Brevet FR2641868A1 — publié le 19900720

La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure du comportement mécanique d'un échantillon de roche sous pression effective de confinement. Elle se rapporte également à un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif. En cours de forage pétrolier, par exemple, une circulation de fluide de forage remonte dans l'annulaire tige trou, permettant, parmi d'autres fonctions tout aussi importantes, d'entraîner les déblais du front de taille jusqu'à la surface. Cette boue de forage filtre à travers la surface du trou. La phase solide de la boue, dotée d'une faible perméabilité, se dépose sur la paroi constituant ainsi une barrière aux pressions ; ce que l'on appelle le cake. Seul le filtrat de la boue envahit le massif aux alentours du puits. Ce cake est partiellement imperméable. On admet que ce cake comprend deux parties : l'une externe, que l'on peut enlever comme une croûte collée à la peau et l'autre interne, qui est en fait une pollution des premiers millimètres du réseau poreux. I1 y a une chute de pression à la paroi. La boue, par la pression qu'elle applique à la paroi, exerce un soutènement de la roche. Compte-tenu du phénomène de filtration précédement cité, ce soutènement n'est efficace que si il y a une différence entre la pression de la boue dans le puits, et la pression du fluide dans les pores de la roche, à la paroi. C'est le rôle du cake que de rendre efficace cette pression appliquée par la boue par la création d'une chute de pression à la paroi. Mais quelle est cette chute de pression ? Et donc quelle pression de pore à la paroi prendre ? D'autres phénomènes tels les effets de viscosité et de capillarité entrent en jeu, rendant difficile toute hypothèse. I1 faut donc concevoir des essais de comportement mécanique sur des échantillons de roche ou carottes qui permettent de tenir compte de - cette pression réelle de confinement à la paroi.Ce que ne connaît pas l'art antérieur. Selon cet art antérieur on connaît un appareil et une méthode de mesure de la résistance à la compression d'un échantillon de roche. L'appareil comprend principalement trois éléments une cellule dite triaxiale, un moyen d'application d'une charge et un moyen de production d'une pression de confinement d'un fluide, c'est-à-dire d'un fluide entourant la surface latérale de l'échantillon. L'échantillon de roche à tester est placé à l'intérieur de la cellule dans laquelle est appliquée la pression fluide de confinement. Il est enveloppé sur toute sa surface libre d'une chemise flexible imperméable de manière à éviter toute pénétration du fluide de confinement dans la roche testée. I1 est également inserré entre deux plateaux d'acier respectivement à son extrémité supérieure et à son extrémité inférieure La cellule est placée sur la table d'une presse pour l'application d'une charge axiale sur l'échantillon par l'intermédiaire d'un piston. La pression de confinement dans la cellule, qui s'exerce sur la paroi latérale de l'échantillon, est obtenue par un circuit de fluide de confinement (réservoir, pompe, conduits d'arrivée et de sortie du fluide dans la cellule). L'échantillon de roche à tester, de forme cylindrique circulaire, aux surfaces d'extrémités unies et lisses, est assemblé entre les plateaux d'acier, puis enveloppé sur toute sa paroi latérale de la chemise souple imperméable. La cellule est emplie de fluide de confinement, l'air s'échappant par un purgeur qui est ensuite obturé. La cellule est ensuite placée sur la table de la presse. Une fois que la pression de confinement est appliquée, on accroît la charge axiale jusqu'à la rupture de l'échantillon. Ce test permet de connaître la résistance à la compression de la roche pour chaque valeur de la pression de confinement, la relation entre la pression de confinement et cette résistance à la compression, l'angle de friction interne w et une valeur de la cohésion apparente C au sens de la théorie des ruptures de Coulomb. Selon une telle procédure d'essai, relativement classique, l'échantillon est recouvert d'une chemise souple imperméable ou membrane. Celle-ci empeche la pénétration du fluide de confinement dans l'échantillon. Elle permet donc de bien dissocier les influences de la pression de confinement et de la pression de pore sur la valeur de la charge axiale provoquant la rupture par compression. Mais un tel dispositif et une telle procédure ne rendent pas compte du phénomène réel à la paroi figuré principalement par la présence du cake. Ce test permet de caractériser conventionnellement la roche d'un point de vue mécanique. I1 permet en particulier de connaître l'accroissement de la résistance sous l'effet d'une augmentation de la pression de confinement. Mais il ne suffit pas pour connaître la pression de confinement efficace appliquée par la boue percolante à la paroi. On connaît par ailleurs l'essai dit de filtration dynamique selon lequel la boue de forage est mise en circulation parallèlement à la paroi percolante de l'échantillon, et le flot de boue érode continuellement le cake qui se forme, c'est-à-dire la phase solide de la boue dotée d'une faible perméabilité qui se depose sur la paroi pour constituer une barrière aux pressions. Cet essai est relativement représentatif de la filtration réelle en paroi d'un puits. Les vitesses de circulation sont adaptées de façon à se rapprocher dans l'essai des conditions d'écoulement de la boue en paroi de puits.Et si on peut effectivement envisager de mesurer des pressions de pore dans la roche, derrière le cake externe, on ne sait pas, en définitive quelle valeur prendre dans le calcul du soutènement efficace ; c'est enfin un test qui n'a de sens que sur les roches dont la perméabilité permet la filtration. On connaît également l'essai dit de simulation de forage. C'est un essai pratiqué soit sur un cylindre creux de roche à tester pourvu d'un petit trou préalablement foré selon l'axe, soit sur un banc de forage sur lequel la roche est foree avec de la boue sous contrainte. Les échantillons sont soumis à une contrainte externe. Ils peuvent être cylindriques ou prismatiques. Dans tous les cas, la boue sous pression est placée dans le forage axial et est directement au contact de la roche forée. On recherche alors la rupture de la paroi du petit forage, en modifiant un des chargements, soit la pression de boue, soit la contrainte appliquée sur les faces externes de l'échantillon.Si cet essai permet de caractériser, en relatif, l'effet du confinement exercé par la boue il ne permet pas de le quantifier parce que la distribution des contraintes dans l'échantillon test n'est pas homogène et que si on connaît les valeurs des chargements appliqués aux surfaces de l'échantillon, à la rupture, on ne connaît pas la veritable valeur de la contrainte à la paroi, qui a permis de rompre la roche. Aucun de ces essais ne permet de mesurer la pression de confinement effective, celle-ci étant la différence entre la pression de boue, connue, et la pression de pore dans la roche à la paroi contrôlant la rupture. Le but de la présente invention est de concevoir un dispositif et un procédé permettant de mesurer directement et globalement la valeur de ce confinement effectif vis à vis de la valeur de rupture de la roche. Pour atteindre ce but, le dispositif d'essai selon l'invention comprend - une enceinte dans laquelle est disposé l'échantillon à tester relié par ses deux surfaces d'extrémité à un moyen d'application d'une contrainte mécanique donnée, - des moyens pour faire circuler dans ladite enceinte un fluide de confinement à une pression donnée, ledit fluide étant en contact direct avec la surface latérale dudit échantillon et filtrant à travers l'échantillon de ladite surface latérale vers les surfaces d'extrémité, - des moyens permettant le drainage du fluide filtré à partir desdites surfaces d'extrémité, et des moyens pour la mesure dudit fluide filtré et draine. On notera que, de manière tout à fait nouvelle, l'échantillon est en contact direct par toute sa surface latérale avec le fluide de confinement, mis en circulation. De façon préférentielle, il est prévu dans l'enceinte une embase inférieure et une embase supérieure entre lesquelles est placé l'échantillon, la liaison entre l'échantillon et chaque embase étant isolée du fluide de confinement par une portion de membrane enserrant ladite liaison et seulement ladite liaison de manière à laisser en contact direct avec le fluide de confinement la plus grande partie de la surface latérale de l'échantillon. Les surfaces d'extrémité de l'échantillon sont séparées des surfaces correspondantes des embases inférieure et supérieure par une rondelle en matière plastique ou matière équivalente de manière à assurer l'étanchéité de contact vis-à-vis du fluide de confinement, ladite rondelle étant percée de petits trous pour autoriser le drainage du fluide filtré. Un circuit complet de fluide de confinement, d'application de ce fluide directement sur la face latérale de l'échantillon, de mise sous pression donnée dudit circuit et de mise en circulation à un débit donné est prévu. Est également prévu un circuit de drainage du fluide filtrant l'échantillon et drainé avec des moyens de mesure de cette filtration. L'invention concerne également un procédé caractérisé par les étapes suivantes - on place l'échantillon dans une chambre d'essai fermée, la surface latérale dudit échantillon etant libre et en contact direct avec un fluide de confinement, et les surfaces d'extrémité enserrées dans un moyen susceptible de créer une contrainte mécanique, - on applique une pression donnée dudit fluide de confinement, - on mesure la quantité de ce fluide filtrant en fonction du temps à partir de ladite surface latérale vers les surfaces d'extrémité dudit échantillon, pendant un temps suffisant pour permettre l'obtention d'un cake stable, - on procède ensuite à une augmentation de la valeur de ladite contrainte mécanique, éventuellement jusqu'à la rupture de l'échantillon. De façon préférentielle, une sélection de boue de forage adaptée peut être obtenue en répétant les étapes cidessus avec différentes boues et différentes valeurs de la pression de confinement. La comparaison entre ce test réalisé sans membrane (courbe a de la figure 3) et le test de référence réalisé avec membrane (courbe b de la figure 3) permet de déterminer la pression de confinement efficace. La résistance obtenue dans un test sans membrane est, pour une valeur de la pression de confinement 63 donnée, généralement inférieure à celle obtenue lors du test avec membrane. Cela est lié au phénomène de filtration décrit ci-dessus. Cette résistance plus plus faible a par contre été obtenue pour une valeur plus faible de la pression de confinement lors du test de référence. C'est la pression efficace de soutènement directement mesurée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif de l'objet de l'invention, accompagné du dessin dans lequel la figure I est une représentation schématique des moyens de l'essai. La figure 2 est une représentation de la pression de pore à la paroi en présence d'un cake. Un échantillon cylindrique de la roche à tester, de référence 1, ayant ete préalablement saturé du fluide caractéristique du fluide de pore en place, est placé dans la cellule triaxiale, de référence générale 2. La cellule triaxiale comprend un corps cylindrique creux 19 à large paroi, une tête 20 et un chapeau 5, l'ensemble délimitant une chambre d'essai fermée 22. L'échantillon à tester est placé dans cette chambre d'essai, en appui sur une embase inférieure 23 et sous la pression d'un piston ou embase supérieure 4, mobile en translation verticale, selon la direction axiale de l'échantillon, susceptible de transmettre la poussée d'une tête de presse représentée seulement par la flèche P. L'échantillon 1 est sépare de l'embase inférieure 23 et de l'embase supérieure ou piston 4 par une rondelle 15, de téflon par exemple, de manière à parfaire l'étanchéité de contact vis-à-vis de la boue circulante dans la chambre d'essai 22. Ces rondelles sont percées de petits trous de diamètre voisin de lmm de manière à permettre le drainage de l'échantillon. Seules les deux extrémités de l'échantillon cylindrique 1 sont recouvertes sur leur circonférence par une portion de membrane, une portion 3a pour l'extrémité inférieure et une portion 3b pour l'extrémité supérieure. Ces deux portions de membrane sont maintenues sur l'échantillon par un joint de type "serflex", elles maintiennent l'échantillon entre les deux pistons tout en empêchant les infiltrations de boue entre ceux-ci et les faces d'extrémité de l'échantillon forçant ainsi le fluide de confinement à filtrer à travers l'échantillon. Le corps 19 de la cellule triaxiale est muni de deux orifices pour la circulation de boue à l'intérieur de la chambre d'essai. Un premier orifice 6 relie la chambre 22 à une cellule à boue ou reservoir de fluide à tester, de référence 8, au moyen d'une conduite 7. Cette boue à tester est introduite dans la chambre d'essai 22 au travers d'une conduite 24, d'une pompe de circulation 9, par l'orifice d'entrée 25. Ce circuit de boue peut être mis sous pression. On utilise pour cela de l'azote sous pression (représenté seulement par la conduite d'admission 10) régulé par un détendeur 11 qui permet d'appliquer la pression désirée dans le réservoir de fluide 8. On mesure cette pression à l'aide d'un manomètre 12 placé sur le réservoir. Un autre manomètre non représenté sur le schéma peut être aussi utilisé pour mesurer directement la pression de la boue dans la cellule. Afin d'éviter les pulsations, un amortisseur hydraulique 13 est disposé sur le circuit après la pompe . I1 est soumis à la même pression d'azote que le réservoir 8. La cellule triaxiale 2 est placée sous une presse permettant d'exercer une force importante P sur le piston ou embase supérieure 4. Les plateaux de la presse sont mis en contact avec le piston par l'application d'une très faible force. Le circuit de boue est purgé. L'embase inférieure 23 et l'embase supérieure ou piston 4 sont percés de conduits dits conduits de drainage, respectivement 26 et 27 connectés à un circuit de drainage, représenté principalement par les conduites extérieures à la cellule triaxiale, de référence 14 a et 14 b. Ces deux conduites aboutissent à un dispositif de mesure de flux filtrant 16, le drainage pouvant être mis en marche par l'action de vannes 17a et 17b. Un manomètre non représenté sur le schéma peut être installé sur ce circuit de drainage. Les faces de l'embase inférieure 23 et du piston 4, en contact avec l'échantillon de roche à tester 1, sont usinées d'un réseau de gorges en forme de toile d'araignée afin d'améliorer le drainage.Il est possible également de pratiquer dans l'échantillon un micro-forage axial afin de régulariser le drainage de l'échantillon. Une telle mesure est importante pour les roches peu perméables. Le déroulement d'une séquence de test est le suivant: l'échantillon 1, équipé de ses membranes à collier "serflex" et de ses rondelles de téflon intermédiaires, est mis en place dans la chambre d'essai 22. Celle-ci après avoir été partiellement remplie de boue, est fermée par le vissage du chapeau 5 traversé par le piston 4. La cellule est alors mise en place sur la table de la presse et on applique immédiatement une force de- 5 kN par l'intermédiaire du piston. Cette application de force est nécessaire pour que la poursuite du remplissage de la cellule avec de la boue et sa mise en pression ne provoquent pas la fuite de boue entre l'échantillon et les embases. On achève alors le remplissage de la cellule par actionnement de la pompe de circulation 9 les circuits de drainage 14 sont remplis et purgés. On applique ensuite une pression de confinement en mettant le circuit de boue sous pression d'azote, l'effort de 5 kN étant maintenu. Cette pression de confinement sera exercée pendant un temps tc avant l'augmentation du déviateur de contrainte par la force P qui débouchera sur la rupture. Pendant ce temps tc, il y a écoulement de la boue à travers l'échantillon, vers chacune de ses deux faces qui sont drainées. La partie solide de la boue constituera un cake sur le pourtour de l'échantillon. Le débit de filtrat à la sortie du circuit de drainage est enregistré à l'aide d'une balance et d'une base de temps (référence schématisée 16). On obtient une courbe donnant le débit en fonction du temps. La durée de la filtration tc peut être limitée au temps nécessaire à l'établissement d'un régime "pseudo permanent" de la filtration mesurée, indiquant qu'un cake stable s'est formé. I1 peut être aussi simplement un paramètre indiquant le temps de contact entre la boue et la roche, c'est notamment le cas lorsqu'on teste des roches de faible perméabilité, par exemple des argilites. La force axiale est alors augmentée progressivement selon des procédures connues dans l'essai de cisaillement triaxial. La déformation axiale est mesurée à l'aide d'un capteur de déplacement 18, situé à l'extérieur de la cellule. Les déformations peuvent aussi être mesurées dans les directions axiale et radiale à l'aide de capteurs placés dans la cellule, dans la mesure où ces dispositifs sont correctement isolés du fluide de forage pouvant être conducteur.La force est augmentée jusqu'à la rupture de l'échantillon comme dans un essai classique. On démonte ensuite la cellule et l'échantillon testé est décrit. L'essai de rupture qui est décrit ici est un essai de résistance à la compression, mais la présente invention s'applique également à tout autre essai de rupture, comme par exemple l'extension, la traction directe ou la traction brésilienne. L'essai décrit est réalisé à température ambiante mais il peut être aussi fait en modifiant la température. Le fluide de confinement décrit est de préférence de la boue de forage, qu'il s'agit de mettre en circulation pour maintenir la suspension des particules, et simuler le dépôt de cake, mais le principe de l'essai est applicable à tout autre fluide, utilisé en contact d'un matériau poreux, comme un fluide de complétion, et qu'il est nécessaire de mettre en circulation afin de rendre l'essai représentatif. L'essai est aussi particulièrement adapté pour mesurer le soutènement efficace dans le cas de roches peu perméables, comme par exemple des argilites. Dans ce cas on ne mesure pas de débit filtrant. Le cas échéant, la boue peut être laissée sans circulation pour simuler des filtrations statiques. Sur le dessin de la figure 2 est illustré le phénomène de formation de cake à la paroi d'un puits, par exemple. Comme déjà rappelé ci-dessus, la boue de forage filtre à travers la surface du trou et une partie de sa phase solide, peu perméable, se dépose sur une épaisseur faisant ainsi une barrière aux pressions. Cette barrière n'est pas totale comme dans le cas de la courbe référencée (c) où l'on a représenté la valeur de pression de boue Pb à la pression de pore dans le massif loin du puits PG. C'est la représentation de l'essai avec échantillon sous chemise imperméable. La courbe référencée (a) illustre un cas opposé où la pression de pore à la paroi est la pression de boue : tout se passe sans formation de cake. Comme la première hypothèse, cette seconde ne correspond pas à la réalité. Dans la pratique, la formation du cake dans le trou de rayon rO va donner une valeur de pression de pore à la paroi comprise entre PG et On peut résumer l'action du cake en indiquant que la valeur réelle de la pression de pore à la paroi (ou pression effective de confinement) que l'on peut appeler Pp est la suivante Pp =PG + h (Pb - Pg) avec O Ce coefficient h est appelé coefficient d'efficacité du cake. Il peut être inséré directement dans des modèles de calcul de la stabilité de la paroi du puits. I1 a également un sens dans le cas de roche peu perméable. Si le cake n'a pas de réalité physique, faute de filtration, il y a toutefois une chute de pression, liée a divers phénomènes comme, par exemple, la capillarité ou viscosité, que cet essai permet d'évaluer. C'est une sorte de cake fictif. L'essai décrit ci-dessus, en reproduisant les phénomènes de paroi, c'est-à-dire la formation du cake,qu'il soit réel ou fictif, permet d'appréhender d'une manière beaucoup plus proche de la réalité, l'effet de soutènement exercé par la boue sur la paroi. Dans le cas de roches peu perméables, il n' y a pas de filtration donc pas de mesure de cake, mais la durée du contact entre la boue et la roche, préalable à l'essai de rupture, permet de mesurer des effets d'altération progressifs, soit de la roche soit de la pression de confinement effective. Le fluide saturant initialement la roche peut être différent du fluide filtrant. Cette méthode permet également d'évaluer le comportement mécanique des roches selon la composition du fluide saturant, notamment ce qui résulte du déplacement du fluide saturant initialement déplacé par le fluide filtrant. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure du comportement mécanique d'un échantillon de roche sous pression effective de confinement caractérisé en ce qu'il comprend les moyens suivants - une enceinte (5,19,20) délimitant une chambre intérieure d'essai (22) dans laquelle est déposé l'échantillon à tester (1) relié par ses deux surfaces d'extrémité à un moyen d'application d'une contrainte mecanique donnée, - des moyens pour faire circuler (6 à 13) dans ladite enceinte un fluide de confinement à une pression donnée, ledit fluide étant en contact direct avec la surface latérale dudit échantillon et filtrant à travers l'échantillon de ladite surface latérale vers ses surfaces d ' extrémité, - des moyens permettant le drainage (26,27,14) du fluide filtré à partir desdites surfaces d'extrémité, et des moyens pour la mesure (16) dudit fluide filtré et drainé. 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu dans l'enceinte une embase inférieure (23) et une embase superieure (4) entre lesquelles est monté l'échantillon (1), la liaison entre l'échantillon et chaque embase étant isolée du fluide de confinement par une portion de membrane (3a,3b) enserrant ladite liaison et seulement ladite liason de manière à laisser en contact direct avec le fluide de confinement la plus grande partie de la surface laterale de l'échantillon. 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces d'extrémité de l'échantillon (1) sont séparées des surfaces correspondantes des embases . inférieure (23) et supérieure (4) par une rondelle (15) en matière plastique ou matière équivalente de manière à assurer l'étanchéité de contact vis-à-vis du fluide de confinement, ladite rondelle étant percée pour autoriser le drainage du fluide filtré. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, carectérisé en ce que les moyens pour faire circuler dans la chambre d'essai (22) un fluide de confinement comprennent un orifice(6) de ladite enceinte, une conduite (7) reliant cet orifice à un réservoir de fluide (8), une conduite d'amenée (24) du fluide vers ladite chambre et une pompe de circulation (9). 5 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens permettant le drainage du fluide filtré dans l'échantillon (1) comprennent un orifice de la surface de contact de l'embase inférieure (23), un conduit (26) traversant ladite embase inférieure (23), un orifice de la surface de contact de l'embase supérieure (4), un conduit (27) traversant ladite embase supérieure (4), les deux conduits (26) et (27) étant reliés à un moyen de mesure (16) du débit filtré et draine en fonction de temps. 6 - Procédé de mesure du comportement mécanique d'un échantillon de roche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par les étapes suivantes - on fixe l'échantillon (1) dans une chambre d'essai (22), la surface latérale dudit échantillon étant libre et en contact avec un fluide de confinement, et les surfaces d'extrémité enserrées dans un moyen (23,4) susceptible de créer une contrainte mécanique axiale, - on mesure la quantité de ce fluide filtrant en fonction du temps à partir de ladite surface latérale vers les surfaces d'extrémités dudit échantillon, pendant un temps suffisant pour permettre l'obtention d'un cake stable, - on procède ensuite à une augmentation de la valeur de ladite contrainte mécanique, éventuellement jusqu'à la rupture de l'échantillon. 7 - Procédé de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide de confinement est un fluide de forage. 8 - Procédé de sélection d'une boue de forage adaptée à la pression réelle de confinement caractérisé en ce que le procédé selon la revendication 6 est répété avec des boues de forage différentes et des pressions de confinement différentes et que les mesures sont comparées à celles d'un essai de référence effectué au préalable.