Brevet FR2746920A1 — publié le 19971003

La présente invention concerne le domaine des essais sous contraintes effectués sur un échantillon de roche prélevé dans une formation géologique. Ces essais permettent d'étudier les propriétés et les caractéristiques de la formation. La présente invention s'applique plus particulièrement à une cellule d'essais dans laquelle on soumet des échantillons de roche à de fortes contraintes triaxiales. Les dispositifs actuellement utilisés pour effectuer des essais triaxiaux sur roche comportent une enceinte fermée (cellule) dans laquelle on introduit un échantillon de roche qu'on peut alors soumettre à deux types de contraintes: -une contrainte axiale verticale exercée par un piston sur la partie supérieure de la roche, -une contrainte latérale, exercée par un fluide sous pression dans l'enceinte, par l'intermédiaire d'une membrane déformable et imperméable. Afin d'évaluer la déformation de l'échantillon, des jauges de contrainte sont collées sur celrnci et sont reliées par des fils de transmission traversant ladite membrane, à des appareils de mesure situés à l'extérieur de l'enceinte. Un tel dispositif d'essais triaxiaux sur échantillon de roche est utilisé couramment dans les applications de mécanique des roches depuis de nombreuses années, mais si les résultats de ces mesures sont satisfaisants pour les analyses développées, la mise en oeuvre du dispositif est plus problématique, notamment en ce qui concerne le passage des fils de connexion des jauges de contrainte à travers la membrane. Cette étape préparatoire étant supposée réalisée, I'échantillon muni de sa membrane est placé dans l'enceinte de la cellule d'essai et on vient appuyer un piston sur sa face supérieure. On injecte ensuite un fluide de confinement autour de la membrane jusqu'à obtenir une pression de confinement qui peut atteindre plusieurs centaines de bar. On peut aussi saturer la porosité de l'échantillon par un fluide et lui imposer une pression. La membrane en contact avec le fluide de confinement sous pression transmet alors à la roche la contrainte radiale. La force exercée par le piston, qui peut aller jusqu'à la rupture de la structure de l'échantillon, se répercute à travers la roche et engendre des déformations qui sont détectées par les jauges de contrainte. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif d'essais triaxiaux sur échantillon de roche, comportant un corps central dans lequel est placé un échantillon de roche entouré par une membrane, des jauges de contrainte collées sur l'échantillon et reliées par des fils de connexion à des moyens d'enregistrement situés à l'extérieur dudit corps. Dans le dispositif, ladite membrane comporte au moins trois éléments dont les deux premiers éléments sont joints bout à bout, le troisième élément recouvrant les deux autres au niveau de ladite jonction. Dans le dispositif, lesdits deux premiers éléments peuvent être enfilés sur l'échantillon de roche et peuvent être collés bout à bout. Le troisième élément peut être solidarisé aux deux autres par collage des surfaces communes en contact et/ou par un cordon de colle étalé sur ses deux extrémités. Les fils de connexion peuvent passer à l'extérieur de ladite membrane par ledit plan de jonction et le long de la paroi interne du troisième élément. L'âme des fils de connexion peut être enrobée par tout matériau adhérant intimement à sa surface supprimant tout risque de cheminement de fluide entre le conducteur électrique et ce matériau, par exemple, émail, céramique, résine. Ce matériau peut être à la fois très fin, isolant électrique, étanche et résistant à la pression, inerte chimiquement vis-à-vis des fluides avec lesquels il peut être mis en contact. Les fils de connexion peuvent comporter à leur extrémité des moyens de connexion étanches. L'invention concerne également une méthode d'essais triaxiaux sur un échantillon de roche utilisant une cellule comportant une membrane recouvrant ledit échantillon et destinée à supporter une pression hydraulique de confinement. des jauges de contrainte collées sur l'échantillon et recouvertes par ladite membrane. lesdites jauges comportant des fils de connexion avec des moyens de mesure et de calculs situés à l'extérieur de ladite cellule. Dans la méthode, la membrane est constituée d'au moins trois éléments dont les deux premiers sont enfilés sur ledit échantillon de roche et joints bout à bout, un troisième élément est enfilé en recouvrement des deux autres sensiblement au niveau de ladite jonction et lesdits fils sont passés à l'extérieur de ladite membrane par ladite jonction et le long de la paroi interne du troisième élément. On peut coller ladite jonction, la paroi interne et les extrémités du troisième élément sur lesdits deux premiers éléments. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: la figure 1 montre schématiquement une cellule d'essai selon l'art antérieur, la figure 2 montre schématiquement la membrane imperméable élastique selon l'invention. La figure 1 représente une cellule d'essais triaxiaux sur un échantillon de roche 2. Cette cellule comporte un corps de forme généralement cylindrique (éventuellement de section carrée ou rectangulaire sans pour autant sortir du cadre de la présente invention) dont la partie centrale constitue l'enceinte d'essais triaxiaux sur l'échantillon. Au fond de l'enceinte interne du corps 1 de la cellule est ménagée une embase 3 sur laquelle repose l'échantillon de roche 2. Cette embase présente généralement une certaine conicité de façon à ce qu'une extrémité de la membrane 5 soit serrée sur cette embase, favorisant ainsi l'étanchéité. On retrouve le même principe pour l'extrémité du piston en contact avec l'échantillon. La membrane 5 selon l'art antérieur est du type manchon cylindrique, de longueur supérieure à la longueur de l'échantillon de roche 2, de façon à ce que les extrémités de la membrane 5 soient serrées, soit sur l'embase 3, soit sur le piston 4. Le piston 4 peut être déplacé longitudinalement afin d'appliquer un effort de compression longitudinal sur l'échantillon de roche. L'espace 6 extérieur à la membrane 5 peut être rempli par un fluide sous pression, par exemple de l'eau ou de l'huile, par l'orifice 7 relié par un conduit à un moyen de pompage. On utilisera de préférence un fluide non conducteur. ce qui simplifie les liaisons électriques entre les jauges de contrainte et l'extérieur de la cellule. Le piston 4 comporte sur sa partie basse une pièce d'appui 8 qui assure un contact permanent avec l'échantillon. Cette pièce d'appui 8 est percée de trous qui débouchent dans le volume creux 9 du corps du piston 4. Ce volume peut communiquer ou non avec un réservoir extérieur ou un moyen d'injection d'un fluide. La pièce 8, tout en transmettant la force axiale appliquée sur l'échantillon, permet la saturation de l'échantillon en eau ou autre fluide par toute sa surface, le contrôle de la pression de pore et l'évacuation vers le corps du piston du fluide éventuellement présent dans l'échantillon lorsqu'on exerce une pression dans le circuit de confinement. On retrouve un schéma de montage comparable à l'autre extrémité de l'échantillon. La force verticale peut être exercée par tous moyens habituels dans le domaine considéré, auxquels on associe généralement des capteurs de force, de contraintes ou de pression pour contrôler l'application de la contrainte ou de la pression souhaitée. L'échantillon comporte généralement un nombre pair de jauges de contrainte 10, reliées chacune à au moins deux fils de connexion, collées en son milieu et placées par paires dans deux directions orthogonales. On connaît au moins deux méthodes utilisées permettant d'assurer la continuité électrique entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane. Lorsque les jauges sont déjà reliées aux fils de connexion avant d'enfiler la capote 5, la méthode la plus simple et la plus fréquemment utilisée, consiste à faire passer chacun des fils de connexion par un petit trou percé dans la membrane et à le tirer au fur et à mesure du recouvrement de l'échantillon par la membrane. I1 est clair que cette méthode d'installation des fils de connexion à travers la membrane présente des inconvénients notoires de mise en place de la membrane souvent périlleuse pour les fils de connexion des jauges de contraintes qui sont extrêmement fins et fragiles ainsi que d'étanchéité, même après colmatage autour du passage des fils. Une seconde méthode consiste à faire passer les fils le long de l'échantillon jusqu'à la pièce 8 dans laquelle un orifice permet de les faire cheminer vers l'extérieur de la cellule sans traverser la membrane. Mais, le regroupement des fils, leur positionnement dans les orifices nécessairement pratiqués dans la pièce 8 et dans le piston 4, leur remontée à l'intérieur du piston 4 et enfin l'étanchéité pour leur sortie à la pression atmosphérique rendent cette opération réellement hasardeuse. Ainsi, la présente invention concerne une membrane perfectionnée telle qu'illustrée par la figure 2, ladite membrane pouvant remplacer avantageusement la membrane 5 dans la cellule illustrée par la figure 1. La membrane 11 selon l'invention est constituée par au moins trois éléments. Les deux premiers éléments 12 et 13 sont enfilés au-dessus de l'échantillon de roche sur lequel on a collé des jauges de contrainte 10. Ces deux éléments 12 et 13 peuvent être constitués à partir d'une membrane telle que décrite à partir de la figure 1 et découpée en deux de façon à ce que le plan de jonction 14 se situe dans le voisinage mais, de préférence sans chevaucher les jauges de contraintes. Au contraire, il est souhaitable que le plan de jonction se situe audessus du milieu de l'échantillon de roche. Les fils 15 des jauges passent à l'extérieur au niveau de ce plan de jonction. Le plan de jonction 14 est recouvert de colle du type SCOTCH-GRIP 847 (1236) commercialisé par la société 3M, ou de tout autre colle qui reste souple ou élastique après séchage ou polymérisation. Le plan de jonction 14 des deux éléments de membrane 12 et 13 est recouvert par un manchon 19 dont le matériau peut être identique à celui des parties 12 et 13. Les fils de connexion des jauges passent entre les deux éléments 12 et 13, au niveau du plan de jonction, puis entre l'extérieur d'un des éléments 12 ou 13 et à l'intérieur du manchon 19 extérieur, pour sortir vers l'extérieur, par exemple par l'une des extrémités 16 ou 17 du manchon 19. On profite de la mise en place du manchon 19 sur les éléments 12 et 13 pour coller les parois en contact, puis on dépose un cordon de colle sur les faces des extrémités 16 et 17 afin de parfaire l'étanchéité entre le manchon 19 et les éléments 12 et 13. Si le fluide utilisé l'impose, les fils (15) des jauges de contrainte peuvent être équipés de connecteurs étanches (18), qui seront fixés sur les fils de connexion de préférence après la constitution définitive de la membrane (11). Exemple d'un mode opératoire: A partir d'une membrane telle que décrite sur la figure 1, on enfile celle-ci sur un mandrin de diamètre comparable au diamètre de l'échantillon de roche à tester pour découper la membrane selon un plan orthogonal à son axe longitudinal. Il est préférable de prendre la précaution de découper nettement la membrane de façon à ce que les plans de jonction puissent coïncider le plus parfaitement possible lorsqu'ils seront collés l'un contre l'autre. On peut utiliser pour cela un tour et un outil coupant. La partie 12 (figure 2) est enfilée sur un support 20 de hauteur h déterminée de façon à servir de cale à l'échantillon de roche. On enfile ensuite celui-ci dans la partie 12 équipé de ses jauges de contrainte munies de fils de connexion suffisamment longs. Les fils sont pliés et disposés séparés sur le plan de jonction, un cordon de colle étant étalé sur le plan de jonction avant l'enfilage de l'autre partie (13) sur l'échantillon de roche et le contact des éléments 12 et 13 au niveau du plan de joint. Après attente d'un temps de séchage adéquat, on dépose un cordon de colle sur la partie 13, puis on enfile le manchon extérieur 19, entraînant au fur et à mesure ladite colle qui remplit tout espace entre les manchons, jusqu'à recouvrir sensiblement équitablement les deux parties 12 et 13, les fils de connexion sortant à l'extrémité 16 du manchon 19. On recouvre les extrémités 16 et 17 d'un cordon de colle en prenant la précaution de séparer les fils de connexion les uns des autres, ce qui réduit les possibilités de fuite le long des fils. Pendant le séchage de la colle, on monte les connexions aux extrémités des fils puis, après séchage de la colle, I'ensemble échantillon de roche et membrane est disposé sur le support 3 (figure 1) de la cellule d'essai. On raccorde les fils de connexion aux appareils de mesure et d'enregistrement. Une telle membrane permet de résister à des pressions de confinement atteignant plusieurs centaines de bar et le mode opératoire procure la garantie de ne pas endommager le collage des jauges ainsi que l'intégrité des fils de connexion. Il est clair que l'on ne sortira pas du cadre de la présente invention si la membrane est constituée de plus de trois éléments, il est en effet possible que les éléments d'étanchéité enfilés sur l'échantillon soient constitués de plus de deux parties. les plans de joints étant utiles à faire passer des fils de connexion à plusieurs niveaux. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'essais triaxiaux de contraintes sur un échantillon de roche, comportant un corps central (I) dans lequel est placé un échantillon de roche (2) entouré par une membrane (5), des jauges de contrainte (10) collées sur l'échantillon et reliées par des fils de connexion (15) à des moyens d'enregistrement situés à l'extérieur dudit corps, caractérisé en ce que ladite membrane comporte au moins trois éléments dont les deux premiers (12, 13) sont joints bout à bout, le troisième élément (19) recouvrant les deux autres au niveau de ladite jonction (14). 2) Dispositif selon la revendication 1, dans laquelle lesdits deux premiers éléments (12, 13) entourent l'échantillon de roche (2) et sont collés bout à bout. 3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit troisième élément (19) est solidarisé aux deux autres (12, 13) par un film de colle étalé sur leurs faces en contact. 4) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ledit troisième élément (19) est solidarisé aux deux autres (12, 13) par un cordon de colle étalée sur ses deux extrémités (16, 17). 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'âme des fils de connexion (15) est enrobée par un matériau isolant qui adhère à la surface de l'âme, par exemple de l'émail, de la céramique ou de la résine. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes. dans lequel lesdits fils de connexion (15) passent à l'extérieur de ladite membrane par ledit plan de jonction (14) et le long de la paroi interne du troisième élément (19). 7) Méthode d'essais triaxiaux de mise en contrainte d'un échantillon de roche (2) utilisant une cellule comportant une membrane (5) recouvrant ledit échantillon et destinée à supporter une pression hydraulique de confinement, des jauges de contrainte (10) collées sur l'échantillon et recouvertes par ladite membrane, lesdites jauges comportant des fils de connexion (15) avec des moyens de mesure situés à l'extérieur de ladite cellule, caractérisée en ce que ladite membrane est constituée d'au moins trois éléments dont les deux premiers éléments (12, 13) sont enfilés sur ledit échantillon de roche et joints bout à bout, en ce qu'un troisième élément (19) est enfilé en recouvrement des deux autres sensiblement au niveau de ladite jonction (14), en ce que lesdits fils sont passés à l'extérieur de ladite membrane par ladite jonction et le long de la paroi interne du troisième élément (19). 8) Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on colle ladite jonction (14), la partie interne du troisième élément (19) en contact avec les parties externes des deux premiers éléments (12, 13) et les extrémités (16, 17) du troisième élément (19) sur lesdits deux premiers éléments (12, 13).