres, se forment lors de la sédimentation et se compactent au fil du temps, déterminant ainsi la perméabilité. Ces pores sont le facteur décisif pour la capacité de la roche à retenir le pétrole et le gaz naturel ou à former des couches imperméables sous lesquelles les combustibles fossiles s'accumulent.

"En fonction de la répartition, de la taille et de la structure des pores, les roches sédimentaires à grains fins conviennent également pour l'élimination des déchets radioactifs ou pour sceller le stockage du dioxyde de carbone", explique le Dr Amirsaman Rezaeyan, chercheur à l'Université de Calgary au Canada. "La structure des pores des mudrocks et son influence sur la perméabilité à l'écoulement des fluides ont à peine été étudiées jusqu'à présent, mais sont extrêmement importantes si vous souhaitez évaluer le potentiel des mudrocks en tant que réservoirs de pétrole ou couches imperméables."

Mais comment mesurer des pores qui ne sont pas plus gros que des bactéries ? Il existe en fait diverses méthodes qui peuvent être utilisées pour quantifier le volume des pores, mais la plupart d'entre elles ne peuvent détecter que des structures plus grandes ou des pores de taille limitée.

"Seule la diffusion de neutrons à petit et très petit angle permet de quantifier complètement les pores entre quelques nanomètres et quelques micromètres", explique Rezaeyan, qui, en collaboration avec une équipe internationale de la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) à TUM, a analysé la porosité d'une douzaine de roches sédimentaires d'Europe et d'Amérique.

Mesurer les pores avec une précision nanométrique

Il n’existe que quelques installations de mesure de la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) et de la diffusion des neutrons aux très petits angles (VSANS) dans le monde. Deux d'entre eux, KWS-1 et KWS-3, sont exploités par le Forschungszentrum Jülich au Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ).

Le MLZ est la coopération scientifique entre le TUM, le Forschungszentrum Jülich et le Helmholtz-Zentrum Hereon, qui met les neutrons du FRM II à la disposition des chercheurs invités sous forme d'instruments scientifiques.

C'est ainsi que Rezaeyan du Centre Lyell de l'Université Heriot-Watt à Édimbourg, en Écosse, où il travaillait à l'époque, s'est rendu à Garching avec ses échantillons de roche, tous finement polis et sans inclusions de gaz ou de liquide, pour détecter les micropores.

Les échantillons ont été irradiés avec des neutrons provenant du réacteur des instruments de diffusion aux petits angles du FRM II. Comme les neutrons n'interagissent qu'avec les noyaux des atomes, le diagramme de diffraction enregistré par le détecteur peut être utilisé pour déduire la disposition des atomes et donc – indirectement – ​​celle des pores exempts d'atomes.

De retour en Écosse, les chercheurs ont corrélé les mesures avec les propriétés microscopiques des échantillons de roche. Le résultat a maintenant été publié dans deux articles, dont un dans la revue Energy et l'autre dans Énergie et carburants .

Les chercheurs ont découvert que la porosité des mudrocks à grains fins dépend de la proportion de minéraux argileux contenus dans les sédiments :plus il y a d'argile, plus la probabilité de pores plus petits, d'un diamètre inférieur à 50 nanomètres, est grande. Les roches à forte teneur en argile sont donc potentiellement bien adaptées pour sceller un lieu d'élimination ou de stockage souterrain en tant que couche imperméable.

"Cependant, la teneur en argile n'est qu'une pièce du puzzle :il existe toute une série de facteurs qui doivent être pris en compte lors de la sélection des couches de mudrock appropriées pour la production de pétrole et de gaz ou de CO₂. stockage", souligne Rezaeyan. "Nous avons donc inclus d'autres facteurs dans l'analyse des données, comme le compactage des roches et la matière organique. Ce faisant, nous avons pu établir des corrélations de haute signification statistique."

Grâce à ces corrélations, il devrait être possible à l'avenir d'estimer les propriétés physiques des roches sédimentaires à grains fins en fonction des conditions de sédimentation et de savoir si elles conviennent comme couches imperméables pour les dépôts de déchets nucléaires et de CO ₂ sites de stockage.