Brevet FR2734364A1 — publié le 19961122

La présente invention se rapporte à une cellule de mesure des caractéristiques pétrophysiques et poro-mécaniques d'un échantillon de roche, plus particulièrement un échantillon de roche provenant d'un puits de forage pétrolier. Lors du forage d'un puits pétrolier, on prélève des échantillons de roches, plus communément appelés "carottes", dans la région entourant la strate pétrolifère. Ces carottes permettent une analyse géologique détaillée des strates traversées. De plus, on prélève des échantillons de roche, appelés "plugs" dans les carottes afin de permettre une analyse des caractéristiques physiques de la roche. Cette analyse pétrophysique permet de déterminer les caractéristiques que l'on peut attribuer à la roche réservoir où sont stockés le gaz ou l'huile. Ce type d'analyse donne accès aux paramètres essentiels de la roche réservoirs tels que porosité, perméabilité, contenu en fluides et résistivité. Muni de ces paramètres, on peut simuler l'évolution prévisible des caractéristiques du réservoir avec le temps, une fois que le réservoir est mis en production. Aux profondeurs où se trouve la roche réservoir, la température et la pression sont souvent très élevées, de l'ordre de 200"c et plus de 1000bar. I1 est nécessaire, lorsque l'on procède à la mesure des caractéristiques physiques d'un échantillon de roche de recréer dans la cellule de mesure ces conditions de température et de pression afin d'obtenir des résultats représentatifs. Dans les cellules de mesure proposées précédemment, les mesures de porosité, compressibilité de pore et perméabilité étaient effectuées, au laboratoire, en contrainte isotrope sans pression de pore, selon le principe de contrainte effective. Ce type de cellule ne permettait pas de dépasser des pressions de 500 bar. Les mesures effectuées dans ce type d'appareil n'étaient pas entièrement représentatives des conditions régnant dans le gisement. Aussi, il fallait remettre les mesures en condition de réservoir afin de permettre leur utilisation par des ingénieurs réservoir. Ce calcul, fondé sur la mécanique des milieux poreux, appelée la théorie de Biot, n'est valable théoriquement, en ce qui concerne les seules variations de porosité, que dans le domaine des déformations élastiques. Hors de ce domaine, les modèles existants doivent être calés sur des mesures. La présente invention a donc pour objet de proposer une cellule de mesure des caractéristiques pétro-physiques et poro-mécaniques d'un échantillon de roche qui permet de recréer les conditions de température et de pression régnant dans un gisement pétrolier afin de déterminer les caractéristiques requises avec plus de précision, sans destruction des échantillons. Pour ce faire l'invention propose une cellule de mesure des caractéristiques pétro-physiques et poro-mécaniques d'un échantillon de roche comprenant un corps à l'intérieur duquel est formée une chambre de mesure, des moyens de chauffage de la chambre de mesure, des pièces de butée destinées à recevoir l'échantillon et des moyens destinés à appliquer une contrainte axiale sur l'échantillon par l'intermédiaire des pièces de butée, une gaine disposée de manière étanche autour de l'échantillon et des pièces de butée afin d'isoler l'échantillon de la chambre de mesure, et des moyens destinés à appliquer une pression hydraulique dans la chambre de mesure afin de générer des contraintes radiales sur l'échantillon à travers la gaine. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une cellule de mesure selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique d'un système de mesure comprenant la cellule de la figure 1. Comme représentée sur la figure 1, une cellule de mesure des caractéristiques physiques d'un échantillon de roche 10 comprend un corps 12, de forme cylindrique, qui est fermé à son extrémité supérieure (en regardant les dessins) par un obturateur 14 monté sur un épaulement conique 16 formé sur la paroi interne du corps 12. L'extrémité inférieure du corps 12 est obturée par un support annulaire 18 qui est retenu, dans sa position illustrée, par une bague filetée 20. L'espace situé à l'intérieur du corps 12 entre l'obturateur 14 et le support 18 forme une chambre de mesure 22, dont l'étanchéité est assurée par des joints 24 et 26 en matériau élastomère. Un piston 28, monté dans le support annulaire 18, est déplaçable selon son axe longitudinal 30 sous l'effet d'une pression hydraulique appliquée dans une chambre annulaire 32 définie entre le piston 28 et le support annulaire 18. Des joints 34, 36 et 38 assurent l'étanchéité entre la chambre de mesure 22, la chambre annulaire 32 et l'extérieur respectivement. Des pièces de butée 40 et 42, de forme sensiblement tronconique, sont montées sur l'obturateur 14 et l'extrémité 44 du piston 28 respectivement et servent de support à un échantillon de roche 46 à étudier. Des jauges de contrainte 48, montées préalablement sur l'échantillon 46, sont reliées à des conducteurs électriques 49.Ces jauges 48 sont destinées à mesurer les déformations axiales et radiales de l'échantillon, mesures qui serviront aussi à asservir soit la pompe radiale, soit la pompe axiale, en fonction du critère de déformation retenu; par exemple, déformations radiales nulles. Afin d'assurer l'isolation électrique de l'échantillon 46 et des pièces de butée 40 et 42 par rapport à l'ensemble de la cellule 10, des couches 52 et 54 de matériau isolant sont disposées respectivement entre l'obturateur 14 et la pièce de butée 40, et entre le piston 28 et la pièce de butée 42. Comme la cellule 10 est destinée à recréer les conditions de température et de pression régnant au fond d'un gisement pétrolier, elle comprend des colliers chauffants 56, quatre dans l'exemple illustré, disposés autour du corps 12 à l'intérieur d'une coquille isolante 58. Ces moyens de chauffage permettent d'atteindre des températures de l'ordre de 200 C. Un élément chauffant électrique additionnel (non représenté), de forme hélicoïdale, est monté autour de l'échantillon 46. L'obturateur 14 , le support annulaire 18 et le piston 28 sont munis de passages hydrauliques dont la fonction sera décrite ci-dessous.De plus, l'obturateur 14 et le piston 28 sont munis de passages axiaux 59 dans lesquels s'étendent des conducteurs électriques isolés 61 destinés à relier les pièces de butée 40 et 42 à un circuit de mesure électrique. Une gaine cylindrique 60 en matériau élastomère, par exemple en Vitone, est disposée autour de l'échantillon 44 et se prolonge, de manière étanche, sur les surfaces des pièces de butée 40 et 42. La gaine 60 permet d'isoler l'échantillon 46, ainsi que le fluide avec lequel il est imprégné, de la chambre de mesure 22. De plus, la gaine, étant souple, transmet la pression hydraulique régnant dans la chambre de mesure 22 à l'échantillon de manière homogène le long de sa périphérie. Les diverses contraintes agissant sur l'échantillon tendent à déformer ce dernier, et la gaine souple permet d'accomoder de telles déformations. Les conducteurs 49 des jauges de contraintes 48 traversant la gaine 60 de manière étanche de manière à pouvoir résister à une pression de 1500 bars pendant une période de trois semaines. La cellule 12 est adaptée à recevoir des échantillons 44 de diamètre d'environ 40 mm et de longueur comprise entre 50 et 80 mm. Un système de mesure incorporant la cellule de mesure 10 ainsi décrite est représenté sur la figure 2. Ce système comprend un ensemble 62 de mesures électriques qui est relié, par des câbles 65 aux conducteurs 61 disposés de part et d'autre de l'échantillon 46 pour en mesurer la résistance électrique afin de pouvoir déterminer le facteur de formation. Une première pompe hydraulique 64, destinée à exercer les contraintes radiales sur l'échantillon, est reliée à la chambre de mesure par un conduit 66. Dans la chambre de mesure, quatre tuyaux de liaison 50, dont deux sont représentés sur la figure 1, s'ouvrent à l'intérieur de la gaine 60. Deux tuyaux de liaison 50 servent à la circulation du fluide sous pression lors des mesures de perméabilité, les deux autres constituant les prises de pression amont et aval par rapport au sens de circulation. Une deuxième pompe hydraulique 68, destinée à appliquer une contrainte axiale à l'échantillon, par l'intermédiaire du piston 28, est reliée à la chambre annulaire 32 par un conduit 70. Le déplacement axial du piston 28 est mesuré par un capteur 72. Une troisième pompe hydraulique 74 communique avec un ensemble de mesure de pression différentielle 80 qui est également relié à une quatrième pompe hydraulique 82. L'ensemble de mesure de pression différentielle 80 est un dispositif composé de deux capteurs de pression absolue et d'un module électronique. La troisième pompe 74 communique avec une extrémité de l'échantillon 46 tandis que la quatrième pompe 82 est en communication hydraulique avec l'extrémité de l'échantillon afin de mesurer la pression de pore de l'échantillon. La circulation du fluide au sein de l'échantillon s'effectue alternativement dans un sens puis dans l'autre, d'une mesure de perméabilité à la suivante, la pompe hydraulique 74 imposant, par exemple, le débit et la pompe hydraulique 82 régulant la pression de pore définie au sein même de l'échantillon, et vice-versa à la mesure de perméabilité qui suit. Ce procédé permet de réduire considérablement les problèmes de colmatage éventuels liés à l'entraînement de particules fines dans le réseau poreux de l'échantillon.La cellule 10 est également munie de capteurs de température (non-représentés) destinés à mesurer la température de la cellule ainsi que celle de l'échantillon. Une cinquième pompe volumétrique 78, de capacité réduite, est reliée par un conduit 76 à l'échantillon et remplie les fonctions de volumomètre. Afin de procéder à des mesures, un échantillon de roche 46 à analyser, muni de jauges de contraintes 48, est préalablement disposé dans la gaine cylindrique 60 avant d'être mis en place dans la cellule de mesure 10. L'échantillon 46, de forme cylindrique, est prélevé dans la carotte dans le sens vertical et non pas dans le sens horizontal selon la pratique courante. Ainsi, une fois l'échantillon mis en place, verticalement, dans la cellule de mesure, les contraintes appliquées à l'échantillon pourront être pratiquement celles subies par la roche réservoir. Ayant fermé complètement la cellule au moyen du support annulaire 28 et la bague filetée 20, la cellule 10 est emplie de fluide sous pression, de préférence de l'huile neutre. Ensuite, les colliers chauffants 56 sont mis sous tension afin que la température requise à l'intérieur de la cellule soit atteinte (de 20"C à 200 C). Il s'en suit une phase de remise en conditions de réservoir de l'échantillon pour atteindre les contraintes et pression du fluide insitu.Après une période de stabilisation, commence la phase de déplétion simulant le chemin de chargement supposé subi par le milieu poreux tout au long de la production d'hydrocarbures. Au cours de ces différentes phases, on procède aux enregistrements des mesures délivrées par les capteurs pour en déduire les caractéristiques pétro-physiques et poro-mécaniques de l'échantillon. Ces mesures s'effectuent simultanément à chacun des paliers de pression déterminés, et régulièrement entre ces paliers. Les mesures de perméabilités sont effectuées à la fin de chacun des paliers précédents, après un temps de stabilisation des déformations de l'échantillon. Ces mesures sont réalisées de manière entièrement automatisées, à débit imposé rigoureusement contrôlé, avec enregistrement de la pression différentielle à travers l'échantillon. Ces mesures, qui peuvent s'effectuer à une pression de l'ordre de 1500 bars, en début de déplétion, sont très précises, l'ensemble de mesure de la pression différentielle 80 permettant d'atteindre une précision de l'ordre du millibar. Les mesures de variations de volume de pore de l'échantillon sont effectuées durant toute la phase de remise en conditions de réservoir ainsi que pendant la phase de déplétion imposé à l'échantillon, à l'aide du volumomètre 78 qui permet d'atteindre une précision de 10-4 cm3. On procède également à des mesures de la résistance électrique de l'échantillon en pression (de 0 à 1500 bars) et en température (de 20"C à 200 C) afin de déterminer le facteur de formation, si utile pour l'interprétation des diagraphies électriques. Les déformations de l'échantillon, enregistrées sous des états de contraintes bien connus, permettent le calcul du coefficient de Biot de l'échantillon - sur la plage de déplétion requise, jusqu'à 1500 bars - dont la connaissance est essentielle pour l'estimation des contraintes effectives dans le réservoir. L'ensemble des contraintes et déformations de l'échantillon sont pilotées et enregistrées en continu, ce qui permet soit un asservissement oedométrique des déformations de l'échantilon, soit un asservissement contrôlé par un chemin de chargement (ratio des variations des contraintes radiale et axiale) pré-établi. REVENDICATIONS 1 - Cellule de mesure des caractéristiques pétro-physiques et poro-mécaniques d'un échantillon de roche comprenant un corps 12 à l'intérieur duquel est formée une chambre de mesure 22, des moyens de chauffage 56 de la chambre de mesure, des pièces de butée 40, 42, destinées à recevoir l'échantillon et des moyens 28 destinés à appliquer une contrainte axiale sur l'échantillon par l'intermédiaire des pièces de butée, une gaine 60 disposée de manière étanche autour de l'échantillon et des pièces de butée afin d'isoler l'échantillon de la chambre de mesure, et des moyens destinés à appliquer une pression hydraulique dans la chambre de mesure afin de générer des contraintes radiales sur l'échantillon à travers la gaine. 2 - Cellule de mesure selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus, des conduits permettant l'arrivée de fluide sous pression vers les extrémités opposées de l'échantillon. 3 - Cellule de mesure selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle comprend, de plus, des conducteurs électriques 61 permettant de relier les extrémités opposée de l'échantillon à un ensemble de mesures électriques.