Brevet FR2554595A1 — publié le 19850510

"Al'l'AREILLAGE D'ETUDE DE L'ACTION DESTRUCTIVE D'UN FLUIDE SUR UN MATERlAb, NOTAMMENT DU DELITAGE DES ARGILES PAR HYDRATATION" L'invention concerne un appareillage permettant l'étude et la mesure de l'action destructive qu'un fluide peut exercer sur un matériau. Un exemple d'une telle action destructive est le délitage des argiles feuilletées, c'est-à-dire la désagrégation de celles-ci en éléments de différentes tailles, dits déblais, sous l'action d'une hydratation telle que celle provoquée par les fluides de forage utilisés lors des forages de puits. On sait que, lorsqu'un forage traverse une formation d'argiles feuilletées, la désagrégation de ces argiles produit des zones de cavage qui rendent difficiles le maintien de l'axe de forage et la mise en place ainsi que la cimentation du cuvelage devant être inséré dans le puits. En outre, les déblais résultant du délitage des argiles encombrent les tamis vibrants a travers lesquels circule le fluide de forage et, en cas d'arrêt du forage, tombent au fond du puits et gênent la remise en rotation de l'outil de forage. On a déjà effectué en laboratoire des essais sur des échantillons d'argiles feuilletées en vue de découvrir des produits chimiques qui, ajoutés aux liquides de forage, seraient susceptibles de supprimer ou réduire l'action de délitage exercée par ces liquides de forage sur les argiles feuilletées. Ces essais ont consisté a faire passer une boue additionnée de divers produits chimiques sur des échantillons d'argiles feuilletées et à mesurer à la fin de chaque expérience la différence de volume des echantillons par rapport au volume initial de ceux-ci.Cette mesure ne donne qu'un renseignement global et ne permet pas de se rendre compte de manière continue de l'action du liquide d'essai sur l'échantillon Des recherches effectuées au-Laboratoire de Géotechnique de l'l.N.S.A. de LYON viennent de permettre de concevoir et de réaliser un nouvel appareillage pour l'étude de l'action destructive d'un fluide sur un matériau, grâce auquel on peut suivre de façon continue l'évolution dans le temps de cette action. Cet appareillage, qui est l'objet de la présente invention, comporte une chambre de test munie intérieurement d'un emplacement pour la réception d'un échantillon d'un matériau susceptible de subir une érosion et apte à recevoir un fluide à tester relativement à son action d'érosion sur ce matériau et se caractérise en ce que cette chambre de test est munie latéralement d'au moins deux portions de paroi transparentes à un rayonnement et en ce que l'appareillage comprend à l'extérieur de cette chambre de test une source de ce rayonnement- et un appareil capteur de ce rayonnement alignés à travers lesdites portions transparentes de paroi avec ledit emplacement de manière que l'appareil capteur présente à la fois une zone exposée recevant le rayonnement émis par la source de rayonnement et une zone abritée ne recevant par le rayonnement du fait de l'interposition de l'échantillo;,la grandeur d'un signal émis par l'appareil capteur donnant alors, à chaque instant, une information sur la surface de ladite zone exposée et, par suite, sur l'état d'érosion de l'échantillon. Plus particulièrement, dans une réalisation simple, la source de rayonnement est une source de lumière et l'appareil capteur est une cellule photo-électrique. Pour pouvoir faire circuler le fluide à tester autour de l'échantillon, on prévoit, selon un autre objet de l'invention, de disposer ladite chambre de test dans une colonne comprenant une longue enveloppe tubulaire et, à l'intérieur de celle-ci, d'un côté considéré longitudinalement dudit emplacement, une tige support axiale et, de l'autre côté considéré longitudinalement dudit emplacement, un piston axial de serrage, réglable au moyen d'un écrou, l'échantillon devant être tenu serré entre une extrémité de cette tige support et ce piston, tandis que le fluide à tester peut circuler longitudinalement dans l'espacelannulaire compris entre l'enveloppe tubulaire et l'ensemble axial de la tige support, de l'échantillon et du piston de serrage. De préférence, une pièce intercalaire est montée sur rotule à ladite extrémité de la tige support et comporte un téton central sur une face devant venir en contact avec l'échantillon. Ladite enveloppe tubulaire comporte avantageusement des vis de centrage pour centrer ladite tige support. D'autres particularités de l'invention ressortiront d'un exemple d'appareillage mis au point pour l'étude du délitage des argiles, qui va être décrit, à titre non limitatif, en se référant au dessin joint dans lequel La Fig. 1 représente en demi-élévation et demi-coupe verticale l'ensemble de l'appareillage sans moyens de circulation du fluide à tester La Fig. 2 représente un schéma d'ensemble de l'appareillage et des moyens de circulation du fluide à tester Les Fig. 3 à 5 représentent des éclairements successifs d'une cellule photo-électrique au cours d'un essai La Fig. 6 représente un exemple de tracé de la variation dans le temps de l'amplitude du signal fourni par la cellule photo-électique ; et La Fig. 7 représente un autre exemple de tracé de la variation dans le temps de la surface correspondante de l'échantillon. Sur la Fig. 1, une colonne de mesure cylindrique 1 se compose de deux parties se succédant en direction verticale : une partie inférieure 2 et une partie supérieure 3, ces deux parties pouvant être raccordées l'une à l'autre ou séparées l'une de l'autre par des brides 4 et 5 et des vis de serrage 6, respectivement pour l'execution d'un essai ou pour l'installation d'un échantillon. La partie inférieure 2 est montée sur un socle, non représenté, par des piliers fiés à une bride 7 et elle comporte une enveloppe tubulaire 8 solidaire de la bride 4 et de la bride 7 et une tige support axiale 9 soudée à sa partie inférieure à la bride 7. La partie inférieure de la tige 9 est creuse et se prolonge, au-dessous de la bride 7, par un conduit 10 d'entrée de liquide à tester. Au-dessus de la bride 7, elle comporte un passage 11 de communication entre l'intérieur 12 de la tige 9 et l'espace annulaire 13 compris entre la tige 9 et l'enveloppe 8. Des vis de réglage 14 montées sur l'enveloppe 8 permettent de centrer la tige 9 dans l'enveloppe 8. Le sommet 15 de la tige 9 porte une protu bérance semi-sphérique 16 servant au pivotement éventuel d'une entretoise 17 munie d'un évidement semi-sphérique complémentaire 18 formant rotule avec la protubérance 16. L'entretoise 17 est destinée à porter sur sa face supérieure 19 un échantillon 20 de matériau à soumettre à l'action du liquide entrant par le conduit 10. Cet échantillon 20 a une section circulaire de même diamètre que la tige 9 et que l'entretoise 17. Le centrage de l'échantillon 20 est assuré par un téton central 21 qui est porté par l'entretoise 17 et qui entre dans un petit trou central 22 ménagé dans la face inférieure de l'échantillon 20. La partie supérieure 3 de la colonne 1 comporte une enveloppe tubulaire 23 solidaire de la bride 5 à sa portion inférieure et munie d'un conduit de sortie 24 et d'une tête filetée 25 à sa portion supérieure. Sur la tête filetée 25 se visse un écrou 27 qui pousse vers le bas un piston 28 destiné à venir en contact par sa face inférieure avec l'échantillon 20 et à tenir celui-ci serré contre l'entretoise 17. L'espace annulaire 13 se continue dans la partie supérieure 3 de la colonne 1 autour de l'extrémité supérieure de la tige 9, de l'entretoise 17, de l'échan- tillon 20 et du piston 28. L'échantillon 20 se trouve placé dans une chambre de test 29 ouverte vers le bas et vers le haut et munie d'une paroi latérale cylindrique transparente 30, par exemple en polyméthacrylate de méthyle, portant des joints toriques d'étanchéité disposés aux extrémités d'un fourreau de protection extérieur 31 qui est installé dans l'enveloppe tubulaire et qui est lui-même ouvert en face de ces ouvertures. Dans cette chambre de test 29, l'emplacement de l'échantillon 20 est défini par un espace 36 compris entre la face supérieure 19 de l'entretoise 17 et la face inférieure 37 du piston 38. Sur les côtés de la colonne 1 et en alignement avec cet espace 36 on a disposé l'ensemble d'une source de lumière 38 mettant un faisceau de rayons lumineux parallèles et d'une cellule photo-électrique à couche d'arrêt 39 parallèle à l'axe vertical de la colonne 1, qui reçoit une partie de ce faisceau de rayons lumineux tandis qu'une autre partie de ce faisceau de rayons lumineux est occultée par l'échantillon 20, ce qui projette sur la cellule 39 l'ombre de la section longitudinale de l'échantillon 20. Une liaison électrique 40 entre cet ensemble et un voltmètre graphique 41 permet la transmission à ce voltmètre des signaux électriques émis par la cellule. Sur la Fig. 2, on peut voir le schéma de circulation du liquide à tester entre le conduit d'entrée 10 et le conduit de sortie 24 de la colonne de mesure 1. Le liquide à tester est préparé dans un bac 42 muni d'un agitateur 43 qui assure une bonne homogénéité du liquide et d'un régulateur de température 44 qui maintient une température constante pendant l'essai. Ce liquide est ici un filtrat de boue de forage. Une pompe 45 entraînée par un moteur électrique 46 alimente le conduit 10 par l'intermédiaire d'une vanne 47 qui permet d'imposer un débit de liquide préfixé et, par suite, une vitesse déterminée dans l'espace annulaire 13 de la colonne 1. Pour chaque type d'essai, un étalonnage préalable de la vanne 47 est nécessaire car les fluides étudiés ont des viscosités et des densités différentes. Le retour du liquide vers le bac 42 à partir du conduit 24 de la colonne 1 s'effectue par une conduite 48 et une colonne de tamis 49. Il est ainsi possible de prélever les déblais entraînés par le liquide qui a traversé la colonne 1 et d'en observer l'aspect et les dimensions. Ces tamis, ainsi que la pente du fond du bac 42 évitent le renvoi des déblais dans le circuit hydraulique, précaution nécessaire si l'on veut effectuer des mesures correctes et ménager la pompe 45. La circulation du fluide à tester dans la colonne 1 autour de l'échantillon 20 provoque une érosion du matériau constituant cet échantillon qui se traduit par une diminution des dimensions geométriques de celui-ci. Les dispositions énoncées précédemment > prises pour unifornliser les conditions d'écoulement du fluide tester dans la colonne 1, font que l'érosion de la périphérie de l'échantillon est symétrique. En outre, on retrouve des conditions analogues à celles rencontres dans un puits de forage. La Fig. 3 montre la cellule photo-électrique 39 au début de l'essai, lorsque l'échantillon 20 porte le maximum d'ombre, ombre représentée par des hachures, sur cette cellule. La Fig. 4 montre l'état de la cellule photo-électrique après un certain temps d'écoulement du fluide à tester et la Fig. 5 montre cet état après destruction complète de l'échantillon 20. Ainsi, la tension électrique du signal électrique émis par la cellule photo-électrique 39 augmente au fur et à mesure que l'échantil- lon 20 se délite. Le voltmètre graphique 4] enregistre de manière continue la grandeur de cette tension électrique. La Fig. 6 montre un exemple de tracé de ltévolution de cette tension électrique V en fonction du temps T. Pour suivre l'évolution réelle de la section de I'échantillon 20, il ne faut pas tenir compte des pics de diminution de la tension sur la courbe tracée. Ces pics correspondent à des détachements de particules qui projettent leur ombre en se séparant de l'échantillon. Pour pouvoir relier la grandeur de la tension électrique mesurée à la sortie de la cellule photo-électrique 39, à la surface de la section longitudinale de l'échantillon qui projette son ombre sur cette cellule, il est nécessaire d'effectuer préalablement un étalonnage du système, et cela pour chaque fluide à tester car la diffusion de la lumière varie de façon importante suivant la nature des composants qui constituent ce fluide. On dispose, à cet effet, d'une série d'échantillons factices en métal peint, de diverses dimensions. La relation entre la tension électrique et la section longitudinale est représentée par une courbe à allure parabolique, non représentée ici, car la tension électrique du signal émis par la cellule photo-électrique est théoriquement proportionnelle au carré de l'intensité lumineuse reçue par cette cellule.On peut, à partir de là, obtenir un graphe en escalier représentant la grandeur de la section correspondante projetée S en fonction du temps T, comme le montre par exemple la Fig. 7. On peut exploiter les résultats d'un essai en définissant un coefficient égal au rapport entre la surface S délimite par les axes de la représentation et par une courbe représentant la section projetée S en fonction du temps T et la surface S2 du rectangle délimité dans la même représentation par la section projetée maximale et la durée totale de l'essai, fixée par exemple à 60 minutes. Sur la Fig. 7, on a hachuré la surface S1, tandis que la surface S2 est délimitée par les axes de la représentation et les deux droites tracées en trait pointillé. Si le fluide à tester n'a pas d'action de délitage dans la durée de l'essai, le coefficient ainsi défini est égal à 1, c'est-à-dire qu'il y a inhibition totale de l'action de délitage. Si le délitage est instantané, ce coefficient est égal à zéro, l'inhibition étant nulle. REVENDICATIONS 1 Appareillage d'étude de l'action destructive d'un fluide sur un matériau, comprenant une chambre de test (29) munie intérieurement d'un emplacement (36) pour la réception d'un échantillon d'un matériau susceptible de subir une érosion et apte à recevoir un fluide à tester relativement à son ac tion d'érosion sur ce matériau, caractérisé en ce que cette chambre de test (29) est munie iatéralement d'au moins deux portions de paroi trans parentes à un rayonnement (30) et en ce que l'appareillage comprend à l'extérieur de cette chambre de test (29) une source de ce rayonnement (38) et un appareil capteur de rayonnement (39) alignés à travers lesdites portions transparentes de paroi (30) avec ledit emplacement (36) de ma nière que l'appareil capteur de rayonnement (39) présente à la fois une zone exposée recevant le rayonnement émis par la source de rayonnement (38) et une zone abritée ne recevant pas le rayonnement du fait de l'in terposition de I'échantillon, la grandeur d'un signal émis par l'appareil capteur (39) donnant alors, a chaque instant, une information sur la sur face de ladite zone exposée et, par suite, sur l'état d'érosion de l'échantillon. 2. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement (38) est une source de lumière et l'appareil capteur (39) est une cellule photo-électrique. 3. Appareillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cham bre de test (29) est disposée dans une colonne (1) comprenant une longue enveloppe tubulaire (8, 23) et, à l'intérieur de celle-ci, d'un côté du dit emplacement (36) considéré longitudinalement, une tige support axiale (9) et, de l'autre côté dudit emplacement (36) considéré longitudinale ment, un piston axial de serrage (28), réglable au moyen d'un écrou (27), l'échantillon devant être tenu serréentre une extrémité (15) de cette tige support (9) et ce piston (28), tandis que le fluide à tester peut circuler longitudinalement dans l'espace annulaire (13) compris entre l'enveloppe tubulaire (8, 23) et l'ensemble axial de la tige support (9), de l'Schantillon et du piston de serrage (28). 4. Appareillage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une pièce intercalaire (17) est montée sur rotule (16, 18) à ladite extrémité (15) de la tige support (9) et comporte un teton central (21) sur une face (19) devant venir en contact avec l'échantillon. 5. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que des vis de centrage (15) sont disposées dans ladite enveloppe tubulaire (8) pour centrer ladite tige support (9). 6. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites portions transparentes de paroi (30) sont formées par une paroi cylin drique transparente (30) insérée dans ladite enveloppe tubulaire (23) au droit de deux ouvertures opposées (34, 35) pratiquées dans cette en veloppe tubulaire (23). 7. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé. en ce que ladite enveloppe tubulaire (8, 23) est formée de deux enveloppes qui contiennent l'une (8) la tige support (9), celle-ci faisant saillie hors de cette enveloppe (8) à ladite extrémité (15) et l'autre (23), le piston de ser rage (28) et qui sont munies chacune d'une bride de raccordement (4, 5) pour les réunir l'une à l'autre. 8. Appareillage selon la revendication 3, caratérisé en ce que ladite cham bre de test (29) comporte une paroi latérale cylindrique transparente (30) portant des joints toriques d'étanchéité (32, 33) disposés aux ex trémités d'un fourreau de protection extérieur (31) qui est installé dans l'enveloppe tubulaire (23) au droit d'ouvertures (34, 35) ménagées dans cette enveloppe tubulaire (23) et qui est luimême ouvert en face de ces ouvertures (34, 35).