CA2461521C - Methode et dispositif pour evaluer des parametres physiques d'un gisement souterrain a partir de debris de roche qui y sont preleves - Google Patents

Abstract

- Méthode et dispositif pour évaluer dans le même temps et avec le même appareillage, des paramètres physiques tels que la perméabilité absolue et la porosité, de fragments extraits d'un milieu poreux naturel ou artificiel fragmenté. - On mesure la porosité des fragments au moyen de tests de pression à l'hélium ou tout autre gaz, suivant un protocole connu en soi. L'enceinte qui les contient, est mise en communication avec un réservoir de volume connu également, contenant de l'hélium sous une pression connue. A l'équilibre des pressions, on peut déduire la valeur du volume solide. On mesure également le volume enveloppe de roche et la masse en fragments. En combinant ces mesures, on détermine la porosité des échantillons ainsi que la densité de la roche. On mesure ensuite leur perméabilité en les immergeant dans un liquide et en mettant l'enceinte en communication avec du liquide initialement sous une pression définie contenu dans un accumulateur de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche. Par le biais d'une modélisation de l'évolution du volume de liquide injecté dans l'enceinte, et d'un ajustement itératif, on détermine les valeurs des paramètres physiques. - Applications par exemple à des mesures pétrophysiques à partir de déblais de forage ou de carottes concassées.

Description

i MÉTHODE ET DISPOSITIF' POUR ÉVALUER DES PARAMETRES PHYSIQUES
D'UN GISEMENT SOUTERRAIN A PARTIR DE DÉBRIS DE ROCHE QUI Y
SONT PRÉLEVÉS
l0 La présente invention concerne une méthode et des dispositifs expérimentaux pour évaluer, avec Ie même appareillage et dans le même temps, la porosité et la permêabilité absolue de tout milieu plus ou moins poreux, naturel ou artificiel fragmenté, à partir d'échantillons de roche prélevés dans ce milieu. Il peut s'agir par exemple de roches d'une zone d'un gisement souterrain de fluides {gisement hydrocarbures, aquifère, etc.), ou ëventuellement de roches à très faible perméabilité comme des argiles ou des schistes. Il s'agit par exemple de fragments obtenus Iors d'opérations de forage de puits : déblais de forage ou obtenus par concassage d'échantillons plus gros : carottes ou carottes latérales prélevées dans un puits.
Le contexte pétrolier actuel conduit les opérateurs à s'intéresser à de nouvelles zones 2o {« offshore » profond) mais aussi à de nouveaux types de giseménts (structures marginales situées à proximité d'installations de surface existantes). Compte tenu des coûts de forage liés à l'environnement difficile de ces nouvelles dêcouvertes ou à la taille limitée de certaines structures, les opérateurs ne peuvent plus se permettre de forer des puits d'appréciation complémentaires sans risquer de compromettre la viabilité
économique du projet. La stratégie de développement fixée avant le démarrage de l'exploitation est donc moins stricte de façon à pouvoir s'adapter "en temps réel" à la nature des informations collectées par le forage des puits de production. On parle de développement appréciatif.

2 Les mesures pétrophysiques jouent un rôle clé dans l'appréciation de la qualité d'un réservoir. Néanmoins, les délais associés à ce type de mesures sont souvent très longs et donc incompatibles avec la réactivité nécessaire à la :réussite des développements appréciatifs. De nouveaux moyens d'ëvaluation plus rapides et mains coûteux sont donc recherchés comme support à la prise de décision.
Les dêbris de forage (« cuttings ») remontés par la boue, font depuis longtemps l'objet d'examens sur sites. Ils sont réalisês par les équipes chargés de l'analyse des boues (dites de « Mud Logging ») et servent essentiellement à compléter la description des couches géologiques traversées au cours du forage réalisée à partir de diagraphies.
IO ETAT DE LA TECHNIQJJE
Des trava~ix ont dêjà été réalisés pour essayer d'évaluer des propriétés pétrophysiques à
partir de fragments de forage. On a mesurë par exemple les propriétés acoustiques relativement à des ondes S et P (cisaillement et compression). Différents paramètres ont êgalement été étudiés tels que la dureté et la déformation des fragments de roche ou leur z5 porosité et perméabilité.
Suivant une première méthode connue pour réaliser la me sure de perméabilité, le morceau de roche est préalablement enrobé dans de la résine. On découpe une tranche de faible épaisseur dans la roche enrobée et on la place dans une cellule de mesure.
Elle comporte des moyens pour y injecter un fluide sous pression à débit contxôlé et des moyens de 20 mesure de la perte de charge créée par l'échantillon. Comme la résine est impermëable, la perméabilité absolue est déduite de l'équation de Darcy en tenant compte de la surface réelle occupée par les fragments de roche.
Cette méthode est dëcrite par exemple par Santarelli F.J., et al ; « Formation evaluation from Jogging on cuttings », SPERE, June 25 1998 ; ou - Marsala A.F., et al ; « Transient Method Implemented~ under Unsteady State Conditions for Low and Very Low Permeability Measurements on Cuttings » ; SPEIISRM
n°47202, Trondheim, 8-lO July 1998.

3 Ce type de mesure ne s' obtient qu' en laboratoire après de longues opérations de conditionnement des fragments.
Une autre méthode connue repose sur une mesure RMN (Rêsonance Magnétique Nucléaire) qui est faite directement sur les fragments de forage après un lavage préalable suivi d'une saturation en saumure. Ce type de mesure fournit une valeur directement exploitable de la porosité. La perméabilité K est déterzninêe par l'intermédiaire de corrélations de même nature que celles utilisées dans le cadre des diagraphies RMN.
On trouve une illustration de cette méthode dans le document suivant - Nigh E., et al ; P-K~ : Wellsite Determination of Porosity and Permeability Using lo Drilling Cuttings", CWLS Journal, Vol 13, n°1, Dec 1984.
Par la demande de brevet EP 1 167 948 et les demandes de brevet FR 02102.242 et 03/00.429 du demandeur, on connait plusieurs systèmes pour évaluer des paramètres physiques tels que leur perméabilité absolue de roches poreuses d'une zone d'un gisement souterrain, à partir de fragments de roche prélevês dans cette zone tels que des fragments z5 rocheux remontés dans 1a boue d'un forage. Elle comporte une étape d'immersion de fragments contenus dans une enceinte de confinement dans un fluide visqueux et de mise sous pression de l'enceinte contenant les fragments suivant plusieurs modes de mise en oeuvre de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche:
Suivant un mode de mise en oeuvre, on injecte du fluide sous une pression croissante avec 2o Ie temps, jusqu'à un seuil de pression défini, de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de Ia roche. Cette phase d'injection est suivie d'une phase de relaxation avec arrêt de l'injection. La variation de pression durant ces deux phases successives est enregistrée.
Suivant un autre mode de mise en oeuvre, l'enceinte contexrant les fragments est mise en communication avec un récipient contenant du fluide visqueux sous une pression 25 déterminée. L'étape de mise en communication ëtant. brève, on obtient une rapide augmentation de Ia pression dans l'enceinte et une compression du gaz piégé
dans les pores de la roche suivie d'une période de relaxation aprés isolement de l' enceinte, et l'on mesure l'évolution de la pression dans l'enceinte au cours des deux périodes.
Suivant un autre mode de mise en oeuvre, l'enceinte contenant ies fragments est mise en 3o communication avec un récipient contenant du fluide visqueux sous une pression

4 déterminée et constante de façon à provoquer une augmentation rapide et prolongëe de la pression dans l'enceinte et une compression du gaz piégé dans les pares de la roche, et l'on mesure l'évolution du volume de fluide injecté en fonction du temps.
Quel que soit Ie mode opératoire, l'évolution de la pression ou du volume de fluide injecté
ayant été modélisée à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des fragments, le calculateur les ajuste itérativement pour faire coïncider au mieux Ia courbe de pression ou de volume modélisée avec la courbe de pression ou de volume réellement mesurée.
LA METHODE ET LE DISPOSITIF SELON L'INVEN'TION
zo La méthode selon l'invention a pour objet d'évaluer, avec le même appareillage, des paramètres physiques tels que la perméabilité absolue et la porosité d'un milieu poreux naturel ou artificiel fragmenté, à partir de fragments de roche prélevés dans ce milieu. Elle comporte une étape d'immersion de fragments contenus dans une enceinte de confinement dans un liquide (plus ou moins visqueux) et de mise en communication intermittente de l'enceinte contenant les fragments avec une source de liquide sous pression comprenant un accumulateur contenant un volume élastique de liquide, de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche, une étape de mesure du volume de liquide injecté, une étape de modélisation de l'évolution du volume de liquide injecté à partir de valeurs initiales choisies a priori au moins pour Ia perrnéabilitë et la saturation en gaz résiduelle, et 2o une étape d'ajustement itératif de Ia valeur des paramètres physiques des fragments de roche pour que l'évolution modëlisée du volume injecté s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée du volume injecté dans l'enceinte.
La méthode se distingue en ce que dans l'étape d'immersion dans le liquide des fragments contenus dans l'enceinte de confinement, on mesure Ie volume de liquide injectê par la mesure de la variation concomitante de pression régnant dans le dit accumulateur.
L'étape de modëlisation peut être réalisée à partir de valeurs initiales choisies a priori également pour Ia porosité. Elle peut également comporter une étape prêalable d'introduction des fragments de roche lavës et séchés dans (enceinte de confinement que l'on met d'abord en communication avec un réservoir de gaz sous une pression définie, de 3o manière à déterminer le volume solide des dits fragments, avec une mesure du volume enveloppe et de la masse des fragments pour en déduire la porosité et la densité des fragments de roche. Dans ce cas, I'êtape de modêlisation comprend une modélisation de l'évolution du volume de liquide injecté à partir de valeurs initiales choisies a priori pour Ia perméabilité et la saturation en gaz résiduelle, et également la valeur mesurêe au préalable pour la porosité.

5 Suivant un mode de mise en ouvre, l'étape de mise en communication de l'enceinte avec l'accumulateur est effectuée de façon à provoquer une rapide augmentation de la pression dans l'enceinte et une compression du gaz piégé dans les pores de la roche suivie d'une période de relaxation après isolement de l'enceinte, et elle comporte une mesure l'évolution de Ia pression dans l'enceinte au cours de ces deux phases successives.
On peut charger Ia cellule de confinement par exemple avec des déblais de forage, des fragments de roche obtenus par concassage de carottes prëlevëes dans un puits et notamment de carottes obtenues par carottage latéral d'un puits, avec des fragments de roche envahis de fluides de forage, avec des fragments de roche préalablement nettoyés, etc.
Le dispositif selon l'invention permet d'évaluer des paramètres physiques tels que la perméabilitê absolue et la porosïté d'un milieu poreux naturel ou artificiel fragmenté tel qu'une zone d'un gisement souterrain, â partir de fragments prélevés dans ce milieu, comportant un système de traitement, une enceinte de confinement pour les fragments, un ensemble d'injection d'un liquide dans l'enceinte pour remplir l'enceinte contenant les zo fragments de roche, dans un premier temps, et pour réaliser un cycle comprenant une phase d'injection de liquide dans l'enceinte, cet ensemble comprenant un accumulateur contenant un volume élasrique de liquide et des moyens commandés par le système de traitement pour contrôler la mise en communication de l'accumulateur avec l'enceinte contenant les fragments de roche. Des moyens sont utilisés pour 1a mesure de Ia pression dans l'enceinte.
Le système de traitement est adapté à modéliser l'évolution du volume de liquide injecté à
partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des fragments de roche, et pour ajuster itérativement les valeurs à donner à ces paramètres physiques pour que l'évolution modélisée de Ia grandeur physique s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée de la dite grandeur dans l'enceinte.
3o Le dispositif est caractêrisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des variations de pression dans l'accumulateur et en ce que le système de traitement est adapté
à calculer le Ö
volume de liquide injecté dans l'enceinte provenant de l'accumulateur, à
partir de Ia variation de pression relevée par les mayens de mesure de pression.
Le dispositif comporte par exemple un réservoir de gaz pouvant être mis en communication avec l'enceinte par l'intermédiaire d'une vanne, un appareil de mesure de l'enveloppe de volume ( tel qu'un pycnomètre à poudre par exemple) pour la détem~ination de la porosité des fragments et un moyen de mesure de la masse des fragments.
Le volume élastique de liquide est par exemple délimitê dans l'accumulateur soit par un volume de gaz, auquel cas, la relation est obtenue en appliquant la :Loi des gaz parfaits, soit par une membrane élastique ou tout autre élément mobile, auquel cas la relation est obtenue par calibrage préalable des déformations ou déplacements.
La méthode se révèle satisfaisante pour des roches très variées sur une large gamme de permêabilité et de porosité. Elle se révèle très précise du fait que la mesure du volume de liquide injecté n'est pas obtenue directement comme dans les demandes de brevet prêeïtées mais indirectement par Ia mesure des variations de la pression dans l'accumulateur, ce que l'on sait faire simplement avec une grande précision.
Compte tenu de la faible place occupée par le dispositif, de la facilité de mise en oeuvre mais aussi de la rapidité avec laquelle iI est possible de réaliser les mesures et 1e calage entre les données thëoriques et les donnêes expérimentales, la méthode se prête particulièrement bien aux conditions de chantier. )1 est donc tout à fait possible d'envisager 2o une mesure et une interprétation directement sur site dans un délai très court, sans commune mesure par conséquent avec ceux qui sont nécessaires pour obtenir des résultats équivalents par les méthodes de laboratoire. Cela ouvre des perspectives importantes au niveau de la caractérisation pétrophysique dans Ie domaine pétrolier et hydrologique évaluation de la perméabilité, porosité, densité de roche, ete. puisque l'on peut tïrer partie de cette nouvelle source d'information comme support à. l'interprétation des diagraphies électriques et affiner l'évaluation d'un puits en terme de potentiel de production. Cela ouvre aussi des perspectives importantes au niveau de la caractérisation pétrophysique de tout autre milieu poreux naturel ou artificiel fragmentê.

PRÉSENTATION SOMMAIRE DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemple;s non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins annexés où
- la Fig.l montre schématiquement ie dispositif ;
- Ia Fig.2 montre schématiquement la structure d'un fragments ou particule de roche poreuse dans lequel on modélise les effets de l'injection d'un liquide à forte viscosité
tel que de l'huile ;
les Fig. 3A et 3B montrent une évolution de pression mesurée au cours d'un test avec l'évolution du volume de liquide injecté en fonction du temps correspondante calculée à partir de la loi des gaz parfaits ;
- les Fig.4A à 4C montrent schématiquement les courbes de volume de liquide injecté en fonction du temps obtenues à partir de l'évolution dè pression dans la cellule du dispositif de la Fig.l, pour trois roches différentes;
- la Fig.S montre le bon accord entre les perméabilités obtenues pour plusieurs types de roche, par une méthode classique de mesure sur carottes et par la méthode selon l'invention;
- les Fig.6A à 6C montrent pour les trois roches précédentes, Ia prêcision que l'on obtient dans l'ajustement des courbes de volume injecté modélisées par rapport aux 2o courbes expérimentales;
- la Fig.7 met en évidence le bon accord que l'on obtient entre les valeurs de la porositê
( ~ ou Phis ) des fragments de roche testés et celles ( PI2iS ) que l'on obtient pour des échantillons ou carottes dans le cas où l'on ajuste itérativement à Ia fois les valeurs a priori de la porosité et de la perméabilité ; et ~5 - la Fig. 8 met en évidence le résultat de la détermination de la porosité
des fragments de roche testés, lorsque l'on mesure expérimentalement au préalable la porosité ( Phi ) des fragments.

DESCRIPTION DETAILLEE
Le dispositif tel que schématisé en Fig.l, comporte une cellule de confinement 1 dans laquelle sont inirialement introduits les fragments de forage. Un système d'injection 2 communique par une canalisation 3 avec la base d'un réservoir tampon 4 contenant un liquide plus ou moins visqueux adapté à la perméabilité à mesurer, tel que de l'huile.
L' extrémité opposée du réservoir tampon 4. communique par une vanne V6 avec une ligne Ll. Une première extrémité de la cellule de confinement 1 communique avec la ligne L1 par l'intermédiaire de deux vannes V1, V2. L'extrémité opposée de la cellule de confinement I communique par le biais d'une vanne d'isolement VS avec un séparateur 6.
Un manomètre 7 est connecté à la sortie de la cellule 1. Les variations de pression mesurées par le manomètre 7 sont acquises par un processeur 8 tel qu'un micro-ordinateur.
La vanne V2 est pilotée directement par le processeur 8. La ligne Ll communique également par l'intermédiaire d'une vanne V7 avec un accwmulateur 9 contenant un liquide plus ou moins visqueux, mis sous une pression déterminée par un chapeau de gaz sous pression, une membrane souple ou un élément déplaçable. Un manomètre 10 est connecté
à la sortie de l'accumulateur 9. Les variations de pression qu'il mesure sont acquises également par le processeur 8 On peut aussi utiliser des fragments disponibles après nettoyage d'où tous les fluides ont été préalablement chassés. Dans le cas où l'on charge la cellule de confinement 1 avec des fragments nettoyés, on peut ïnjecter en ouvrant une vanne V4, un gaz tel que de l'hélium par exemple, provenant d'une bouteille 5, de façon à chasser l'air de la cellule.
L'enceinte 1 est reliée également à un réservoir 11 rempli d'hélium et de volume connu par l'intermédiaire des vannes Vi et V3. L'enceinte 1 peut êtrf; mise en communication avec le réservoir 11 initialement à une pression connue par ouverture de V1 ou V3, les vannes V2 et V4 étant fermées.
Le dispositif comporte en outre une balance 12 et un appareil 13 de type pycnomètre à
poudre permettant de mesurer le volume enveloppe des fragments introduits.
I) Mesure de la porosité
La détermination de la porosité comporte une étape d'acquisition de mesures expérimentales de volume enveloppe Ve des fragments introduits, du volume solide Vs de roche introduit et de la masse nie de roche introduite, et une êtape de calcul de la porosité
et de la densité de roche.
a) Acquisition des mesures - Les fragments secs et nettoyés sont préalablement pesés sur la balance 12 et leur volume enveloppe est mesuré au moyen de I'appareü 13. Les fragments sont ensuite introduits dans l'enceinte de confinement 1 qui est mise sous atmosphère gazeuse (d'hélium par exemple) par mise en communication avec le réservoir S de manière à
chasser l'air. L'enceinte 1 est ensuite reliée au réservoir I1 rempli d'hélium et de volume connu par ouverture des vannes V I et V3, les vannes V2 et V4 étant fermées.
La pression d'équilibre permet de déduire Ia valeur du volume solide de Ia roche à partir des pressions initiales dans l'enceinte 1 et 1e réservoir lI et de leurs volumes. Toutes ces mesures permettent de déterminer la porosité des échantillons. La densité de la roche est aussi obtenue par mesure de la masse des fragments introduits.
Le volume enveloppe Ve est obtenu au moyen d'un pycnomètre à poudre suivant une i5 technique bien connue des spécialistes.
Soient P1 Ia pression initiale dans I, Ph 1a pression la pression initiale dans le réservoir 11, Pe la pression d'équilibre après Ia mise en communication, U1 le volume de l'enceinte I, Vh le volume du réservoir 11 et mc Ia masse des fragments. utilisés.
Vs, tp et d désignent respectivement le volume solide, la porosité et la densité de roche.
(Ph - Pe) ~o on a, Ys-U1-Vh (Pe-P1) ~- Ve-Vs Ve d roche = mc Ve La Fig. 11 montre que l'on obtient une très bonne estimation de la porosité
des roches testées.

II) Estimation de la perméabilitê
L'estimation de la perméabilité absolue comporte essentiellement trois étapes 1) une étape d'acquisition de mesures expérimentales dca variations de pression (ou d'évolution de volume injecté) à partir des fragments de forage, donnant lieu à des courbes 5 expérimentales ;
2) une étape de modélisation des phénomènes physiques intervenant au sein des fragments de forage durant le même cycle opératoire, pour des valeurs arbitraires de paramètres physiques recherchés (perméabilité K et porosité ~) intervenant dans le modèle, permettant d'établir des courbes théoriques analogues ; et 10 3) une étape d'ajustement ou de calage où l'on détermine les voletas à
donner aux paramètres physiques intervenant dans le modèle pour que les courbes expérimentales et théorique s'ajustent au mieux.
1) Acquisition des mesures On remplit la cellule I avec un liquide plus ou moins visqueux (avec une viscosité adaptée 15 à la perméabilité à mesurer : de l'huile par exemple, du glycérol, de i'eau, toute solution acqueuse, visqueuse, etc., ou par l'intermédiaire du système d'injection. Le liquide occupe l'espace libre entre les fragments de forage et elle pénètre aussi par imbibition spontanée â
l'intérieur de la roche. Il se produit un dégazage dont l'intensité et la durée dépend de Ia nature de la roche (principalement la porosité). Ce dégazage n'affecte qu'une partie du gaz.
2o Un certain volume résiduel reste piégë dans les fragments de forage sous forme d'amas déconnectës.
La procédure consiste essentiellement à mettre la cellule 1 contenant les fragments de roche C en communication avec l' accumulateur 9 contenant du liquide sous pression (Pini) en ouvrant la vanne V2 pilotée par le processeur de contrôle 8.
Initialement, la vanne est fermée. Du côté de l'accumulateur 9, la pression est égale à Pini tandis que du côté de la cellule 1, la pression est ëgale à la pression ambiante. La vanne V2 pilotée par le processeur 8 est alors ouverte durant quelques dixièmes de seconde pour augmenter rapidement Ia pression de la cellule 1 jusqu'à. Pmax. L'élasticité
du volume de l'accumulateur 9, obtenue par le biais d'un chapeau de gaz, d'une membrane souple se déformant sous l'effet d'un changement de pression ou d'un élément mobile, est préalablement calibrée de manière à ce que l'on mesure une diminution de la pression de quelques bars dans l'accumulateur 9 au cours du test. Ce changement de pression permet alors de calculer facilement l'évolution du volume de liquide injecté depuis l'accumulateur s 9 dans la cellule 1 à partir de la loi des gaz parfaits (si on utilise un chapeau de gaz) ou à
partir de d'une courbe d'étalonnage (si on utilise une membrane souple ou un élément déplaçable).
Par rapport aux procédures détaillées dans les demandes de brevet précitées, cette approche permet de simplifier le dëroulement de l'expérience (pas de débitmètre ou de capteur 1o différentiel à intercaler comme précédemment sur la ligne LI reliant l'accumulateur à la cellule, pour mesurer le volume injecté) tout en gardant un bon contrôle du volume injecté
ce qui facilite l'acquisition des mesures et l'interprêtation des résultats avec Ie simulateur.
D'autre part, l'élimination d'un débitmètre ou d'un capteur différentiel pour mesurer le volume injecté permet 15 - de miniaturiser fortement les dimensions de l'appareil de mesure si bien qu'il est possible de conduire une mesure avec seulement 1 em3 de fragment ;
de raccourcir les lignes de liaison entre l'accumulateur ~ et la cellule 1 ce qui raccourcit le temps de rx>ise sous pression de Ia cellule contenant les fragments et améliore la sensibilité de l'appareil. Il est ainsi possible de tester des roches ayant un 20 diamètre moyen de l'ordre de I mm poux des perméabilités allant jusqu'à
quelques centaines de milliDarcy;
- de mesurer des variations de volume injecté très faibles (inférieures à 0.03 cm3 de liquide injectë cumulé) ce qui était difficilement réalisable avec un dëbitmètre ou un capteur différentiel ;
25 - d'opérer l'appareil de mesure avec des liquides de viscosités variées sans avoir à
adapter 1e système de mesure du volume injecté ce qui augmente grandement Ia souplesse de l'appareil.
Les figures 3A à 3C montrent des exemples de courbes de volume injecté en fonction du temps pour trois roches différentes. On observe des variations significatives des courbes de 3o remplissage suivant la nature des roches testées. Plus la perméabilité des roches est faible sz et pius on observe une cinétique de remplissage lente (plus de 80 secondes pour la roche la moins perméable représentêe, Fig. 4A, et moins de 2 secondes pour la roche la plus perméable représentée, Fig. 4C).
Le but des deux ëtapes suivantes est d'obtenir à partir des mesures de pression ou du S volume de liquide injecté, une estimation de la seule perméabilité K (si l'on a mesuré au préalable la porosité comme on l'a vu plus haut) ou une estimation conjointe de la permêabilité K et de la porosité ( ~ ) 2) Modélisation On considère que les fragments de forage sont de taille homogène et de forme sphérique et que le gaz est supposé parfait. La perte de charge visqueuse du gaz est négligëe par rapport à celle du liquide compte tenu de l'écart entra les viscosités. Le gaz rêsiduel piégê dans les fragments de roche après l'imbibition spontanée du liquide, se présente sous forme d'amas déconnectés répartis de manière homogène. On considère aussi que la pression capillaire est négligeable.
~5 Compte tenu de la forme sphërique des fragments, on va raisonner sur une calotte d'épaisseur dr (Fig.2). et calculer l'évolution de la pression. à la frontière de la particule de roche lorsqu'un débit de liquide q est injecté.
On considère que les N particules de roche se partagent 1e dëbit total Q du liquide injecté
de manière équitable, et que chacune reçoit le débit q =-~~-. La Ioi des gaz parfaits permet l1l de déduire la saturation locale en gaz Sg dès lors qu'on connaît la pression P
: Sb = S~° P°
P
(Po est la pression du liquide). Dans la calotte, on fait un bilan matière sur le liquide.
L'accumulation est égale à la différence entre ce qui rentre et ce qui sort.
De là, on déduit ~rvva+~aa° =o Comme So = (1- S ) _ (1- S P
xo p ) , on en déduit que aSa - âSo _âP _ Po âP
-ôt ôP ât - S~° PZ 3t a3 _ K
Comme par ailleur s, v~ - - ~n ~YâdPa (K désigne la permêabilité et ,uo Ie viscosité du liquide) et que la pression capillaire peut être considërëe comme négligeable ce qui fait donc que Po = Pg~ = P, l'équation précëdente s'écrit _K Po _aP _ - ,uo ~P + t~SRO pz ôt ~ 0 , _ uo~~o Po _aP
Il en résulte que ~ ~ K pz at On obtient donc la forme classique d'une équation de type diffusion avec toutefois un terme en llP2 facteur de l'accumulation qui provient de Ia nature compressible du gaz.
a a 2 _aP
En coordonnêes sphériques, le LapLacien est êgal à YZ âY r ar . Finalement, l'équation à résoudre s'êcrit lo a rz aP _ a rZ aP
ar ar p2 at (a) _ ~~~go~'o avec a - K (2) LOrS de sa mise en place, le liquide chasse l'air dans l'espace libre entre les fragments de forage et pénètre dans la roche par imbibition spontanée. Malgré certaines prëcautions, il est possible qu'il reste un certain volume de gaz retenu à L'extérieur du fait de la forme non 15 régulière des fragments de forage, Ce volume piégé (V~,) joue un rôle direct sur La forme générale de la réponse en pression et doit être pris en compte dans la résolution.
Il faut tenir compte également d'une certaine compressibilité due au dispositif expërimental. Elle provient aussi bien de la cellule, des lignes que des propriétés du liquide. La compressibilité équivalente observée est de l'ordre de 0.0005 bar 1 (50 Pa).
2o Comma Ie liquide utilisé est saturë en gaz à pression atmosphérique, des phénomènes de dissolution se produisent lorsque la pression augmente au cours de la mesure.
Ces aspects sont pris en compte en introduisant un paramètre de diffusion traduisant les échanges de molécules au niveau des interfaces gazlliquide.

L'équation de diffusion est résolue par la méthode des différences finies avec un schéma explicite et en s'imposant les conditions aux limites en temps P{r,0)=Pacm et en espace P{R~t)=Pexc et âr {0~ t) = 0 .
Dans le cadre de Ia procédure expérimentale détaillée prêcêdemment, on mesuxe directement l'évolution de la pression dans l'enceinte contenant les fragments, c'est à dire Pext. Il est ainsi possible de résoudre directement l'équation régissant L'évolution de Ia pression dans la roche de manière explicite. L'évolution du volume de liquide injecté
simulé en fonction de temps se calcule alors par différence entre le volume de gaz initialement présent dans la roche {à Patm) et le volume occupé par le gaz à
un instant t au cours du test (pendant la phase de compression).
3) Ajustement du modèle aux résultats expérimentaux Le modèle est implémenté dans un calculateur tel que l'ordinateur 8 (cf.
Fig.1) sous la forme d'un logiciel et inséré dans une boucle d'optimisation itérative. On fait "tourner" le modèle avec des valeurs de permêabilité K et de saturatïon en gaz résiduelle choisies a ls priori, en imposant pour la porosité ( ~ ) la valeur trouvée expérimentalement, et on compare la courbe de volume injecté simulée qui en résulte avec la courbe expérimentale et par itérations successives en changeant les valeurs de K et de saturation résiduelle en gaz dans le modèle. On trouve celles qui permettent d'ajuster au mieux les courbes théorique et expérimentale suivant une mëthode d'optimisation classique de type Newton ou gradients.
2o Dans le cas où l'on n'a pas procédé au préalable à la mesure expêrimentale de la porosité
(~), on fait "tourner" Ie modèle avec des valeurs de perméabilité K, de saturation en gaz résiduelle, et de porosité choisies a priori et on compare la courbe de volume injecté
simulée qui en résulte avec la courbe expérimentale et par itérations successives en changeant les valeurs de K, de la porosité ~k et de saturation résiduelle en gaz dans 1e ?5 modèle. La figure 11 montre que l'on obtient une estimation satisfaisante de la poxosité des roches testées.
Quand on connaît la valeur de la porosité obtenue par mesure préalable, il n'y a que la seule valeur K de la perméabilité à ajuster dans l'étape de modélisation. La modélisation est de ce fait plus rapide. Elle est aussi plus précise, comme le montre très clairement la figure 30 12.

Les figures 6A à 6C montxent la comparaison obtenue par itérations successives entre les courbes théoriques et expérimentales pour trois types de roche testées. Dans tous Ies cas, on note un très bon accord entre les simulations et les résultats expérimentaux. Les résultats obtenus par application de la méthode sont tout à fait comparables avec ceux obtenus en laboratoire après de longs délais de conditionnement par des méthodes classiques pour plusieurs roches de perméabilités différentes comme le montrent la Fig 5.
La programmation de cette modêlisation au sein d'un code, permet de caler les expériences à l'aide d'une boucle d'optimisation ce qui permet de déduire rapidement la valeur de K
correspondante.

Claims (16)

1. Méthode pour évaluer avec un même appareillage des paramètres physiques consistant en la perméabilité absolue et la porosité d'un milieu poreux naturel ou artificiel fragmenté à partir de fragments de roche (F) prélevés dans ce milieu, comportant une étape d'immersion de fragments contenus dans une enceinte de confinement dans un liquide et de mise en communication intermittente de l'enceinte contenant les fragments avec une source de liquide sous pression comprenant un accumulateur contenant un volume élastique de liquide, de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche, une étape de mesure du volume de liquide injecté, une étape de modélisation de l'évolution du volume de liquide injecté à partir de valeurs initiales choisies a priori au moins pour la perméabilité et la saturation en gaz résiduelle, et une étape d'ajustement itératif de la valeur des paramètres physiques des fragments de roche pour que l'évolution modélisée du volume injecté s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée du volume injecté dans l'enceinte, caractérisée en ce que:
- dans l'étape d'immersion dans le liquide des fragments contenus dans l'enceinte de confinement, on mesure le volume de liquide injecté par la mesure de la variation concomitante de pression régnant dans le dit accumulateur.

2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle l'étape de modélisation est réalisée à partir de valeurs initiales choisies a priori également pour la porosité (.PHI.).

3. Méthode selon la revendication 1, comportant une étape préalable d'introduction des fragments de roche lavés et séchés dans l'enceinte de confinement que l'on met d'abord en communication avec un réservoir de gaz sous une pression définie, de manière à déterminer le volume solide des dits fragments, on mesure le volume enveloppe et la masse des fragments et on en déduit la porosité (.PHI.) et la densité des fragments de roche, l'étape de modélisation, comprenant une modélisation de l'évolution du volume de liquide injecté à
partir de valeurs initiales choisies a priori pour la perméabilité (K) et la saturation en gaz résiduelle, et la valeur mesurée pour la porosité (.PHI.).

4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'étape de mise en communication de l'enceinte avec l'accumulateur est effectuée de façon à provoquer dans une première période une rapide augmentation de la pression dans l'enceinte et une compression du gaz piégé dans les pores de la roche, suivie d'une période de relaxation après isolement de l'enceinte, et comporte une mesure l'évolution de la pression dans l'enceinte au cours des deux périodes.

5. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle on charge la cellule de confinement avec des déblais de forage.

6. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle on charge la cellule de confinement avec des fragments de roche obtenus par concassage de carottes prélevées dans un puits.

7. Méthode selon la revendication 6, dans laquelle les carottes sont obtenues par carottage latéral d'un puits.

8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle on charge la cellule de confinement avec des fragments de roche envahis de fluides de forage.

9. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle on charge la cellule de confinement avec des fragments de roche préalablement nettoyés.

10. Dispositif pour évaluer des paramètres physiques consistant en la perméabilité absolue et la porosité d'un milieu poreux naturel ou artificiel fragmenté
à partir de fragments (F) prélevés dans ce milieu, comportant un système de traitement, une enceinte de confinement pour les fragments, un ensemble d'injection d'un liquide dans l'enceinte pour remplir l'enceinte contenant les fragments de roche, dans un premier temps, et pour réaliser un cycle comprenant une phase d'injection de liquide dans l'enceinte, cet ensemble comprenant un accumulateur contenant un volume élastique de liquide et des moyens (V2) commandés par le système de traitement pour contrôler la mise en communication de l'accumulateur avec l'enceinte contenant les fragments de roche, des moyens pour la mesure de la pression dans l'enceinte, le système de traitement étant adapté à modéliser l'évolution du volume de liquide injecté à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des fragments de roche, et pour ajuster itérativement les valeurs à donner à ces paramètres physiques pour que l'évolution modélisée de la grandeur physique s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée de la dite grandeur dans l'enceinte, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des variations de pression dans l'accumulateur et en ce que le système de traitement est adapté à calculer le volume de liquide injecté dans l'enceinte provenant de l'accumulateur, à partir de la variation de pression relevée par les moyens de mesure de pression.

11. Dispositif selon la revendication 10, comportant un réservoir de gaz pouvant être mis en communication avec l'enceinte par l'intermédiaire d'une vanne (V3), un appareil (13) de mesure de l'enveloppe de volume pour la détermination de la porosité des fragments et un moyen de mesure de la masse des fragments.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer le volume enveloppe des fragments à tester comportent un pycnomètre à
poudre.

13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le volume élastique de liquide est délimité dans le dit accumulateur par un volume de gaz, la dite relation étant obtenue en appliquant la loi des gaz parfaits.

14. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le volume élastique de liquide est délimité dans ledit accumulateur par une membrane élastique ou un élément mobile, ladite relation étant obtenue par calibrage préalable des déformations ou des déplacements.

15. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le milieux poreux est une zone de gisement souterrain.

16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans lequel le milieux poreux est une zone de gisement souterrain.