Brevet FR2649202A1 — publié le 19910104

L'invention a pour objet un dispositif pour appLiquer des contraintes tri-dimensionnelles sur des échantillons de matière de dimensions relativement grandes. Le dispositif selon l'invention peut etre utilisé particulièrement pour appliquer des contraintes à un échantiLLon de roche pré levé dans des formations souterraines et dont on veut mesurer le comportement sous contrainte notamment quand on crée à L'intérieur des fracturations hydrauliques. La fracturation hydraulique est une des méthodes employées dans le domaine pétrolier pour stimuler la production des puits. L'opération consiste comme il est bien connu des spécialistes, à injecter un fluide approprié dans les formations souterraines autour d'un puits jusqu'à la rupture des roches, de manière à créer des zones de forte perméabilité. Dans certains cas, on cherche à connaitre t'orientation et Les dimensions des fractures provoquées. L'étude peut etre menée in situ. Mais la complexité des informations obtenues et des mécanismes mis en-jeu rendent souvent nécessaires que les études soient menées en laboratoire avec un appareiL capable de reproduire de façon réaliste tes contraintes tri-dimensionnelles subies en profondeur et tes appliquer à des échantillons reLativement importants. Parmi les exemples d'art antérieur dans Le domaine des cellules d'essai sous contrainte pour des échantiLLons de matière et notamment de roches, on peut citer notamment la demande de brevet francais EN. 88/08.885, ou tes brevets US No. 4 579 003 et 4 679 441. Le dispositif selon L'invention est spécialement conçu pour simplifier et faciliter la mise en place d'échantillons de dimensions et de masse relativement importantes en vue de leur appliquer des contraintes tri-dimensionnelles et aussi pour faciliter l'installation de capteurs de mesure divers et éventuellement d'un système de fracturation hydraulique. Sa mise en oeuvre permet un gain de.temps substantiel dans la phase préparatoire et dans La conduite des essais. Le dispositif selon l'invention permet d'appliquer des contraintes tri-dimensionnelles à un échantillon de matière, de forme sensiblement parallélépipédique, telle qu'une roche pré levée dans des formations souterraines par exemple. Il comporte une cellule rigide pourvue d'une cavité de forme adaptée à celle de l'échantillon, des moyens associés au corps pour appliquer des contraintes tri-dimensionnelles sur les faces de L'échantiLLon et des moyens capteurs disposés au contact de celui-ci.Il est caractérisé en ce que : - ladite celLule est délimitée par une embase, deux parois latérales sensiblement parallèles entre elles, solidaires de L'embase et deux panneaux, L'un au moins de ces deux panneaux étant articulé par rapport à t'embase et pouvant être rabattu de maniere å servir, en position d'ouverture, de support à L'échantiLLon durant son introduction dans la cellule entre les deux parois latérales; - des enceintes dilatables aplaties pourvues chacune d'une paroi capable de s'appliquer étroitément contre une face entière de L'échantiLLon, chacune d'elles étant fixée dans un évidement ménagé dans la cellule et en communication avec un système hydraulique délivrant un fluide sous pression; et - des moyens pour solidariser chaque panneau rabattabLe en position de fermeture. Le dispositif peut comporter en outre des moyens moteurs pour faire pivoter chaque panneau entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture. Lorsque L'échantiLLon est pourvu d'un canal creusé jusque dans sa partie centra le dans lequel est placé un tube d'injection de fluide, - Les moyens d'application de contraintes comportent par exemple une plaque opposée à l'embase pour l'application d'une force suivant une direction de préférence perpendiculaire à celle-ci, cette plaque étant pourvue d'un alésage pour le passage d'un embout d'injection de fluide relie au système hydrauLique, et - les moyens capteurs comportent plusieurs capteurs pour La détection de signaux acoustiques emis dans L'échantiLLon en réponse à L'injection de fluide sous pression dans le canaL centraL. Suivant un mode de réaLisation, Le dispositif comporte deux panneaux rabattabLes et des vérins hydrauLiques pour les faire pivoter relativement à L'embase, l'un au moins étant pourvu d'une enceinte diLatabLe. Dans ce cas, L'un des panneaux peut être pourvu d'une paroi rigide pour recevoir L'échantilLon. Dans tous les cas, le dispositif peut comporter une ouverture pour le passage d'un outil de forage au travers de L'échantiLLon et pour un instrument de détection de l'ovalisation du trou foré, sous L'effet des contraintes appliquées. Suivant un autre mode de réalisation, le dispositif comporte au moins deux enceintes dilatables associées respectivement à L'une des parois et à l'un des panneaux de la cellule. Le dispositif peut comporter aussi une enceinte dilatable associée à chacune des deux parois. L'utilisation d'un tel dispositif pourvu de deux panneaux rabattables et d'enceintes dilatables capables d'exercer des contraintes bien homogènes à L'échantillon suivant deux directions orthogonaLes, rend bien pLus aisé Les manoeuvres préLiminaires d'instaLlation d'un échantiLLon pesant. Le forage de trous au travers de L'échantiLLon pour La mise en pLace d'instruments de mesure, et son confinement pour L'appLication de contraintes sont aussi faciLitées. Par L'empLoi d'enceintes diLatabLes intégrées aux parois ou panneaux, et capabLes d'exercer des contraintes bien homogènes sur L'échantiLLon suivant deux directions orthogonaLes, on peut en outre reproduire en Laboratoire une distribution de contraintes représentant fidèLement ceLles qui prévaLent in situ, et on simpLifie La mise sous contrainte de L'échantiLLon. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif seLon L'invention apparaitront mieux à la lecture de la description ci-apres de modes de réaLisation décrits à titre d'exemples non Limitatifs, en se référant aux dessins annexes où - La Fig.1 montre la celLule adaptée à recevoir les échantiLLons à contraindre, avec ses panneaux avant et arrière ouverts pour L'introduction et la mise en place d'un échantillon; et - la fig.2 est une vue transversale de l'ensembLe du dispositif avec la celLuLe sur son socle, Les vérins pour la manoeuvre des panneaux et la partie supérieure pour l'appLication de contraintes verticales. Le dispositif comporte une cellule rigide 1 comprenant une embase plane 2 adaptée à recevoir un échantillon 3 'de forme sensiblement parallélépipédique et de préférence cubique. Les parois Latérales ou flancs de la ceLlule sont deux plaques épaisses 4,5 fixées à t'embase 2. CeLle-ci est pourvue de deux passages pour deux axes 6,7 sur lesquels peuvent pivoter deux panneaux 8, 9. Les axes de pivotement sont placés de manière qu'en position d'ouverture, Les faces internes des panneaux 8,9 soient sensibLement dans le même plan que L'embase pour faciliter l'engagement de L'échantiLLon 3 dans ta celLule et son dégagement. Chacune des parois Latérales 4, 5 est pourvue d'un évidement pour une enceinte déformable 10 en forme de coussin plat fabriquée par exemple dans un matériau synthétique thermo-plastique et pouvant être raccordé avec une source de fluide sous pression (non représentée). Les dimensions de chaque enceinte-ou coussin 10 sont sensibLement égaLes à ceLLes de La face en regard de L'échantillon. De cette facon, elle exerce sur cette même face une contrainte sensiblement uniforme Lorsqu'eLLe est dilatée par injection de fluide sous pression. De La même manière, un des panneaux rabattabLes 8 comporte un évidement adapté pour une enceinte déformable (ou coussin pLat) identique 11, elle aussi reliée à la source de fluide sous pression. L'autre panneau 9 en est dépourvu et on peut ainsi s'en servir pour supporter l'échantillon au cours des manoeuvres d'introduction et de mise en pLace. Pour rendre pLus symétriques les contraintes exercées, on peut aussi disposer un coussin pLat identique dans un évidement du panneau 9 et utiliser une pLaque amovibLe pour Le recouvrir durant Les manoeuvres d'engagement ou de dégagement de L'échantiLLon. Des trous fiLetes 12 sont ménagés dans L'épaisseur de plaques latérales 4, 5 pour des moyens de fixation des panneaux 8, 9 en position de fermeture. La ceLLule 1 est fixée sur un socLe 13 (Fig.2). Au-dessus de L'échantiLLon, on dispose une plaque d'appui 14 connectée à un moyen de contrainte 15 tel qu'un vérin, de manière à exercer sur Lui une contrainte verticaLe. Suivant un mode préféré de réaLisation, le pivotement des panneaux 8, 9 est obtenu au moyen de vérins hydrauLiques 16, 17. Les cylindres de ces vérins sont reLies au soc Le 13 et Leurs tiges 18, 19 respectivement aux panneaux 8, 9. Des fines plaques en matériau plastique tel que du Téflon (non représentées), sont de préférence interposées à La mise en pLace entre Les côtés de t'échantillon 3 et Les coussins hydrauLiques 10, 11 pour éviter. à leur mise sous pression, que des tractions ne soient exercées sur la roche, provoquant des fracturations invoLontaires de celLe-ci. On a réalisé par exemple une celLuLe adaptée à recevoir des échantiLLons sensibLement cubiques de 0,40 mètre de côté. La source de fLuide sous pression utilisée est par exemple une pompe à pLusieurs têtes d'injection, qui alimentent séparément Les coussins Latéraux 10, 11 et Le vérin superieur 15. ELLe délivre par exemple aux coussins une pression de 10 MPa et au vérin supérieur une pression teLLe que La contrainte sur L'échantiLLon soit de 15 MPa. Des moyens de mesure teLs que des accéLéromètres. 20 (Fig.1), sont pLacés dans des évidements appropriés creusés dans L'échantiLLon et sont reliés à un Laboratoire d'enregistrement exterieur non représenté par des condupteurs 21 traversant La plaque supérieure 14. Ces capteurs peuvent servir à la détection et la Localisation de fractures provoquées par injection de fluide au coeur de L'échantiLLon. A cet effet, la plaque supérieure est pourvue d'un passage 22 pour une tête d'injection. Un canal est foré dans Le prolongement du passage 18 CFig.2) jusqu'au centre de La roche et un tube 23 terminé par une crépine 24 y est enfoncé. Des joints permettent le raccordement étanche de la tête d'injection au tube. La tete d'injection communique avec une pompe hydraulique à débit constant (non représentée) et du liquide sous pression est injecté dans la roche jusqu'à provoquer des fracturations que L'on détecte au moyen des capteurs 20. Un puits cyLindrique peut aussi être foré perpendiculairement au panneau 9 et par un orifice 25 (Fig.1) ménagé dans celui-ci à cet effet, on peut détecter au moyen d'un instrument approprié, l'ovaLisation du puits sous L'effet des contraintes appliquées à L'échantiLLon. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour appliquer des contraintes tri-dimensionnelLes à un echantiLLon de matière (3), de forme sensibLement parallélépipédique, teLLe qu'une roche pré Levée dans des formations souterraines par exempLe, comportant une ceLLuLe rigide (1) pourvue d'une cavité de forme adaptée à celle de L'échantiLLon, des moyens associés au corps pour appLiquer des contraintes tri-dimensionneLLes sur Les faces de L'échantiLLon et des moyens capteurs disposés au contact de ceLui-ci, caractérisé en ce que :: - Ladite cellule(1) est délimitée par une embase (2), deux parois LatéraLes (4, 5) sensiblement paraLLèLes entre eLLes et solidaires de L'embase et deux panneaux (8, 9), l'un au moins de ces deux panneaux étant articulé par rapport a L'embase et pouvant être rabattu de manière à servir, en position d'ouverture, de support à L'échantiLLon durant son introduction dans la celluLe (1) entre les deux parois latérales (4, 5); - des enceintes dilatables aplaties (10, 11) pourvues chacune d'une membrane capabLe de s'appLiquer étroitement contre une face entière de L'échantiLLon, chacune d'elles étant fixée dans un évidement menagé dans la ceLluLe et en communication avec un système hydraulique déLivrant un fLuide sous pression; et - des moyens (12) pour solidariser chaque panneau rabattable en position de fermeture. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens moteurs (16, 17) pour faire pivoter chaque panneau entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture. 3) Dispositif seLon La revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, L'echantiLLon etant pourvu d'un canaL creusé jusque dans sa partie centra Le dans lequel est placé un tube d'injection de fLuide (19, 20), - Lesdits moyens d'application de contraintes comportent une pLaque (14) opposée à L'embase pour l'application d'une force suivant une direction sensibLement perpendiculaire à celLe-ci, cette pLaque étant pourvue d'un alésage (22) pour Le passage d'un embout d'injection de fLuide relié au système hydrauLique, et - Les moyens capteurs comportent plusieurs capteurs (20) pour La détection de signaux acoustiques émis dans L'échantiLLon en réponse à L'injection de fLuide sous pression dans Le cardial central. 4) Dispositif selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'iL comporte deux panneaux rabattables (8, 9) et des vérins hydrauLiques (16, 17) pour tes faire pivoter relativement à L'embase, l'un au moins étant pourvu d'une enceinte dilatabLe (11). 5) Dispositif seLon la revendication 4, caractérisé en ce que L'un desdits panneaux est pourvu d'une paroi rigide pour recevoir L'échantiLLon au cours des manoeuvres d'introduction et d'extraction. 6) Dispositif selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cellule (1) comporte une ouverture (25) pour Le passage d'un outiL de forage au travers de l'échantillon et pour un instrument de détection de l'ovalisation du trou foré, sous L'effet des contraintes appliquées. 7) Dispositif selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu'il comporte au moins deux enceintes dilatabLes (10, 11) associées respectivement à L'une des parois et à l'un des panneaux du corps. 8) Dispositif se ton la revendication 7, caractérisé en ce que chacune des deux parois est associée à une enceinte diLatable.