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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