Brevet FR2729222A1 — publié le 19960712

DETERMINATION DE LA POROSITE ET DE LA PERMEABILITE D'UNE FORMATION GEOLOGIQUE A PARTIR DU PHENOMENE D'ELECTROPILTRATION La présente invention concerne un procédé de détermination de la porosité et de la perméabilité d'une formation géologique à partir du phénomène d'électrofiltration. Elle concerne également des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un problème majeur de l'exploitation des gisements pétrolifères est celui de la détermination de la quantité d'hydrocarbures que l'on peut extraire d'un gisement. L'ensemble des moyens de prospection et d'exploitation sont mis en oeuvre pour résoudre ce problème dont la solution n'est pas directe. Il est connu de déterminer la perméabilité d'une formation géologique à partir d'un effet d'électrofiltration lié au passage d'un fluide dans un milieu perméable. Cette détermination se fait à partir du trou de sondage foré dans la formation géologique. L'effet d'électrofiltration dépend en particulier de la perméabilité de la roche constituant la formation et de la nature du ou des fluides qui y sont contenus. Dans un modèle approché, le potentiel U(t) dû au phénomène d'électrofiltration s'exprime par la relation suivante: U(t) = AP(t). ú. / (4 x. * -) à condition que: l'écoulement du flux soit laminaire, - les dimensions des pores soient supérieures à l'épaisseur de la double couche électrochimique, - la conductance de surface soit inférieure à celle du fluide; avec: - P(t) différence de pression fonction du temps t, B12120.3JL - ú, 0, -constante diélectrique, viscosité et conductivité du fluide respectivement, - g potentiel zêta caractérisant l'interface solideliquide. D'autre part cette relation est valable pour des fluides de faibles conductivités, c'est-à-dire pour î Dans le cas de conductivités plus élevées, ce qui arrive dans le domaine pétrolier surtout en présence de boue de forage à l'eau, le potentiel décroît et le courant d'électrofiltration associé croit. A partir de la relation ci-dessus, plusieurs méthodes de détermination de la perméabilité d'une formation géologique ont été élaborées. Elles ont fait l'objet notamment des brevets US-A-3 599 085, US-A-4 427 944 et EP-B-43 768. Ces méthodes sont basées sur la mesure du potentiel d'électrofiltration qui est directement proportionnel à la pression produite par des générateurs de pression. Or cette pression est très dépendante des contacts entre les générateurs de pression et la formation, contacts qui sont très perturbés notamment par les irrégularités existant au niveau des parois du trou de sondage. Il en résulte des imprécisions dans la mesure de la perméabilité de la formation géologique. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en mettant en oeuvre un autre concept de mesure basé sur l'existence de phénomènes d'électrofiltration non linéaires. Ces phénomènes ont plusieurs origines qui reposent sur l'existence d'une double phase de fluides non miscibles et sur les déformations locales de la formation (déplacement de grains à courte ou longue distance) du fait de l'application d'une pression locale. B12120.3JL Ces phénomènes non linéaires peuvent se traduire par un phénomène critique, par exemple un phénomène de résonance de la propagation de l'onde de pression signalant une discontinuité importante. La valeur de la fréquence critique est liée aux caractéristiques de la formation et en particulier à la porosité et à la perméabilité. D'autre part, la perméabilité est fonction du diamètre des grains de la roche constituant la formation géologique, de la porosité et des paramètres du fluide comme la température, la viscosité et la masse spécifique. Connaissant la valeur de la fréquence critique on en déduit la valeur de la porosité puis la valeur de la perméabilité ou inversement. La discontinuité est détectée à partir du suivi de l'évolution des grandeurs électriques liées à l'électrofiltration, tension ou courant. Un premier objet de l'invention consiste donc en un procédé de détermination de la porosité et/ou de la perméabilité d'une formation géologique, à partir d'un effet d'électrofiltration engendré dans la formation, comprenant des étapes consistant à: - exciter mécaniquement et de manière répétitive le fluide de ladite formation pour propager une onde de pression de caractéristiques propres à engendrer un effet d'électrofiltration dans la formation, - mesurer une grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration engendré dans la formation par ladite onde de pression, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à: - déterminer la fréquence critique de la propagation de l'onde de pression par variation de la fréquence d'excitation mécanique de la formation et suivi de la variation correspondante de la grandeur représentative du phénomène d'électrofiltration, B12120.3JL - déterminer la porosité et/ou la perméabilité de la formation à partir de la relation qui les relie à ladite fréquence critique ou à partir d'abaques. L'onde de pression peut être générée par une source d'excitation unique ou par deux sources fournissant des ondes de même fréquence mais déphasées entre elles pour permettre de canaliser le fluide excité. Dans ce dernier cas, le déphasage est avantageusement de 180 pour que l'une des sources joue le rôle de compresseur pendant une demi-période pendant que l'autre joue le rôle de pompe et inversement pour la demi-période suivante. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus dans une formation géologique traversée par un trou de sondage caractérisé en ce qu'il comprend: - un générateur de pression constituant la source d'excitation et disposé contre la paroi du trou de sondage pour réaliser ladite excitation de fluide sous une fréquence variable, - des moyens de mesure de ladite fréquence, - des électrodes appliquées sur ladite paroi pour recueillir ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, - des moyens électroniques connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus dans une formation géologique traversée par un trou de sondage, caractérisé en ce qu'il comprend: - deux générateurs de pression disposés contre la paroi du trou de sondage pour constituer les deux sources fournissant des ondes de même fréquence mais déphasées entre elles, cette fréquence étant variable, B12120.3JL - des moyens de mesure de ladite fréquence, - des électrodes appliquées sur ladite paroi pour recueillir ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, - des moyens électroniques connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. Lorsque le dispositif utilise deux générateurs de pression, ceux-ci peuvent être agencés pour se trouver dans un plan variable entre une position perpendiculaire et une position parallèle à l'axe du trou de sondage. Les phénomènes d'électrofiltration non linéaires peuvent également être exploités d'une autre manière dans une configuration utilisant deux sources émettrices d'une onde de pression. La technique de mesure consiste alors à maintenir constante la fréquence du signal et à faire varier la différence de phase entre les sources en observant l'évolution du signal détecté, lequel passe par un extremum pour une différence de phase donnée, laquelle est reliée aux caractéristiques de la formation, en particulier la porosité et la perméabilité. On peut par exemple se servir d'abaques pour déterminer les valeurs de porosité et de perméabilité. L'invention a donc aussi pour objet un procédé de détermination de la porosité et/ou de la perméabilité d'une formation géologique, à partir d'un effet d'électrofiltration engendré dans la formation, comprenant des étapes consistant à: - exciter mécaniquement et de manière répétitive le fluide de ladite formation pour propager une onde de pression de caractéristiques propres à engendrer un effet d'électrofiltration dans la formation, mesurer une grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration engendré dans la formation par ladite onde de pression, B12120.3JL caractérisé en ce que: - l'onde de pression étant produite par deux sources fournissant des ondes d'une même fréquence déterminée et permettant de canaliser le fluide excité, les ondes fournies par les deux sources étant déphasées entre elles et le déphasage entre les deux sources étant réglable, on détermine pour quelle valeur de déphasage la grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration mesurée passe par un extremum, - on détermine la porosité et/ou la perméabilité de la formation à partir de la relation qui les relie à ladite valeur de déphasage ou à partir d'abaques. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus dans une formation géologique traversée par un trou de sondage, caractérisé en ce qu'il comprend: - deux générateurs de pression disposés contre la paroi du trou de sondage pour constituer les deux dites sources, - des moyens de mesure du déphasage entre les ondes fournies par les deux sources, - des électrodes appliquées sur ladite paroi pour recueillir la grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, des moyens électroniques connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. Dans ce cas également, les générateurs de pression peuvent être agencés pour se trouver dans un plan variable entre une position perpendiculaire et une position parallèle à l'axe du trou de sondage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés B12120.3JL comprenant les figures 1 à 4qui représentent autant de variantes de réalisation selon l'invention de dispositifs de détermination de la porosité et/ou de la perméabilité d'une formation géologique à partir d'un effet d'électrofiltration. Le dispositif de la figure 1 permet une mesure de la porosité et/ou de la perméabilité par recherche de la fréquence de résonance de la propagation de l'onde de pression. Il est représenté en position dans le trou de sondage 1 foré dans la formation géologique 2 et comprend notamment un générateur de pression 11. Ce générateur de pression peut être un transducteur hydraulique tel que celui utilisé dans le brevet US-A-3 599 085 mentionné ci-dessus. Il peut s'agir d'un vibreur électromagnétique blindé électromagnétiquement qui a l'avantage d'être alimenté à une fréquence moitié de celle de la vibration (quelques centaines de hertz), ce qui permet de filtrer les signaux. Quel que soit le type de générateur utilisé, il est relié par un câble électrique 12 à une alimentation électrique basse fréquence 13 située en surface. La fréquence de cette alimentation est inférieure à quelques kHz. Deux électrodes 14 et 15, par exemple en graphite, en platine ou en chlorure d'argent sont appliquées sur la paroi du trou de sondage. Pratiquement, la distance entre les électrodes et la distance entre le générateur et les électrodes peuvent être de 10 cm. Les électrodes 14 et 15 sont reliées à un circuit électronique de mesure 16 situé dans le trou 1, à proximité des électrodes, donc dans un milieu à température élevée (de l'ordre de 175 C). Le circuit 16 est constitué d'un amplificateur de tension très bas niveau suivi d'une détection synchrone. Ce circuit est relié par un câble électrique 17 à un circuit B12120.3JL électronique d'acquisition de données 18. Les lignes fléchées représentées dans la formation géologique 2 figurent les directions de déplacement du fluide (ou des fluides) contenus dans la formation. Les électrodes 14 et 15 recueillent une différence de potentiel électrique due au phénomène d'électrofiltration provoqué par le générateur 11 dans la formation géologique. Le signal recueilli, détecté et amplifié, permet de suivre, sous forme d'une tension, l'influence de la fréquence sur la valeur de ce signal. On recherche, par variation de la fréquence de l'alimentation électrique 13, quelle est la fréquence pour laquelle le circuit 18 fournit une tension détectée maximale. Cette tension maximale correspond à la fréquence de résonance. Le calcul, par exemple à l'aide d'un calculateur, permet d'en déduire les valeurs de porosité et de perméabilité. On peut également se servir d'abaques constitués à partir d'expérimentations effectuées en laboratoire. Le dispositif de la figure 2 met en oeuvre deux générateurs de pression 20 et 21, reliés par des câbles électriques 22 et 29, excités à la même fréquence mais à des phases différentes, contrôlées à partir d'une alimentation électrique basse fréquence 23 fournissant deux signaux à différence de phases contrôlable. Une différence de phase de 180 permet à l'un des générateurs de jouer le rôle de compresseur pendant une demi-période tandis que l'autre joue le rôle de pompe, et inversement pour la demi-période suivante. Cette technique permet de canaliser le flux de fluide (ou des fluides) en mouvement comme le figurent les signes dessinées dans la formation géologique. Chaque électrode 24, 25 est disposée à proximité d'un générateur de pression. Comme précédemment, les électrodes sont reliées à un circuit électronique de B12120.3JL mesure 26 situé dans le trou 1. Le circuit 26 est relié par un câble électrique 27 à un circuit électronique d'acquisition de données 28. La recherche de la fréquence de résonance se fait comme précédemment, de même que le calcul de la porosité et de la perméabilité. La figure 2 montre une disposition verticale des deux générateurs, impliquant une canalisation verticale du flux de fluide. En disposant les générateurs de pression 20 et 21 horizontalement, comme le montre la figure 3 o le trou de sondage 1 est vu en coupe transversale, on peut obtenir des valeurs de porosité et de perméabilité dans une direction horizontale. Des mesures de porosité et de perméabilité selon des directions inclinées par rapport à la verticale sont également possibles en disposant les générateurs de pression en conséquence. Dans la configuration utilisant deux générateurs de pression, il est aussi possible d'utiliser une détection de courant en fermant le circuit électrique par un ampèremètre et une résistance adaptée placés entre les électrodes. La figure 4 représente un exemple d'une telle réalisation. La figure 4 montre que les électrodes 44 et sont situées chacune entre le générateur de pression correspondant 40 ou 41 et la paroi du trou de sondage 1. Dans ce cas, les électrodes, par exemple en graphite, en chlorure d'argent ou en platine, sont poreuses afin de laisser le passage libre au fluide. Des câbles électriques 42 et 49 relient l'alimentation électrique 43 aux générateurs de pression 40 et 41, respectivement. Les électrodes 44 et 45 sont reliées par un circuit électrique comprenant une résistance R et un B12120.3JL circuit électronique de mesure 46. L'amplitude du courant traversant le circuit électrique reliant les électrodes 44 et 45 dépend en particulier de la valeur de la résistance placée dans ce circuit. Suivant la valeur de cette résistance, le circuit de mesure peut être constitué, comme le montre la figure 4, d'un ampèremètre bas niveau en série avec la résistance R, cet ampèremètre étant suivi d'une détection synchrone. Le circuit de mesure peut aussi être constitué, en fonction de la valeur de la résistance, d'un amplificateur de tension bas niveau branché aux bornes de la résistance R, ce circuit parallèle étant branché entre les électrodes 44 et 45 et l'amplificateur de tension étant suivi d'une détection synchrone comme pour la mesure de potentiel. Une enveloppe diélectrique 50 renfermant les électrodes, les générateurs et le circuit électrique reliant les électrodes oblige le courant à passer par le circuit de mesure. L'enveloppe 50 ne doit cependant pas recouvrir la face des électrodes en contact avec la paroi du trou de sondage 1 pour permettre le passage du fluide au travers de ces électrodes. La configuration utilisant deux générateurs de pression déphasés peut être aussi employée de la façon suivante. La fréquence de vibration des générateurs de pression est gardée constante et on fait varier la différence de phase entre les générateurs en observant l'évolution du signal détecté. Le déphasage est mesuré par un appareil approprié. On relève la valeur du déphasage correspondant à un extremum de la grandeur électrique détectée. Cette valeur du déphasage étant reliée aux caractéristiques de la formation, en particulier à la porosité et à la perméabilité, on peut en déduire par le calcul ou B12120.3JL il au moyen d'abaques les valeurs de la porosité et de la perméabilité de la formation. B12120.3JL REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la porosité et/ou de la perméabilité d'une formation géologique, à partir d'un effet d'électrofiltration engendré dans la formation (2) comprenant des étapes consistant à: - exciter mécaniquement et de manière répétitive le fluide de ladite formation pour propager une onde de pression de caractéristiques propres à engendrer un effet d'électrofiltration dans la formation, - mesurer une grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration engendré dans la formation (2) par ladite onde de pression, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à: - déterminer la fréquence critique de la propagation de l'onde de pression par variation de la fréquence d'excitation mécanique de la formation et suivi de la variation correspondante de la grandeur représentative du phénomène d'électrofiltration, - déterminer la porosité et/ou la perméabilité de la formation à partir de la relation qui les relie à ladite fréquence critique ou à partir d'abaques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde de pression est produite par une unique source d'excitation (11). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde de pression est produite par deux sources (20, 21) fournissant des ondes de même fréquence mais déphasées entre elles pour permettre de canaliser le fluide excité. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le déphasage entre les deux sources est de . 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé B12120.3JL selon la revendication 2 dans une formation géologique (2) traversée par un trou de sondage (1), caractérisé en ce qu'il comprend: - un générateur de pression (11) constituant la source d'excitation et disposé contre la paroi du trou de sondage (1) pour réaliser ladite excitation de fluide sous une fréquence variable, - des moyens de mesure de ladite fréquence, des électrodes (14, 15) appliquées sur ladite paroi pour recueillir ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, - des moyens électroniques (16, 18) connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 3 ou 4 dans une formation géologique (2) traversée par un trou de sondage (1), caractérisé en ce qu'il comprend: - deux générateurs de pression (20, 21; 40, 41) disposés contre la paroi du trou de sondage (1) pour constituer les deux sources fournissant des ondes de même fréquence mais déphasées entre elles, cette fréquence étant variable, - des moyens de mesure de ladite fréquence, des électrodes (24, 25; 44, 45) appliquées sur ladite paroi pour recueillir ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, - des moyens électroniques (26, 28; 46, 48) connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, ladite grandeur représentative B12120.3JL du potentiel d'électrofiltration étant un courant électrique, les électrodes (44, 45) sont chacune intercalées entre un générateur de pression (40, 41) et la paroi du trou (1), les électrodes étant poreuses afin de laisser un libre passage au fluide excité. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les générateurs de pression (20, 21) sont agencés pour se trouver dans un plan variable entre une position perpendiculaire et une position parallèle à l'axe du trou de sondage. 9. Procédé de détermination de la porosité et/ou de la perméabilité d'une formation géologique (2), à partir d'un effet d'électrofiltration engendré dans la formation, comprenant des étapes consistant à: - exciter mécaniquement et de manière répétitive le fluide de ladite formation pour propager une onde de pression de caractéristiques propres à engendrer un effet d'électrofiltration dans la formation, - mesurer une grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration engendré dans la formation par ladite onde de pression, caractérisé en ce que: - l'onde de pression étant produite par deux sources fournissant des ondes d'une même fréquence déterminée et permettant de canaliser le fluide excité, les ondes fournies par les deux sources étant déphasées entre elles et le déphasage entre les deux sources étant réglable, on détermine pour quelle valeur de déphasage la grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration mesurée passe par un extremum, - on détermine la porosité et/ou la perméabilité de la formation à partir de la relation qui les relie à ladite valeur de déphasage ou à partir d'abaques. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 9 dans une formation géologique B12120.3JL (2) traversée par un trou de sondage (1), caractérisé en ce qu'il comprend: - deux générateurs de pression (20, 21; 40, 41) disposés contre la paroi du trou de sondage (1) pour constituer les deux dites sources, des moyens de mesure du déphasage entre les ondes fournies par les deux sources, - des électrodes (24, 25; 44, 45)appliquées sur ladite paroi pour recueillir la grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration, des moyens électroniques (26, 28; 46, 48) connectés auxdites électrodes pour mesurer ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration et suivre sa variation correspondante. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que, ladite grandeur représentative du potentiel d'électrofiltration étant un courant électrique, les électrodes (44, 45) sont chacune intercalées entre un générateur de pression (40, 41) et la paroi du trou (1), les électrodes étant poreuses afin de laisser un libre passage au fluide excité. 12. Dispositif selon l'une des revendications ou 11, caractérisé en ce que les générateurs de pression (20, 21) sont agencés pour se trouver dans un plan variable entre une position perpendiculaire et une position parallèle à l'axe du trou de sondage. B12120.3JL