Brevet FR2756046A1 — publié le 19980522

La présente invention concerne une méthode pour modéliser la distribution des pores d'un échantillon poreux de porosité variable, permettant de réaliser en laboratoire des études sur le comportement du milieu modélisé à l'égard de fluides. Le procédé selon l'invention trouve des applications notamment dans la modélisation de roches poreuses prélevées notamment dans des gisements d'hydrocarbures. Un tel modèle physique permet de visualiser en laboratoire le comportement hydrodynamique de l'huile dans les pores et de déterminer la méthode qui convient le mieux pour la déplacer quand elle y est piégée Un ingénieur de réservoir peut ainsi choisir la meilleure méthode de balayage d'un gisement. Un milieu poreux, est constitué par une structure solide (ou matrice) comportant des cavités ou pores reliés entre eux par des canaux ou bien isolés. Les pores peuvent être vides ou bien saturés par un ou plusieurs fluides. Il s'agit par exemple de roches poreuses telles que des grès ou des calcaires recelant des fluides dans les pores et notamment des hydrocarbures. Ces roches-réservoirs peuvent être définies avec précision à partir de grandeurs physiques propres parmi les quelles la porosité, la perméabilité i.e. l'aptitude à laisser circuler les fluides dont elle est saturée, la mouillabilité, la géométrie et la connectivité des pores etc. Les roches poreuses que l'on trouve dans les gisements pétrolifèeres notamment, présentent une structure hétérogène avec des alternances de zones de porosité et de perméabilité plus ou moins importantes. Les hétérogénéités apparaissent sous forme de strates ou de nodules à l'échelle du réservoir. A l'échelle microscopique, les milieux poreux présentent une structure fractale qui se traduit par une distribution continue de tailles de pore. Par le brevet US-A-4 882 763, on connaît un procédé de fabrication d'un modèle représentatif d'un milieu poreux consistant essentiellement à graver dans du verre un réseau de pores dont la configuration reproduit celle des pores d'une roche 2 2756046 poreuse. La transposition est réalisée en formant une image numérisée du réseau de pores par projection de lumière au travers d'une fine tranche de roche, que l'on reproduit sur le substrat de verre par un procédé photolithographique avec attaque chimique. Le diamètre minimal des canaux réalisables par un procédé photolithographique avec attaque chimique est de l'ordre de 0,15 mm, ce qui limite la variété des tailles de canaux disponibles. La profondeur des canaux en outre n'est pas bien régulière sur toute leur largeur et elle est limitée en pratique à 0,2 mm. Dans la pratique, les canaux ainsi réalisés sont plus larges que profonds. En conséquence, quand on injecte du liquide dans le réseau, la pression capillaire se trouve imposée par l'épaisseur des canaux et non par leur largeur, comme il serait souhaitable pour que le modèle physique soit bien représentatif. La méthode selon l'invention permet de modéliser la distribution des pores d'un échantillon poreux de porosité variable, suivant au moins une surface de sectionnement. Elle est caractérisée en ce que l'on modélise la porosité du milieu poreux par au moins un réseau de canaux entrecroisés dont les noeuds constituent des pores, la taille de ces canaux traduisant des propriétés physiques du milieu et étant choisies parmi au moins une distribution discrète de tailles de canaux. On peut modéliser l'échantillon poreux suivant plusieurs surfaces de sectionnement différentes de manière à constituer un modèle géométrique 3D, traduisant la structure physique de l'échantillon en profondeur. Pour modéliser la porosité locale de l'échantillon, on utilise par exemple des canaux dont les tailles sont choisies dans au moins une distribution discrète de tailles de canaux. Pour modéliser la porosité d'un échantillon hétérogène présentant des zones de porosité très différentes, on utilise de préférence plusieurs distributions discrètes de canaux, ces distributions étant disjointes, de façon à modéliser avec l'une, des zones de faible porosité et avec l'autre, des zones de plus forte porosité. 3 2756046 La méthode selon l'invention comporte en outre la transposition du modèle géométrique par un modèle physique représentatif du milieu poreux suivant au moins une surface de sectionnement par un procédé stéréolithographie. Suivant un mode de réalisation, on transpose un modèle géométrique modélisant la porosité d'un échantillon en profondeur, par plusieurs réseaux de canaux communiquant les uns avec les autres. Suivant un mode préféré de mise en oeuvre, on utilise un laser piloté d'après un modèle géométrique préalablement établi, pour former sur un matériau réagissant à l'action de la lumière, un réseau de canaux traduisant la porosité de l'échantillon suivant au moins un plan de sectionnement, la profondeur des canaux pouvant être supérieure à leur largeur. Suivant un mode de mise en oeuvre, on utilise un laser pour former successivement plusieurs réseaux plans parallèles sur le matériau et des canaux de communication entre les différents réseaux. L'invention porte aussi sur un système pour modéliser la distribution des pores d'un échantillon poreux de porosité variable, suivant au moins une surface de sectionnement, qui comporte des moyens pour modéliser la porosité du milieu poreux par au moins un réseau de canaux entrecroisés dont les noeuds constituent des pores, la taille de ces canaux traduisant des propriétés physiques du milieu et étant choisies parmi au moins une distribution discrète de tailles de canaux, et un ensemble de gravure (comprenant un laser piloté par exemple) pour constituer un modèle physique 3D par formation du dit réseau sur un substrat. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig.1 montre schématiquement la modélisation géométrique des pores d'un milieu poreux; - la Fig.2 montre des histogrammes traduisant des exemples de lois de distribution de tailles de canaux à l'intérieur d'un milieu poreux; - la Fig.3 montre un exemple d'un modèle physique représentatif de deux zones juxtaposées de porosité différentes; - la Fig.4 montre un autre exemple de modèle physique comportant plusieurs nodules microporeux dispersés dans un réseau; - la Fig.5 montre au autre exemple de modèle physique présentant une barrière capillaire; et - la Fig.6 montre un schéma-bloc du système de mise en oeuvre. En utilisant par exemple une méthode de porosimétrie par injection de mercure, on classifie la taille des pores observée en pratiquant une coupe d'un échantillon de roche à modéliser suivant un plan, et on la traduit, à partir des courbes de pression capillaire, par une distribution discrète sous forme d'histogrammes (Fig. 2) qui indiquent le pourcentage d'apparition de chaque classe de canaux d'interconnexion des pores en fonction de leur diamètre. La valeur de pourcentage maximale correspond à la classe des pores de diamètre le plus répandu. Les structures hétérogènes présentent des histogrammes avec plusieurs plages de distributions représentatives des régions de différentes porosités de la matrice. On modélise cette distribution discrète de pores par un maillage plan d'épaisseur constante ep et de largeur de maille (ou pas) uniforme L (Fig. 1) sur lequel on superpose un réseau de canaux parallèles dont les intersections ou noeuds constituent les pores, délimitant des quadrilatères disjoints (par exemple des rectangles) représentant la phase solide P Le pas du réseau L correspond à la distance 2756046 entre deux noeuds. Chaque quadrilatère occupe une fraction minimale 3.L (0 (P%) des canaux à l'intérieur de deux distributions disjointes de tailles d de canaux. Les deux distributions de tailles El, E2 de la Fig.2, sont utilisées par exemple, la première pour modéliser des micropores (comprise entre 0,1 et 0,7 mm par exemple) présents dans les zones de faible porosité, la deuxième, à des macropores (compris par exemple entre 1,1 et 1,7 mm) présents dans les zones de plus grande porosité. Les distributions de tailles utilisées (El, E2 par exemple) peuvent être disjointes sans recouvrement avec un intervalle d non nul entre elles ou bien avec un recouvrement partiel. Un générateur de nombres aléatoires permet d'attribuer une place dans le réseau à chaque canal de diamètre fixé. Ainsi, les différentes tailles de pores sont réparties aléatoirement dans tout le réseau, avec une séquence d'apparition représentative de la loi des distributions. Il est commode d'établir des fichiers regroupant toutes les tailles de liaison qui sont à répartir dans les différentes parties du modèle physique pour qu'il reproduise la distribution des porosités du milieu hétérogène à simuler, ainsi que les coordonnées des différentes régions de faible porosité. Pour chaque distribution de tailles de pores, on définit: - les diamètres minimaux et maximaux spécifiques de chaque distribution; le nombre n de classes de diamètres de pores présentes dans chaque distribution; - les dimensions d réseau suivant deux directions différentes, par exemple orthogonales; - la valeur du pas du réseau de poches microporeuses (multiple du pas du réseau de la matrice); - le nombre de nodules de faible porosité dans le réseau, ainsi que leur localisation et leurs extensions. Le modèle géométrique plan obtenu reproduit la porosité d'un échantillon taillé suivant un plan de coupe. Il est cependant possible de multiplier les plans de coupe et de traduire la porosité hétérogène de chacun d'eux par un modèle plan approprié et de constituer ainsi un modèle géométrique 3D traduisant la porosité d'un échantillon dans sa profondeur. Pour la réalisation pratique du modèle physique, on utilise (Fig.6) un système comportant un ordinateur 1 associé à différents programmes. Un premier écrit par exemple en Fortran, est utilisé pour générer un ensemble de tailles de canaux qui respecte la forme de la distribution poreuse déterminée expérimentalement. A l'aide d'un tableur par exemple, on constitue un ensemble de fichiers représentatifs, à partir 7 2756046 desquels un logiciel spécialisé d'un type connu, produit une version CAO 3D. Les fichiers résultant sont alors appliqués à un logiciel de pilotage d'un système 2 de gravure adapté à reproduire sur un substrat solide:verre, matériau plastique etc., un réseau de sillons ou de rayures correspondant au modèle géométrique précédemment établi. Suivant un mode préféré de réalisation le système de gravure fonctionne par report sur de la résine, au moyen d'un laser piloté, du ou des différents modèles géométriques préalablement formés, d'après les fichiers CAO. Un faisceau laser piloté balaie la surface d'un bain de résine suivant le modèle à reproduire. Aux endroits atteints par le- faisceau, la résine durcit sur une profondeur d'environ 100 gm. On l'immerge dans le bain de façon à la recouvrir d'une pellicule de résine que l'on balaie à son tour au moyen du laser piloté pour y dessiner pareillement un autre réseau plan. Par empilement de couches successivement impressionnées, on constitue un micromodèle physique 3D. Par ce procédé, on peut former n'importe quelle structure 3D de canaux bien formés avec une profondeur et une largeur bien déterminées réglables. Les Fig.3-5 montrent des réseaux qui ont été réalisés avec un pas de 3mm, avec des canaux microporeux choisis dans une gamme comprise entre 0,1mm et 0,7 mm, et des canaux macroporeux choisis dans la gamme 1,1mm et 1,7mm. L'utilisation d'un outil tel qu'un laser permet en outre d'établir des interconnexions en profondeur entre des réseaux plans de canaux superposés, modélisant la perméabilité d'un échantillon suivant des directions non parallèles aux réseaux superposés. Le modèle physique 3D ainsi obtenu peut permettre de visualiser également le déplacement de fluides dans l'épaisseur d'un échantillon. Il est important de souligner qu'avec le procédé de réalisation utilisé, on obtient des canaux dont la profondeur peut être supérieure à la largeur. Ainsi lorsque l'on injecte des fluides dans le modèle physique ainsi constitué, la pression capillaire est bien régie par la largeur des canaux, ce qui est conforme à l'objectif fixé. REVENDICATIONS 1) Méthode pour modéliser la distribution des pores d'un échantillon poreux de porosité variable, suivant au moins une surface de sectionnement, caractérisée en ce que l'on modélise la porosité du milieu poreux par au moins un réseau (R) de canaux entrecroisés dont les noeuds constituent des pores (P), la taille de ces canaux traduisant des propriétés physiques du milieu et étant choisies parmi au moins une distribution discrète de tailles de canaux. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on modélise l'échantillon poreux suivant plusieurs surfaces de sectionnement différentes de manière à constituer un modèle géométrique 3D. 3) Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on sélectionne au moins une distribution de tailles de canaux. 4) Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on sélectionne au moins deux distributions disjointes de tailles de canaux (DI, D2), l'une correspondant à des micropores étant affectée à la modélisation des zones de faible porosité, la deuxième étant affectée à la modélisation des zones de porosité plus élevée. ) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on traduit le modèle géométrique par un modèle physique représentatif du milieu poreux suivant au moins une surface de sectionnement par un procédé stéréolithographie. 6) Méthode selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'on traduit le modèle géométrique modélisant l'échantillon en profondeur par plusieurs réseaux de canaux communiquant les uns avec les autres. 7) Méthode selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on utilise un laser piloté d'après un modèle géométrique préalablement établi, pour former sur un matériau réagissant à l'action de la lumière, un réseau de canaux traduisant la porosité de l'échantillon suivant au moins une surface de sectionnement. 8) Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce l'on utilise un laser pour former successivement plusieurs réseaux plans parallèles sur le matériau et des canaux de communication entre les différents réseaux. 9) Méthode selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que l'on forme des canaux dont la profondeur peut être supérieure à leur largeur. 10) Système pour modéliser la distribution des pores d'un échantillon poreux de porosité variable, suivant au moins une surface de sectionnement, caractérisée en ce qu'il comporte des moyens (1) pour modéliser la porosité du milieu poreux par au moins un réseau (R) de canaux entrecroisés dont les noeuds constituent des pores (P), la taille de ces canaux traduisant des propriétés physiques du milieu et étant choisies parmi au moins une distribution discrète de tailles de canaux, et un ensemble de gravure (2) pour constituer un modèle physique 3D par formation du dit réseau (R) sur un substrat. 11) Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble de gravure (2) comporte un laser piloté.