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7/24/2019 Petro Physique

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TUDE DES ROCHES RSERVOIRS

ET DE LEUR CONTENU

Au cours du forage d'un puits, il est trs important de connatre les caractristiques des

couches traverses susceptibles d'tre productrices. Dans cette intention, on procde

gnralement un carottage mcanique qui permet d'extraire des chantillons de roches qu'on

analyse en laboratoire. Les mesures effectues ont pour but de dterminer la porosit, la

permabilit et les saturations en fluides de la roche ainsi que les limites des zones

intressantes. Les diagraphies diffres donnant des informations en continu reprsentent

l'autre outil fondamental cet gard.

Les roches rservoirs sont essentiellement des grs (ou sables) et des carbonates: calcaires etdolomies.

2.1 Porosit()

Une roche sdimentaire est constitue de particules solides agglomres ou cimentes entre

lesquelles existent des espaces, appels "pores" ou parois "vides", constituant des canaux

microscopiques (diamtre de l!ordre de quelques diximes de micron par exemple).

oit un chantillon de roche de volume total #$comprenant un volume solide #%

(#$& #) reprsente le volume occup par les luides, c!est&'&dire le volume de pore #p. a

porosit s!exprime par le rapport :

total

solidetotal

total

pores

V

VV

V

V )( ==

n s!intresse particulirement ' la porosit utile (igure ), c!est&'&dire celle qui ne tient

compte que des pores qui communiquent entre eux et avec l!extrieur. Les roches rservoirs

ont des porosits trs variables, gnralement comprises entre *+ et + .

Les valeurs de porosit sont obtenues par des mesures sur carottes, et par les diagraphies.

FIG. 3Milieu poreux


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Pores communicants entres eux (bleu)


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-ores occupes par

les argiles (aolinite)


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Ciment divers occupants lespace poreux (remarquer la fissuration naturelle)


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2.3 Saturations (S)

/l est essentiel de conna0tre la nature des luides qui occupent les pores de la roche. La

saturation d!un chantillon de roche en un luide est le rapport du volume de ce luide dans

l!chantillon au volume de pore #p de l!chantillon.

n dinit ainsi :

1 la saturation en eau ee

p

#"

#= (= Sw (water))

1 la saturation en huileh

hp

##

= (= So (oil))

1 la saturation en gazg

gp

#

#= (= Sg (gas))

avec e2 h2 g3 *

EAU

HUILE


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Lors de la migration des h4drocarbures le dplacement de l!eau sus5acente n!a 5amais t

complte. 6n eet, la permabilit ' un luide devient nulle quand la saturation en ce luide

devient trop aible : ce seuil est appel la saturation irrductible (pour le luide considr). 6n

consquence, il 4 aura tou5ours de l!eau dans un gisement., appele eau interstitielle. 7eci est

la consquence des phnomnes capillaires lis ' l!exigu8t des pores : l!eau est un luide

"mouillant" qui s!tale sur les suraces solides et va rester pige dans les pores les plus petits.Les valeurs courantes de la saturation en eau interstitielle sont de : *+ 9 i9 ; .

Les mesures des saturations proviennent essentiellement des diagraphies.

$4pes de milieu permable et porosit

.eps

?emarquons que si les lois gnrales de l!h4draulique ne s!appliquent qu!' des milieux

continus isotropes et homognes, on les applique galement, en premire approximation, aux

milieux naturels m@me issurs en prenant cependant soin de travailler ' des chelles

adquates.La porosit des ormations aquires

Un milieu permable sera un aquire avorable si en plus d!une permabilit leve, il

contient une quantit d!eau apprciable dans les vides situs en son sein. n distingue deux

milieux poreux aux caractristiques bien direntes : le milieu ' porosit d!interstices et le

milieu ' porosit de issuration.

-orosit des roches ' porosit d!interstices

La porosit exprime la quantit de vide dans une roche. n peut la considrer ' partir des

phases solide et liquide. -hase solide. 7aractres ptroph4siques: Arandeur et orme des

grains. pectre granulomtrique. -hase liquide (les vides). Bombre, orme et dimension des

pores et de leur interconnections. $4pe de porosit, volume d!emmagasinement, permabilit.

6n h4drogologie, on considre principalement la porosit eicace ou cinmatique, plutCt quela porosit totale. n exprime la porosit par le rapport des volumes, volume des

videsDvolume de la roche, exprime en . -orosit eicace : rapport du volume d!eau mobile

' saturation, libr sous l!eet d!un drainage complet, au volume total de la roche. n parle

galement de porosit eective. #aleurs de + ' +. -orosit cinmatique: rapport entre la

vitesse de iltration de Earc4, soit le dbit spciique, et la vitesse linaire mo4enne de

dplacement de l!eau (vitesse des traceurs): . 6n ait il s!agit de la teneur en eau mobile ou du

rapport entre le volume des vides, rellement parcourus par l!eau en mouvement, au volume

total (satur ou non satur). #aleurs de + ' =;. Aranulomtrie du milieu poreux meuble:

l!tude granulomtrique est importante pour caractriser la nature d!une ormation meuble et

surtout pour dimensionner l!quipement des puits et des orages. n dtermine la distribution

pondrale des dimensions des grains par l!opration de tamisage. n pourra ensuitedirencier les granulomtries uniormes des granulomtries varies par le coeicient de


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FaGen ( ). i H =.;, la granulomtrie est varie. La igure =I illustre la courbe classique d!un

sable. ig=I.eps La relation entre granulomtrie, texture et porosit est complexe% elle est

inluence par:

la orme des grains (arrondi et sphricit)

la surace spciique des grains (augmentation avec la diminution relative du diamtre des

grains)la compaction de l!assemblage (les structures des boulis et des dpCts deltaiques ont

gnralement une bonne porosit)

l!importance de U (avec une granulomtrie varie, les particules ines se placent entre les

particules plus grosses)

7ette relation complexe est illustre par la igure =J. ig=J.eps ig+.eps

-orosit des roches consolides

Eans ces roches, les vides sont constitus par des 5oints de stratiication, des issures ou des

ractures interconnectes (rsultant des contraintes). Le plus souvent ces issures ne sont pas

ouvertes, mais sont obstrues par la recristallisation ou le colmatage. 6n gnral,

l!h4drogologue s!intresse plus particulirement aux ractures ouvertes, ou plutCt auxamilles de ractures ouvertes, igure +. n prend galement en considration les

microissures (ouverture de l!ordre du mm): diaclases, micro5oints de stratiication, plan de

schistosit. Eans ce cas, le milieu est considr comme continu et le rCle h4drod4namique de

ces ouvertures est proche de celui des pores en milieu poreux. /* existe parois des roches

consolides ' porosit combine ou ' double porosit. Les calcaires oolithiques ou les grs

peuvent en eet @tre simultanment ' porosit de microissure ou de matrice. 6n milieu

calcaire, les ractures sont souvent largies par la dissolution des calcaires, voir m@me

transormes en cavit. 6n proondeur cependant, la porosit reste aible, de l!ordre du .


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peuvent avoir une porosit comprise entre *+ et *; , tandis que les grs non consolids

peuvent avoir, quant ' eux, une porosit de + ou plus. 6nin, les schistes et les argiles

peuvent prsenter une porosit leve (R+ ), mais leurs pores sont souvent si petits que la

roche en devient impermable. La porosit eicace est une mesure trs importante qui permet

de dterminer le volume de pores communicants dans une roche qui contribue ' l!coulement

des luides dans un rservoir.

La saturation en eau peut aider ' dterminer la prsence potentielle dPh4drocarbures dans une

ormation rocheuse ainsi que le volume d!h4drocarbures existant dans un rservoir donn, et

ournit donc une estimation des rserves.

La permabilit mesure la capacit dPune roche ' laisser s!couler des luides. -our @tre

considre comme permable, une roche doit avoir des pores communicants ou des issures.

n peut donc dire quPil existe une relation d!ordre gnral entre la porosit et la permabilit.

LPtude des gisements ptroliers requiert la connaissance de tous ces lments et de bien

dPautres proprits importantes des rservoirs, regroups en une discipline la ptro ph4sique O

Les acteurs qui aectent la porosit des roches sont trs nombreux, tout comme sont

nombreux les t4pes de roches poreuses qui existent sur terre. Les roches poreuses sont d!une

trs grande utilit pour nos activits humaines. /l est donc important pour les industries qui les

utilisent de conna0tre la porosit des roches, puisque celle&ci inluence leur comportement, par

exemple lorsqu!elles sont utilises comme pierre de construction, agrgat (utilis notamment

pour les routes) ou plateau. La porosit rev@t galement un caractre important pour la

recherche de nappes souterraines ou de vapeur gothermique. Les socits d!exploration et de

production de ptrole et de gaG sont aussi trs intresses par la porosit des roches rservoirs

dPh4drocarbures potentielles.

La ma5eure partie des rserves mondiales de ptrole et de gaG se trouve dans les grs. Eans

certains pa4s, les roches telles que le calcaire, les dolomies et les roches ignes issures

peuvent galement avoir une porosit qui avorise lPaccumulation et la production de ptrole

etDou de gaG.

Eans le cas des grs, lPorigine, les caractristiques et les changements de la porosit sont plus

simples ' comprendre et ' dinir que pour les autres t4pes de roches. 7ependant, m@mes pour

les grs, plusieurs acteurs aectent la porosit des roches. 7es acteurs sont, entre autres, la

nature et les caractristiques du sable et dPautres sdiments qui sPaccumulent 5usqu!' devenir

(aprs enouissement et tassement) une roche rservoir de ptrole. La taille des grains de sableimpacte peu sur la porosit, contrairement ' leur uniormit ou ' leur rpartition

granulomtrique. Un sable uniorme ou bien rparti aura, en eet, tendance ' @tre beaucoup

plus poreux quPun sable avec des grains mal rpartis. Les petits grains de limon ou dPargile

contenus dans le sable sont particulirement nastes pour la porosit car ils remplissent les

espaces qui pourraient sinon @tre des pores. Les processus de dpCt impliqus dans

l!accumulation du sable aectent galement le degr de porosit, l!paisseur du dpCt ou de la

couche de sable et, donc, la porosit globale de la ormation rocheuse.

-endant les processus de tassement et dPenouissement, le poids des sdiments sus&5acents (et

plus tard de la roche) peut modiier lPaccumulation du sable. Su dbut, ces modiications se

maniestent gnralement par une perte de porosit due ' la compaction et, plus tard, par unenouvelle perte, cette ois&ci due aux processus de minralisation ou de cmentation.


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Les modiications ultrieures survenant pendant la phase dPenouissement peuvent se rvler

trs complexes, comme dans le cas des transormations minrales qui entra0nent des

changements de volume, le lessivage (dissolution) des grains et la prcipitation de minraux '

lPintrieur des espaces poreux et ' la surace des grains de sable. i lPaccumulation de sable

est enouie ' des centaines de mtres de proondeur, certains grains peuvent @tre concasssetDou subir une dormation plastique par l!eet du poids du dblai et de la stabilit ph4sique

des grains de sable.

La nature des luides qui s!coulent ' travers les pores entre les grains de sable, de m@me que

la composition et la stabilit chimique des grains dterminent souvent les modiications des

pores et de la porosit globale. i le dpCt sableux se scelle et ne laisse plus s!couler lPeau '

travers, la porosit peut alors @tre prserve plus longtemps et permettre la pntration

prcoce de ptrole et de gaG ' lPintrieur des pores, car cela retarde les ractions chimiques et

la minralisation ou cmentation des grains.

?oches poreuses

La roche qui prsente la plus grande porosit uniorme est la pierre ponce, une roche

volcanique vitreuse qui ressemble ' de la mousse, remplie de bulles de gaG chaud. 7ette roche

reroidit trs vite, transormant les bulles en pores. 6tant donn que les pores sont

gnralement trs nombreux, la pierre ponce est trs lgre et lotte sur l!eau.

-ierre ponce

La plupart des pores sont minuscules et non relis les uns aux autres. -ar consquent, le

ptrole, l!eau ou le gaG ne peuvent pas circuler ' travers.

La partie vitreuse solide de la pierre ponce est trs dure, c!est pourquoi elle est beaucoup

utilise pour le soin du corps, pour gommer la salet ou les peaux mortes persistantes. Tro4e

' l!tat de poudre, la pierre ponce est galement utilise pour le netto4age industriel.


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Lors de la mise en production d!un rservoir ptrolier, la chute de la pression de pore est '

l!origine d!une augmentation de la contrainte eective qui rgne dans le rservoir. 7e

chargement entra0ne une dormation de la roche rservoir, et par consquent, une rduction

de sa porosit et sa permabilit. La dormation de la roche peut se maniester 5usqu!' la

surace et provoquer des aaissements de terrains (subsidence). Le premier ob5ecti de ce

travail est de quantiier, ' partir des essais de laboratoire, l!eet de la dpressurisation sur lapermabilit d!un grs de rservoir. Eeux acis ont t tests. 7ette srie de mesures a permis

de dterminer les proprits poro&lastiques de la roche ainsi que l!volution de la

permabilit en onction du chargement. Eans un second temps, les rsultats des dirents

essais ont t exploits pour identiier une loi d!volution de la permabilit en onction de la

dormation. Eeux approches sont proposes. La premire loi, dduite ' partir de la relation

de oGen4&7armann, ournit un rsultat satisaisant mais elle ne permet pas (telle que nous

l!avons appliqu) d!estimer la variation de la permabilit pour tout l!historique de la

dpltion. La seconde approche ait intervenir un modle dit VpuissanceW qui lie la variation

de la permabilit ' la variation de la porosit. 7e modle s!applique de manire asseG

satisaisante et permet d!estimer la variation de la permabilit pour toute la plage de ladpltion. Sinsi, nous avons montr que la variation de la permabilit peut @tre lie (dans le

cas d!une roche homogne et isotrope) ' la diminution de la porosit (ou ' la dormation).

Sin de quantiier l!eet de la dpressurisation sur les dormations du

-ores issus dPun ciment quartG qui succde ' la aolinite

rservoir et des roches de couverture, une srie de calculs par la mthode des lments inis a

t ralise. La premire simulation (purement mcanique) a permis de calculer la compaction

et la subsidence induites par la mise en production d!un rservoir F-&F$ (haute pression,

haute temprature). La seconde simulation (couplage h4dromcanique) a montr l!impact de

l!volution de la permabilit sur l!historique des pressions dans un rservoir. Sinsi, nous

avons conclu que la variation de la permabilit doit @tre prise en compte (pour les

simulations des proils de production) et ne peut @tre nglige

Lors de la mise en production d!un rservoir ptrolier, la chute de la pression de pore est '

l!origine d!une augmentation de la contrainte eective qui rgne dans le rservoir. 7e

chargement entra0ne une dormation de la roche rservoir, et par consquent, une rductionde sa porosit et sa permabilit. La dormation de la roche peut se maniester 5usqu!' la


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surace et provoquer des aaissements de terrains (subsidence). Le premier ob5ecti de ce

travail est de quantiier, ' partir des essais de laboratoire, l!eet de la dpressurisation sur la

permabilit d!un grs de rservoir. Eeux acis ont t tests. 7ette srie de mesures a permis

de dterminer les proprits poro&lastiques de la roche ainsi que l!volution de la

permabilit en onction du chargement. Eans un second temps, les rsultats des dirents

essais ont t exploits pour identiier une loi d!volution de la permabilit en onction de ladormation. Eeux approches sont proposes. La premire loi, dduite ' partir de la relation

de oGen4&7armann, ournit un rsultat satisaisant mais elle ne permet pas (telle que nous

l!avons appliqu) d!estimer la variation de la permabilit pour tout l!historique de la

dpltion. La seconde approche ait intervenir un modle dit VpuissanceW qui lie la variation

de la permabilit ' la variation de la porosit. 7e modle s!applique de manire asseG

satisaisante et permet d!estimer la variation de la permabilit pour toute la plage de la

dpltion. Sinsi, nous avons montr que la variation de la permabilit peut @tre lie (dans le

cas d!une roche homogne et isotrope) ' la diminution de la porosit (ou ' la dormation).

Sin de quantiier l!eet de la dpressurisation sur les dormations du rservoir et des roches

de couverture, une srie de calculs par la mthode des lments inis a t ralise. La

premire simulation (purement mcanique) a permis de calculer la compaction et lasubsidence induites par la mise en production d!un rservoir F-&F$ (haute pression, haute

temprature). La seconde simulation (couplage h4dromcanique) a montr l!impact de

l!volution de la permabilit sur l!historique des pressions dans un rservoir. Sinsi, nous

avons conclu que la variation de la permabilit doit @tre prise en compte (pour les

simulations des proils de production) et ne peut @tre nglige

-our que les luides (lPeau, mais aussi le ptrole et le gaG) puissent circuler dans une roche, la

porosit ne suit pas, les vides entre les grains doivent aussi rester connects entre eux. 7ette

capacit de connexion sPappelle la permabilit.

7/). La pression&dissolution est un processus de dissolution suite ' une augmentation de la

pression aux points de contact entre les grains. 7!est ce processus qui est responsable du

dveloppement de structures comme les st4lolithes (dans les calcaires purs) et de "5oints de

pression&dissolution" dans les calcaires plus riches en insolubles (par concentration

d!insolubles le long de la surace de dissolution prrentielle). 7e processus peut conduire '

la naissance de st4locumulats et de calcaires noduleux (Yig. #/.I).


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-ermabilit ()

?sum

7!est le paramtre cl pour le production. La permabilit d!un milieu poreux correspond '

son aptitude ' se laisser traverser par un luide (liquide ou gaG) sous l!eet d!un gradient de

pression. Les ptroliers mesurent la permabilit en darc4s (d!aprs Fenri Earc4, *I;Z). Un

darc4 correspond ' la permabilit d!un corps assimil ' un milieu continu et isotrope au

travers duquel un luide homogne de viscosit gale ' celle de l!eau ' =+[7 (une centipoise)s!4 dplace ' la vitesse de * cmDs sous l!inluence d!un gradient de pression de * atmDcm.

dl.

d-." xN

=

(loi de Earc4 pour un liquide en coulement linaire et en rgime permanent)

avec N mesur dans les conditions de l!coulement.

n utilise en pratique le milliEarc4 (mE) comme unit de mesure, les gisements exploits

a4ant gnralement une permabilit de =+ ' ++ mE.


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Le Earc4 est la permabilit d!un milieu qui laisse passer * cmpar seconde d!un luide dont

la viscosit est de * centipoise (viscosit de l!eau ' =+ [7) sous l!eet d!un gradient de

pression d!une atmosphre par centimtre ' travers une surace de * cm=.

* Earc4 *+&*=m= * milliEarc4 3 *+&Earc4

S noter que la permabilit a les dimensions d!une surace.La permabilit d!une roche varie avec la direction considre et l!on peut distinguer les

permabilits horiGontale, verticale, parallle au pendage et perpendiculaire ' celui&ci.

Les valeurs des permabilits sont obtenues par mesures sur carottes, et aussi ' partir des

essais de puits.

* Earc4 3 +,J>.*+&*= m=.

Einitions

La permabilit est une caractristique ph4sique qui reprsente la acilit quPa un matriau '

permettre le transert de luide au travers dPun rseau connect. La Loi de Earc4 permet derelier un dbit ' un gradient de pression appliqu au luide grce ' un paramtre

caractristique du milieu travers : la permabilit .

La loi de Earc4 (Fenr4 Earc4, *I;Z) sPexprime par :

Svec N le dbit, la section de lPprouvette qui pour une prouvette c4lindrique est -?= avec

? le ra4on de lPprouvette, la permabilit, h la viscosit d4namique du luide et \-D\x, le

gradient de pression.

La permabilit s!exprime en m=. Lorsque les unit suivantes sont utilises : N en cm.s&*,

en cm=, \-D\x en atm.cm&* et h en poises, la permabilit sPexprime galement en Earc4.

Sinsi, * Earc4 3 +,J>. *+&*= m=. Le darc4 est couramment utilis par les h4drogologues et

par les ptroliers Le m= est plutCt utilis par les ph4siciens des matriaux.

La permabilit peut @tre considre comme signiicative de la surace utilisable pour

lPcoulement, elle dpend de la gomtrie du rseau poreux. La loi de Earc4, et donc la

permabilit, est dinie pour des conditions dPcoulement laminaire dans un milieu

homogne, isotrope et continu % le luide nPinteragissant pas avec le milieu.

?emarque sur la permabilit et le coeicient de permablit :

.

7omment est mesure le permabilit K

Su laboratoire

Eans le cas de matriaux peu cohrents

L!exprience de Earc4 consiste ' mesurer un dbit et un gradient de charge qui permettent de

calculer une permabilit grce ' la ormule prcdente. 7ette exprience a t dveloppe audpart pour des sables ou des matriaux peu cohrents.


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LPchantillon est dans un tube de ra4on ?, et soumis ' un gradient de charge du ' la dirence

de hauteur dPeau dans les deux rservoirs amont et aval, dont les niveaux sont maintenus

constants. Le sens dPcoulement est inverse au gradient de charge. 7e gradient de charge peut

galement @tre dtermin grce ' la mesure de la dirence de hauteur dPeau (EF) dans deux

tubes piGomtriques distant de L.Eans le cas des matriaux consolids et moins permables

LPessai consiste ' in5ecter un luide sous pression (-* ) et ' mesurer la pression (-= ) et le

dbit (N) en sortie de lPprouvette. Le gradient de pression est (-*&-=)DL. 7onnaissant le

ra4on de lPprouvette, il est acile de calculer la permabilit.

Eans le cas de matriau trs peu permable

La mesure dPun dbit devient trs diicile. La technique du pulse est alors utilise. /l sPagit de

mesurer la dcroissance en onction du temps de la pression applique en t@te de lPchantillon,

au prix de certaines suppositions sur la morphologie du rseau poreux il est possible dPendduire une valeur de permabilit.

ur le terrain, ' l!chelle de l!aquire

' partir dPessai dPin5ection en puits

Une section du puits est rendue tanche grce ' la mise en place de V bouchons W gonlables,

les pacers, qui obturent le puits ' deux proondeurs direntes dinissant la Gone dPin5ection

de longueur L et de ra4on ?. Un luide est in5ect sous pression entre les deux pacers. Le

centre du dispositi se situe ' une distance F de la surace du rservoir dPin5ection.

Le dbit mesur correspond au luide (N) qui sPcoule dans le massi entre les deux pacers.

Su cours de ces essais la permabilit est calcule :

' partir dPessais de pompage

Le dispositi utilise des piGomtres qui permettent de mesurer la proondeur de la surace

libre de la nappe (dans le cas dPune nappe libre).

Su cours dPun essai de pompage, une dormation de la surace libre de la nappe est observe

autour du puits de pompage : cPest le rabattement. LPimportance du rabattement dpend, entre

autres paramtres, de la permabilit de lPaquire. La permabilit sPexprime par :

?sultats d!enregistrement de la permabilit

Eans le cas des aquires orms par des matriaux non consolids (graviers, sables), la

permabilit peut @tre trs suprieure au Earc4 et atteindre *+ E (soit *+&J m=). Eans les

matriaux consolids, les roches les plus poreuses sont les grs. 7ertains grs peu ou pas


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ciments ont des permabilits de lPordre du Earc4 (*+&*= m=). Les matriaux les moins

permables sont les argilites avec des permabilits de *+&==&*+&= m=.

Yigure ;. Sgrandir l!image

S partir de donnes de laboratoire sur chantillons, le domaine de variation de la permabilit

pour un m@me matriau est large, cette variabilit illustre le ait que la permabilit dpend

dPun certain nombre de caractristiques de la porosit (volume, dimensions, orme,

connectivit) qui sont eux&m@mes variables pour un matriau. 7ette variabilit est maximale

pour les carbonates.

-ar contre les mesures eectues en sondage montrent des valeurs gnralement plus leves

que les mesures eectues au laboratoire. S cette chelle, les discontinuits misent en 5eu sont

des ractures ou des ailles alors quPau laboratoire les discontinuits sont des issures et des

tubes.

S partir de donnes de permabilit, les ptroliers ont dini direntes classes de rservoirs :

-ermabilit nulle ' aible : 9*]*; mE

modre : *;&;+

bonne : ;+&=;+

trs bonne : =;+&*+++

excellente : H*+++

Eans les rservoirs ptroliers, il nP4 a pas, en gnral, quPune seule phase luide, on trouve un

mlange de gaG, dPhuile et dPeau. Eans ce cas on dinie la permabilit relative dPun luide

comme le rapport entre la permabilit mesure pour la saturation du luide considr et la

permabilit du milieu dinie pour un seul luide.

6xploitation dans divers domaines de la recherche et de la gologie applique


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L6 Y?76 E6 U?YS76 SA/6B$

1 ' lPinterace sparant = luides 33H $ension interaciale

1 ' l Pinterace luideDroche 33H

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