Processus et forces d’alimentation en gaz des grès compacts dans la formation Shihezi (P2x1) du champ gazier de Dongsheng, nord du bassin d’Ordos, Chine

Pourquoi cette histoire souterraine compte

Bien en dessous des prairies du centre-nord de la Chine, un vaste gisement de gaz naturel est enfermé dans des roches qui laissent à peine passer les fluides. Ces grès compacts renferment suffisamment de gaz pour alimenter des villes, mais seulement si l’on comprend comment le gaz est entré et où il s’est accumulé. Cette étude dissèque l’histoire cachée du champ gazier de Dongsheng dans le bassin d’Ordos et montre comment la pression profonde de la Terre a dû lutter contre la résistance des pores minces des roches pour remplir certaines zones de gaz tout en laissant d’autres principalement aquifères. Le travail propose une nouvelle manière de prévoir quelles parties d’un réservoir compact sont susceptibles d’être productives et lesquelles décevront.

Gaz enfermé dans des roches serrées

Le champ gazier de Dongsheng est l’une des principales ressources en gaz compact de Chine. Sa principale couche porteuse de gaz, appartenant à la formation Shihezi du Permien inférieur, se situe entre environ deux et quatre kilomètres de profondeur. Le grès présente un espace poreux moyen d’à peine 8,6 % et une très faible capacité de transmission des fluides, ce qui signifie que le gaz ne circulera pas librement sans interventions techniques. En examinant plus de deux mille carottes, les chercheurs montrent que la plus grande partie de cette formation correspond aujourd’hui à du grès compact, en particulier au sud d’une faille majeure appelée faille de Poerjianghaizi. Ce n’est que dans la zone septentrionale, plus superficielle, que la roche conserve une porosité et une perméabilité légèrement meilleures.

Comment la roche s’est resserrée au fil du temps

Pour comprendre pourquoi la roche est si serrée, l’équipe a reconstitué l’histoire d’enfouissement et de chauffe du bassin. Ils ont constaté qu’à mesure que les sédiments s’accumulaient sur des centaines de millions d’années, les grains de sable de la couche Shihezi furent comprimés les uns contre les autres, tandis que des processus chimiques ont provoqué la croissance du quartz et des minéraux argileux, soudant les grains en un cadre rigide. Des images en lame mince révèlent des grains en contact courbé les uns contre les autres, la plupart des vides originels ayant été convertis en petits pores secondaires ou partiellement remplis par du bitume solide. La modélisation montre que la porosité initiale, d’environ un tiers du volume de roche, a diminué à moins de 10 % dans de nombreuses zones avant l’arrivée du principal apport en gaz.

Trois vagues d’alimentation en gaz

Les chercheurs se sont ensuite tournés vers de minuscules bulles de fluides piégées dans les minéraux — les inclusions fluides — pour dater l’entrée du pétrole et du gaz dans le réservoir. Combinées à des modèles numériques de l’enfouissement, du chauffage et de la génération d’hydrocarbures dans les roches-mères, ces inclusions révèlent trois épisodes d’alimentation distincts. Une phase initiale, d’environ 230 à 180 millions d’années, a apporté à la fois pétrole et gaz lorsque les couches riches en matière organique situées en dessous ont commencé à se dégrader. Deux phases ultérieures, de 180 à 120 millions d’années puis de 120 à 80 millions d’années, furent dominées uniquement par le gaz, à mesure que les roches-mères atteignaient un degré de maturation plus élevé. La dernière de ces impulsions gazeuses, coïncidant avec le pic de génération de gaz, s’est avérée être la période clé pour constituer la grande accumulation de gaz observée aujourd’hui.

Pression contre résistance des pores

Une contribution centrale de l’étude est une manière simple mais puissante de décrire ce qui pousse le gaz dans de telles roches récalcitrantes. Les auteurs définissent une « force nette » comme la différence entre la surpression des roches-mères générant du gaz et la résistance capillaire des pores du grès compact à une saturation en gaz représentative. À l’aide de modèles de bassin, ils ont suivi comment la surpression dans les couches charbonnières profondes s’est accumulée durant la phase de pic de génération de gaz. Parallèlement, des simulations de roches numériques — basées sur des scans tridimensionnels d’échantillons réels — montrent quelle pression est nécessaire pour que le gaz commence à percer des pores remplis d’eau, puis les remplisse rapidement, jusqu’à atteindre une saturation quasi-stationnaire. De ces simulations, ils ont extrait la pression requise pour atteindre 50 % de saturation en gaz, la traitant comme une mesure de la résistance.

Prédire où le gaz s’accumule

En comparant la pression motrice modélisée avec la résistance simulée, l’équipe a calculé des valeurs de force nette pour différents puits et zones. Ils ont identifié trois régimes qui correspondent étroitement aux tests réels en puits. Là où la force nette était faible et en phase d’infiltration initiale, les puits avaient tendance à être secs ou ne contenir que de faibles quantités de gaz. Là où elle augmentait jusqu’à la plage de remplissage rapide et dépassait le seuil de résistance capillaire, les puits produisaient des couches gazières commercialement exploitables. Entre les deux se trouvaient des intervalles marginaux, porteuses de gaz mais peu productifs. L’analyse montre aussi qu’au moment de la pulsation gazeuse la plus importante, une grande partie du réservoir au sud de la faille de Poerjianghaizi s’était déjà resserrée, rendant l’entrée du gaz plus difficile, tandis que la zone nord restait légèrement plus ouverte à l’alimentation.

Ce que cela signifie pour la prospection future du gaz

Pour les non-spécialistes, le message clé est que la taille d’une ressource en gaz compact ne dépend pas seulement de la quantité de matière organique que le bassin contenait autrefois. Elle résulte aussi d’un bras de fer entre la pression qui pousse le gaz hors des roches-mères et la structure à petite échelle des grès environnants qui résiste à son entrée. Cette étude montre qu’en reconstituant au fil du temps ce bras de fer et en l’exprimant comme une force nette, les géologues peuvent mieux prédire quelles zones compactes sont susceptibles d’être riches en gaz et lesquelles ne le seront pas. Une telle compréhension peut orienter le forage vers les parties les plus prometteuses du champ de Dongsheng et d’autres réservoirs profonds et compacts similaires dans le monde, améliorant l’efficacité tout en réduisant les forages inutiles.

Citation: Cao, Q., He, F., Zhang, W. et al. Process and forces of tight-sandstone gas charging in the Shihezi formation (P₂x¹) Dongsheng gas field, northern Ordos Basin China. Sci Rep 16, 11818 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39614-0

Mots-clés: gaz des grès compacts, bassin d’Ordos, histoire de l’alimentation en gaz, pression du réservoir, forces capillaires