Brevet FR2783921A1 — publié le 20000331

La présente invention concerne un procédé thermographique et un dispositif de mise en oeuvre pour analyser en infra-rouge la progression d'un fluide injecté dans un milieu poreux et perméable et en déduire certains des paramètres physiques (notamment pétrophysiques) de celui-ci. Le procédé selon l'invention permet notamment de révéler des hétérogénéités de certaines propriétés pétrophysiques des roches et des affleurements tels que l'état de fracturation ou des classes de porosité ou de perméabilité. Il trouve des applications notamment en géologie d'exploration et de production pour caractériser des analogues terrains (field analog), des réservoirs en affleurement, pour la lo délimitation de zones envahies suite à des déversements accidentels de substances polluantes, etc. ART ANTERIEUR Le rayonnement émis par un corps permet obtenir un certain nombre d'informations caractéristiques de la matière constitutive de ce corps qui absorbe et émet en permanence du rayonnement électromagnétique liée à l'agitation moléculaire d'origine thermnique. Les matériaux terrestre de surface transformant les radiations solaires initialement reçues dans la gamme des longueurs d'onde de 0,4 à 2 i en une émission de radiations dans la bande 4 à 100 p. Au sein du bilan radiatif global, la composante du rayonnement terrestre Rt émise par les roches est égale à: E.s.T4, E étant l'émissivité, s, une constante dite de Stefan-Boltzmann et T, la température. La thermographie permet donc de classer les matériaux en fonction de leur émissivité et de leur température au moment de la prise de vue. L'émissivité E dépend de la structure moléculaire et de la nature de l'état de surface et donc des propriétés thermiques des roches. Les images de deux objets de même température peuvent toutefois être différentes, et il peut arriver qu'un objet chaud à faible pouvoir émissif apparaisse plus sombre qu'un objet froid à fort pouvoir émissif. Du point de vue du bilan radiatif naturel, en fonction des cycles diurnes et nocturnes, la quantité de chaleur emmagasinée décrit des courbes (Fig. 2) telles que les maxima atteints ma et mb avec les retards ra et rb par rapport au maximum de rayonnement solaire dépendent (si l'affleurement est dépourvu de végétation) de la conductivité thermique K et de la chaleur spécifique C. Les deux paramètres conductivité thermique K et chaleur spécifique C sont en fait liés à la porosité f du milieu. Une formule empirique connue relie la conductivité thermique effective d'un matériau poreux en fonction de la conductivité du solide Ks et de la conductivité Kf du fluide saturant (air ou eau) K = (1- A). Ks + A. Kf, avec 2n 1 A= 2(1 (-)), - représentant la porosité du matériel et n un exposant dépendant de la nature du matériau. En outre une expression simplifiée pour relier la masse spécifique p et la chaleur spécifique C d'un matériel poreux en fonction des valeurs respectives de ces paramètres pour les parties solide (ps, Cs), et fluide (pf, Cf), peut s'écrire: p.C = (1- ().Ps. Cs + (t. P.Cf. Connaissant K et p C on peut ainsi calculer l'inertie thermique P des matériaux: P = (K p C)l/2. A noter que parce que l'inertie thermique P de l'eau (0,0374 cal/cm2 secl/2) est très proche de celle d'une roche " moyenne >>, le contraste des inerties thermiques est plus faible quand les matériaux sont saturés en eau et les variations de l'inertie thermique sont moins importantes que pour les roches sèches (Pair = 0,0006 cal/cm2 secl/2). En outre dans le bilan radiatif, le phénomène du refroidissement par évaporation peut se superposer au précédent si la surface est humide. Ainsi, le long des zones fissurées ayant accumulé une humidité résiduelle, la majeure partie de la chaleur reçue pendant la phase diurne est dépensée par évaporation et la surface emmagasine localement moins d'énergie soulignant ainsi les traits structuraux et en indiquant leur capacité de rétention des fluides. Par le brevet FR 2.739.932 du déposant, on connait une procédé pour caractériser l'anisotropie d'un milieu poreux, dans laquelle on injecte en un point du milieu saturé avec un premier fluide, un deuxième fluide parfaitement miscible au premier et de densité voisine. On détecte des caractéristiques géométriques du front d'invasion du deuxième fluide à un instant donné, par tomographie du milieu aux rayons X notamment. Comme la distance radiale du point d'injection à chaque point du milieu est proportionnelle à la racine carrée de la perméabilité K dans la direction qui les joint, on peut, en considérant la géométrie du front d'invasion, déterminer la distribution radiale de la perméabilité. Par le brevet US 4,910,593, on connaît un système mobile conçu principalement pour des usages en géotechnique, permettant de détecter des objets enfouis ou des cavités souterraines. Ce système comporte une caméra vidéo un scanner à infra-rouge et des moyens de positionnement précis permettant à un opérateur par superposition des images vidéo et infra-rouge d'un même site, de détecter des anomalies cavités, objets enterrés etc. DEFINITION DE L'INVENTION Le procédé thermographique selon l'invention permet d'analyser la progression dans un milieu perméable, d'un fluide possédant une inertie thermique différente de celle du milieu. Il est caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition successives de plusieurs images d'une même face extérieure du milieu par des moyens d'acquisition d'images prises en infrarouge à des instants différents, et une combinaison d'images prises successivement en infrarouge, permettant de faire apparaître le mode de progression du fluide dans le milieu. Le procédé s'applique aussi bien pour suivre le déplacement d'un fluide naturellement en place dans le milieu ou d'un fluide injecté dans le milieu en un point du milieu distant de la face scrutée par la caméra infrarouge. Le procédé comporte par exemple une soustraction d'images prises successivement, de manière à faire apparaître les modifications résultant de la propagation différenciée du fluide dans le milieu. Le dispositif thermographique selon l'invention permet analyser la progression d'un fluide dans un milieu perméable. Il est caractérisé en ce qu'il comporte une caméra vidéo thermostatée adaptée à capter des images dans 1o l'infrarouge, associée à un ensemble d'acquisition et de mémorisation d'images, à un moyen de visualisation d'images et à un micro-ordinateur programmé pour effectuer des combinaisons (des soustractions par exemple) d'images en infrarouge successivement mémorisées. Le procédé peut s'appliquer par exemple à l'analyse de la progression d'un fluide dans un bloc rocheux en laboratoire ou dans un terrain face à un affleurement dans celui-ci. La saisie de ces informations, possible avec le dispositif d'acquisition et de traitement approprié, donne accès à de nouveaux paramètres, différents des descriptions géométriques obtenues habituellement par l'observation en lumière réfléchie. D'autres caractéristiques et avantages de le procédé et du dispositif 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: - les Fig.lA, lB montrent un dispositif de saisie et d'analyse thermographique d'images d'une surface respectivement d'un bloc rocheux et d'un affleurement d'un massif rocheux; - les Fig.2 h 4 montrent respectivement trois images en infra-rouge prises en laboratoire à différents instants successifs en un même emplacement face à un bloc rocheux, suite à une injection d'eau effectuée à quelques 15 cm en arrière de la face avant; la Fig.5 montre le résultat d'une soustraction des images représentées aux Fig. 3 et 2; et - la Fig.6 montre le résultat d'une autre soustraction des images représentées aux Fig. 4 et 3. DESCRIPTION DETAILLEE Les propriétés de la thermographie permettent par exemple d'étudier les affleurements en complétant l'interprétation géologique sur l'état de fracturation et les variations de la porosité et de la perméabilité qu'elles soient synsédimentaires ou diagénétiques. Beaucoup plus important que la valeur absolue de la température (ma ou mb), le différentiel (rb-ra) atteint au cours des cycles de réchauffement et de refroidissement lors des prises de vue successives est un moyen de caractériser les propriétés des matériaux d'après les variations de l'inertie thermique, en faisant apparaître les zones de réchauffement précoce comme les zones à maxima tardifs. Pour mener à bien cette étude comparative, il s'agit d'acquérir une succession d'images enregistrées à intervalles réguliers au cours de la phase diurne et nocturne en choisissant au mieux les conditions atmosphériques locales (ensoleillement et humidité résiduelle) de façon à utiliser conjointement les paramètres ma, mb et ra, rb. L'objectif final est par exemple d'obtenir une cartographie des valeurs rb-ra, représentative des variations des propriétés pétrophysiques d'une zone. Le dispositif que l'on utilise comporte tout d'abord une caméra infrarouge 1 que l'on positionne de façon stable face à la paroi d'un bloc de roche (Fig. lA) dans des applications en laboratoire, ou bien sur le terrain face à une zone d'un affleurement rocheux O. Les observations peuvent être réalisées à toutes les échelles: décimétriques, par exemple dans les applications de laboratoire, métriques ou décamétriques sur le terrain face à un affleurement. La caméra 1 détecte l'énergie thermique émise dans la gamme de l'infrarouge moyen (3,6 à 5 p), et fournit en temps réel sur un écran vidéo 2, une image en fausses couleurs, montrant l'intensité relative de cette énergie. Ces images sont stockées par exemple sur un ensemble d'acquisition 3 logée par exemple dans la caméra infrarouge 1, ce qui permet de mémoriser sur un même support plusieurs dizaines de prises de vue. Un micro- ordinateur 4 programmé pour le traitement des images, est connecté à l'ensemble d'acquisition 3. A titre d'exemple, on peut utiliser deux objectifs interchangeables avec des focales de 25 et 50 mm correspondant respectivement à des angles de 17 x 13 et 8,5 x 6,5 . L'objectif de 25 mm placé à une distance de 5 mètres de l'objet fournit une image de 1,5 x 1,1 mètres (la résolution d'un pixel étant alors de 5mm2); à 40 mètres la surface couverte par l'image est de 12 x 9,1 mètres (la résolution d'un pixel étant alors de 3,7cm2). Le détecteur de la caméra est composé par exemple de 320 x 244 cellules IR CCD. Il est refroidi à 77 K au moyen, par exemple, d'une machine cryogénique utilisant le cycle de Stirling qui produit mécaniquement du froid de façon continue par détente d'un gaz, préalablement comprimé en circuit fermé. Lors de la mise en route de la caméra, quelques minutes sont nécessaires pour atteindre cette température de -196 C. Selon la fluctuation de la température minimale et maximale de l'objet examiné (bloc ou affleurement), l'une des trois zones dynamiques de la caméra peut être sélectionnée: en mode R1 la réponse oscille entre -10 et +80 C, dans la gamme R2 de 60 à 200 C, et en utilisant des filtres spéciaux on peut obtenir des réponses jusqu'à 1500 C en R3. Le mode Ri est donc le plus approprié à l'étude des matériaux géologiques en milieux naturels. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnlmement de la caméra peut être fournie par des batteries rechargeables (12V) ou par raccordement à une ligne (240V, 50/60 Hz) directement sur le réseau au laboratoire, via un groupe électrogène sur le terrain. Outre les études en domaine statique, le procédé est utilisé de façon dynamique pour suivre l'injection d'un fluide tel que de l'air ou de l'eau, au sein d'un corps rocheux. L'expérience peut être réalisée à différentes échelles en laboratoire (infra-métrique) ou sur le terrain (décamétrique). Pour l'injection du fluide, on fore un trou H plus ou moins profond dans le bloc B: localisé en arrière de la face observée dans le cas d'une étude menée en laboratoire (Fig.lA). S'il s'agit d'une étude menée face à un affleurement, on fore un puits W plus ou moins profond dans le massif rocheux en arrière du plan d'observation (Fig. lB). Pour limiter à volonté une zone d'injection on peut placer un packer 5 dans le puits à une profondeur déterminée. On met alors le trou O ou le puits W selon les cas, en communication avec des moyens 6 d'injection d'un fluide porté à une température plus élevée ou moins élevée que celle du corps rocheux. L'acquisition d'images thermographiques de la surface, permet de suivre la propagation du fluide. On peut détecter son apparition sur les images et aussi identifier de façon semi-quantitative, les zones les plus poreuses et perméables, c'est- à-dire celles qui subissent un déséquilibre thermique. En déplaçant successivement la zone d'injection soit par approfondissement du puits, soit par déplacement du packer 5, il est possible de cartographier la transmitivité des réseaux poreux (de matrice et/ou de fractures) et de révéler les barrières de perméabilité principales. On voit apparaître sur la Fig.2 qui est une première image prise à un stade initial d'une injection d'eau sous une pression de 300 kPa, un réseau de fractures, et des joints stylolithiques. Sur la photo de la Fig.3 prise plusieurs minutes après, on voit apparaître une microfracture. Le fluide ne passe pas par les fractures les plus importantes. C'est toujours vrai sur la photo de la Fig.4 prise quelques 20 minutes plus tard, o le fluide se propage par les micro-fissures et les joints stylolithiques. Par soustraction des images des Fig.3 et 2, on voit (Fig.5) que les effets de surface ont disparu, que le réseau de fractures est apparent et que le fluide devient visible. De même, sur l'image (Fig.6) obtenue par soustraction des images des Fig.4 et 3, on note que le fluide s'est propagé dans les joints stylolithiques et qu'il n'a pas de connexion avec le réseau de fractures principales. REVENDICATIONS 1) Procédé thermographique pour analyser la progression dans un milieu perméable (B,M), d'un fluide possédant une inertie thermique différente de celle du milieu, caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition successives de plusieurs images d'une même face extérieure du milieu par des moyens (1,3) d'acquisition d'images prises en infrarouge à des instants différents, et une combinaison d'images prises successivement en infrarouge, permettant de faire apparaître le mode de progression du fluide dans le milieu. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition d'images de la dite face extérieure durant une phase de déplacement d'un fluide naturellement en place dans le milieu. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'acquisition d'images en infrarouge de la dite face extérieure à des instants successifs durant une phase de déplacement d'un fluide injecté dans le milieu en un point du milieu distant de cette face. 4) Procédé selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une soustraction d'images prises successivement, de manière à faire apparaître les modifications résultant de la propagation différenciée du fluide dans le milieu. ) Dispositif thermographique pour analyser la progression d'un fluide dans un milieu perméable (B, M), caractérisé en ce qu'il comporte une caméra vidéo thermostatée (1) adaptée à capter des images dans l'infrarouge, associée à un ensemble (3) d'acquisition et de mémorisation d'images, à un moyen (2) de visualisation d'images et à un micro-ordinateur (4) programmé pour effectuer des combinaisons d'images en infrarouge successivement mémorisées. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un micro-ordinateur programmé pour effectuer des soustraction d'images. 6) Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 3 à l'analyse de la progression d'un fluide dans un bloc rocheux en laboratoire. 7) Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 3 à l'analyse de la progression d'un fluide dans un terrain face à un affleurement de celuici.