Brevet FR2839782A1 — publié le 20031121

talement et RMS est la valeur efficace. La presente invention a trait a une methode d' evaluation d' une courbe de pression capillaire des roches d'un gisement souterrain a partir de mesures sur des debris de roche qui y vent preleves Etat de la technique Mesures en laboratoire sur carottes ou debris de forage La mesure de parametres petrophysiques tels que la permeabilite, la porosite et les proprietes capillaires sur des fragments de roche remontes au cours du forage d'un puits au travers d'un formation souterraine, constitue une opportunite interessante pour les compagnies operatrices d'obtenir rapidement une premiere caracterisation petrophysique de zones productrices traversees par le putts. Par le brevet FR 2 809 821 du demandeur, on conna^t un systeme pour evaluer des parametres physiques tels que leur permeabilite absolue de roches poreuses d'une zone d'un gisement souterrain, a partir de debris rocheux remontes dans la boue d'un forage. Dans une enceinte ou les debris vent plonges dans un fluide visqueux, on injecte de ce meme fluide sous une pression croissante avec le temps, jusqu'a un seuil de pression definie, de maniere a comprimer le gaz piege dans les pores de la roche. Cette phase d'injection est suivie d'une phase de relaxation avec arret de ['injection. L'evolution de la pression durant le processus d'injection ayant ete modelisee a partir de valeurs initiales choisies pour les parametres physiques des debris, un calculateur les ajuste iterativement pour faire concider au mieux la courbe de pression modelisee avec la courbe de pression reellement mesuree Par la demande de brevet FR 02/0023 du demandeur, on connat une autre methode pour evaluer des parametres physiques tels que la permeabilite absolue et la porosite des roches d' une zone d' un gisement souterrain, a partir egalement de debris de forage. Une enceinte contenant les fragments de roche et remplie d'un fluide visqueux est mise en communication avec un reservoir de ce meme fluide sous une pression definie de maniere a comprimer le gaz piege dans les pores de la roche. La duree d'application de cette pression selon qu'elle est course ou plus longue permet de mesurer soit la variation de la pression dans l'enceinte ou la variation du volume effectivement absorbe par les fragments de roche. Ensuite, on modelise ['evolution de la pression ou du volume dans l'enceinte, a partir de valeurs initiales choisies pour les parametres physiques des fragments, et on ajuste iterativement les valeurs des parametres physiques des fragments de roche pour que ['evolution modelisee s'ajuste au mieux avec ['evolution mesuree du parametre physique dans l'enceinte. Dans le domaine de la caracterisation petrophysique, la pression capillaire est aussi une donnee tres importante pour les operateurs car elle conditionne: À la distribution initiale des fluides dans le reservoir depuis la zone aquifere (cite WOC pour "Water Oil Contact" par les yens de ['art) jusque dans la partie superieure du reservoir (zone de transition). Suivant la courbe de pression capillaire associee a une roche reservoir et la nature des fluides en place, cette zone de transition peut s'etendre sur quelques metres ou quelques dizaines de metres ce qui a un impact important sur la determination des accumulations en place. À la pression d' entree d' une roche ce qui est particulierement important pour les roches couvertures. Par exemple, pour un reservoir de stockage de gaz, la pression d' entree des roches de couverture conditionne directement la surpression admissible dans les niveaux de stockage sans avoir de fuites. Avec les techniques actuelles, la courbe de pression capillaire est obtenue par l'intermediaire de mesures en laboratoire sur des carottes de gisement. Ces methodes vent cheres aussi bien a cause des operations le carottage que des operations de mesure sur les carottes et les resultats ne vent souvent disponibles que plusieurs mods apres le forage. Approches pour obtenir rapidemert la courbe de pression captllaire Il existe cependant des methodes alternatives decrites dans la litterature pour evaluer le courbe de pression capillaire rapidement, soit en cours du forage soit en leger differe. L'approche la plus couramment utilisee consiste a utiliser la technique de la porosimetrie au mercure pour mesurer la courbe de pression capillaire Pc air/mercure directement a partir de deblais de forage ou "cuttings". Neanmoins, la courbe obtenue differe largement par rapport a la courbe de reference obtenue sur carotte aux fortes saturations en fluide mouillant. D'autre part, cette approche repose sur l'utilisation de mercure qui est extremement polluant et progressivement interdit par la legislation dans de nombreux pays, ce qui pose un probleme majour pour ['application de cette technique dans un futur proche. Une autre methode connue utilise la Resonance Magnetique Nucleaire (RMN) pour estimer rapidement la courbe de pression capillaire a partir des donnees diagraphiques mesurees dans le puits peu apres le forage. Wile est mise en ccuvre notamment dans les publications suivantes: À. Bowers, M., A. et al.: " Prediction of permeability from capillary pressure curves derived with NMR", 17 September 1998 - Marshall, D., et al. :"Method for correlating NMR relaxometry and mercury injection data", SCA n Society of Core Analysts International Symposium 1995; Volokitin, Y., W. J. et al.:"A practical approach to obtain 1st drainage capillary pressure curves from NMR core and Log data", SCA n Society of Core Analysts International Symposium 1999. Le signal de relaxation RMN est d'abord convert) en termes de distribution de taille de pore puis ensuite en terme de distribution de taille de seuils ce qui permet de calculer une pseudo courbe de pression capillaire. Cette approche a ete testee sur plusieurs echantillons de courbe de Pc connue. Les resultats montrent que l'obtention d'un bon accord avec les courbes de reference passe par une phase de calibration rigoureuse a realiser au cas par cas suivant la nature des roches etudiees. Cette phase de calibration est necessaire du fait de ['incertitude au niveau: À de la conversion signal RMN - distribution de taille de pore qui depend de la valeur de la relaxivite de surface variable suivant les roches; et À de la conversion distribution de tailles de pore - distribution de tailles de seuil qui depend de la nature de la roche et du processus de diagenese. Cette approche n'est done pas recommandee dans un contexte predictif d'exploration. Wile ne serait de toute fa,con pas applicable sur debris de forage. L'analyse d'image a aussi fait ['objet de travaux visant a l'obtention d'une courbe de Pc. Le milieu poreux est prealablement prepare sous forme d'une lame mince photographiee par microscopic electronique a balayage cite SEM pour "Scanning Electron Microscopy". L'image obtenue est alors analysee de maniere a determiner des parametres representatifs de la proportion et de la forme des vices par rapport a la roche. En particulier, il est possible de determiner une distribution de taille de seuil pour reconstruire une pseudo courbe de pression capillaire Pc. La principale limitation de cette methode est la nature bidimensionnelle (2D) de la lame mince tandis que la pression capillaire est par definition une propriete tridimensionnelle (3D). D'autre part, cette technique requiert un conditionnement assez lourd peu compatible avec l'obtention d'un resultat en leger differe. L'analyse d'image serait eventuellement applicable sur debris de roche mais necessiterait une calibration soigneuse pour acquerir une bonne predictibilite. A noter pour terminer que la technique de centrifugation est parfois appliquee sur chantier a des debris de forage mais ciest dans le but d'extraire le plus possible de fluide de forage de la roche pour minimiser les rejets polluants dans l'environnement mais aussi pour limiter les couts en recyclant le fluide de forage recupere. A notre connaissance, aucune mesure de centrifugation sur debris de forage n'a ete envisagee dans le but de determiner des proprietes capillaires. La methode selon ['invention La methode selon ['invention permet de determiner la courbe de pression capillaire de roches d'un gisement souterrain a partir de mesures sur des debris ou fragments de roche qui y vent preleves (tels que des debris de forage), sur tout l'intervalle de saturation de ces roches, ceci dans un delai reduit et a moindre cout a partir de ces mesures. Wile comporte: une mesure de la permeabilite k des debris de roche; une mesure de la courbe de pression capillaire Pc en fonction de la saturation des debris de roche initialement satures d'un fluide en les soumettant a une centrifugation; et - le parametrage d'une courbe de pression capillaire Pc satisfaisant a des relations empiriques dependent de parametres ajustables, que l'on contraint a s'ajuster a une partie asymptotique de la courbe capillaire mesuree par centrifugation, et a la valeur de la permeabilite k mesuree sur les debris de forage, de facon a obtenir ['ensemble de la courbe de pression capillaire. Le parametrage de la courbe est effectue avantageusement en selectionnant par defaut un jeu des dits parametres permettant un calage sur la partie asymptotique de la pression capillaire Pc aux falbles saturations, et par une modification de proche en proche des parametres de maniere que ltestimation de la permeabilite donnee par une des relations empiriques utilisees, s'ajuste au mieux avec les mesures de permeabilite k realisees sur debris de roche et avec cette partie asymptotique. La mesure la permeabilite k des debris de roche est effectuee par exemple a partir de mesures des variations de pression a l'interieur d'un recipient rempli d'un fluide contenant les debris de roche apres sa mise en communication durant un temps defini avec un reservoir de ce meme flui de sous pres si on, et a partir du volume effecti vement absorbe par les debris de forage, et d'une modelisation de ['evolution de la pression ou du volume dans le recipient, a partir de valeurs initiales choisies pour les parametres physiques des debris de roche, que lton ajuste iterativement pour que ['evolution modelisee de la pression s'ajuste au mieux avec ltevolution mesuree des parametres physiques des debris de roche. La methode est avantageuse notamment en ce qu'elle fournit la pression capillaire des roches sur la base de simples debris de forage plus facilement disponibles et moins couteux a obtenir.Lles resultats vent egalement obtenus bien plus rapidement qu'avec des carottes. 1. Presentation sommaire des figures Les caracteristiques et avantages de la methode selon ['invention, appara^tront plus clairement a la lecture de la description ci-apres d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre, en se referent aux dessins annexes ou: - la fig. 1 montre ['evolution du signal RMN au cours de differents paliers de centrifugation realises sur des debris de forage; la fig.2a montre les courbes de Pc obtenues sur une meme roche (B7) a partir de debris (cuttings) et d'une carotte; - la fig. 2b montre la comparaison entre la courbe de Pc de reference mesuree sur carotte avec la courbe de Pc reconstruite sur tout l'intervalle de saturation a partir des mesures de centrifugation et de la mesure de la permeabilite; les fig.3a et 3b montrent des resultats comparables a ceux montres aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche GDV1; - les fig.4a et 4b montrent des resultats comparables a ceux montres aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche Rotl; les fig.5a et 5b montrent des resultats comparables a ceux montres aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche St Max; - la fig.6 montre la comparaison entre les permeabilites de reference et les permeabilites mesurees sur debris de forage dans le cadre de la methode decrite dans deposee dans la demande de brevet FR 02/0023 precitee; et la fig.7 montre schematiquement l'organigramme de mise en ccuvre de la methode. Description detaillee de la methode La methode d' evaluation rapide d' une courbe de pression capillaire Pc a partir de deblais ou fragments de roche selon ['invention est illustree par la fig.7. La m;ethode repose sur deux phases de mesure experimentales suivies d'une phase de parametrisation par reference avec des courbes connues, pour reconstruire la courbe de Pc sur tout l'intervalle de saturation. Durant l'une des phases de mesure, on acquiert des donnees de pression capillaire Pc en centrifugeant les fragments de roche prealablement satures en eau. L'autre phase experimentale permet de calculer la valeur de permeabilite k de la roche a partir de la methode decrite dans la demande de brevet FR 02/0023 deja citee. La reconstruction de la courbe Pc sur tout l'interval]e de saturation est effectuee en utilisant une forme parametree. Les parametres de la courbe vent determines de fa,con que la courbe s'accorde aux donnees de pression capillaire Pc obtenues experimentalement et avec la valeur estimee de permeabilite a partir de la courbe de Pc obtenue selon une methode connue telle que celle de Thomeer ou celle de Swanson Kamath qui seront rappelees plus loin, avec la valeur mesuree sur les fragments de roche. Plusieurs cas d' application vent proposes qui montrent le tres bon accord obtenu avec des courbes de reference sans procedure particuliere de calibration prealable. I) Mesure de Pc par centrifugation a partir des fragments de roche Pour la mise en aeuvre de la methode, il peut utiliser des moyens standards de centrifugation ou des moyens plus sophistiques avec un suivi automatique des volumes de fluide produits comme ccux decrits par exemple dans les brevets EP 603040 (US 5,463,894), FR 2 763 690, FR 2 772 477 (US 6,185, 985) ou FR 2 798 734 du demandeur. Les fragments de roche remontes au cours du forage vent prealablement nettoyes avec des solvents dans un appareil de type Soxhlet, puis seches et satures en saumure 30 g/1. Les fragments de roche vent ensuite egouttes dans un tissu humide de maniere a eliminer lteau piegee entre les differents fragments de roche d puis introduits dans une cellule ou godet fixe a ltextremite d'un bras tournant. L'eau expulsee par centrifugation hors des debris de roche traverse une grille et est recueillie a la base du godet. L' acquisition des donnees experimentales se fait de la meme maniere que dans le cadre de la centrifugation sur une carotte. Pour un palier de centrifugation (vitesse de rotation donnee), on mesure ['evolution de la production en eau jusquta ce que l'on n'observe plus de variations significatives, puis on augmente la vitesse de rotation pour commencer un nouveau palier. Comme le montre la fig.1 on observe une diminution progressive du signal RMN et un decalage vers les faibles temps de relaxation T2 qui traduisent une desaturation du milieu poreux avec 1'augmentation de la vitesse de rotation. Ce type de mesure prouve que l'on a bien un contact capillaire entre les debris de roche ce qui permet de mesurer la Pc par centrifugation a partir de debris de forage. Le volume d'eau produit au cours de ['experience est convert) en donnees de saturation a partir du volume d'eau initialement contenu dans les fragments de roche. Ce dernier est determine par pesee (difference de poids des fragments de roche avant et apres la saturation) ou directement par mesure RMN. Les figures 2a a 5a montrent le resultat d'experiences realisees a partir de fragments de roche modeles, de taille 1 a 2 mm, fabriques au laboratoire a partir de roches de proprietes connues pour lesquelles on dispose d'une courbe de Pc mesuree de maniere classique par centrifugation d'une carotte. On peut verifier que l' on obtient une bonne correspondence avec la courbe de reference au niveau de la partie asymptotique (faible saturation en fluide mouillant). En revanche, on observe une difference importante pour les saturations en fluide mouillant plus elevees. On obtient done des resultats equivalents a ceux obtenus dans le cadre de mesures de porosimetrie utilisant le mercure sur fragments de roche et cela sans risque de pollution. La courbe de pression capillaire Pc mesuree n'est cependant representative que sur la partie asymptotique. Une procedure de reconstruction est done necessaire pour evaluer le comportement de la courbe sur tout l'intervalle de saturation. II) Mesure de la permeabilite K des fragments de roche Pour mesurer la permeabilite des fragments de roche, on applique la methode decrite dans la demande de brevet precitee 02/02242. A cet effet, on plonge les fragments de roche dans une enceinte de confinement contenant un fluide visqueux. On met alors ltenceinte en communication avec un recipient contenant ce meme fluide sous pression, de maniere a comprimer le gaz piege dans les pores de la roche. Suivant un premier mode de mise en aeuvre, cette mise en communication peut etre tres breve et suivie apres un temps d'attente, d'une mesure de ['evolution de la pression dans l'enceinte. Suivant un autre mode de mise en aeuvre, la mise en communication est assez longue pour que l'on poisse observer et mesurer la variation du volume effectivement absorbe par les fragments de roche. Ensuite, on modelise ltevolution de la pression ou du volume dans ltenceinte, a partir de valeurs initiales choisies pour les parametres physiques des fragments de roche, et on ajuste iterativement les valeurs des parametres physiques des fragments de roche de roche pour que ['evolution modelisee s'ajuste au mieux avec ltevolution mesuree du parametre physique dans l'enceinte. Cette procedure donne d'excellents resultats. Les valeurs de permeabilite k des fragments de roche vent tout a fait conformes aux mesures de reference obtenues a partir de carottes. III) Reconstruction de la courbe totale de pression capillaire Dans cette troisieme etape on fait la synthese des mesures precedentes ayant permis de construire la partie asymptotique de pression capillaire Pc et les mesures de la permeabilite k, en se servant de relations empiriques, reputees bien modeliser les parametres physiques des roches. Par les publications suivantes: À Thomeer, J. H. M.: "Introduction of a pore geometrical factor defined by the capillary pressure curve", Trans AIME, vol. March, pp 73-77, 1960; et À Thomeer, J. H. M.: "Air permeability as a function of three pore network parameters", Trans AIME, vol. April, pp 809-814, 1983. vent connues des procedures d' evaluation de la permeabilite a partir d' une courbe de pressi on capillaire. La courbe de pression capill aire Pc est modeli see sous la forme Pc =Pd Xexp(- \ C) ou: Vb (Poo) À G est un parametre de forme pour prendre en compte la courbure de la courbe de pression capillaire (reliee a la forme de la distribution de taille de pore); À Pd. la pression de deplacement extrapolee a SHg egale a zero; et À Vboc le pourcentage de volume occupe par le mercure en fin d'experience a pression capillaire infinie (egal a (xSHg), les trots parametres du modele etant relies a la permeabilite par ['expression suivante: k = 3.8068 x G x L- Dans la publication suivante: - Swanson,B. F.: " A simple correlation between permeability and mercury capillary pressures", JPT, vol. December, pp 2498-2504, 1981, II est propose egalement de correler la valeur de la permeabilite avec la valeur maximale du rapport (V1Pc) sur la courbe de porosimetrie mercure. Ce point particulier correspond generalement au changement de regime qui se produit a la fin du regime de percolation, juste avant ['augmentation significative de la pression capillaire. D'un point de vue capacite d'ecoulement de fluide dans le milieu poreux, ce point est particulierement important car il represente la taille de pore pour laquelle ['ensemble du reseau poreux est connecte et qui controle done ltecoulement. La correlation la plus generale fournie par l'auteur est donnee par ['expression (Swanson 1981). Pc), La publication suivante: Kamath, J.: "Evaluation of accuracy of estimating air permeability from mercury injection data", SPE Formation evaluation, vol 7, 4, pp 304-310, 1992, porte egalement sur ltevaluation comparative des approches par correlation empirique ou par modele physique pour determiner la valeur de la permeabilite a partir d'une courbe de porosimetrie mercure. Le meilleur accord est obtenu avec une nouvelle correlation basee sur la longueur caracteristique de Swanson 1981 deja cite: k=413x85 si k 1 mD Lmax etant defini de la maniere suivante: (óxSnw _ xXx(100-Sr) et (Pe Sw-Sr ) Pe X(l+ )\ KPC) 100-Sr Avec: À X: exposant traduisant la courbure de la courbe de pression capillaire (reliee a la forme S de la distribution de taille de pore). À Pe: la pression de deplacement extrapolee a SHg egale a zero. À Sr saturation residuelle occupee par le fluide mouillant (%). Pour parametrer la courbe de pression capillaire Pc empirique issue des approches de Thomeer, Swanson ou Kamath, on la contraint a s'ajuster a la partie asymptotique obtenue par centrifugation durant la premiere etape de la methode Pour contraindre ltensemble de la courbe, on se sert en outre de la valeur de la permeabilite k mesuree sur debris de forage durant la deuxieme etape de la methode, que l'on compare avec ce que donnent les relations empiriques. On modifie alors les parametres de la pression capillaire Pc jusqu' a ce que l' on honore a la fois le comportement asymptotique mesure et 1S ltestimation de la permeabilite ce qui permet de contraindre la courbe de pression capillaire sur tout l'intervalle de saturation Sw. Le processus d' inversion demarre avec un jeu de parametres par defaut qui permettent de caler le comportement asymptotique de la pression capillaire Pc aux falbles saturations en eau. On modifie alors de proche en proche ces parametres (principalement la pression d'entree, note Pe ou Pd. et le facteur de forme, note ou G) de maniere que ['estimation de la permeabilite donnee par une des relations precedentes soit en bon accord avec la mesure de permeabilite realisee sur debris de forage tout en conservant un bon accord avec les mesures de Pc aux faibles saturations en eau. 1.1. Resultats obtenus Les figures 2b, 3b et 4b et Sb montrent la comparaison entre la courbe de Pc reconstituee suivant la procedure precedente et la courbe de Pc de reference obtenue sur one carotte. On constate que, quel que soit l'exemple considere, la methode de reconstruction permet d' obtenir une evolution pertinente de la Pc sur tout l' intervalle de saturation et en particulier aux fortes saturations en eau, queue que soit la permeability de la roche. s Nom K G Vb Pe (ma) (fraction) (bar) Roll 150 0.28 0.89 0.38 GDV1 195 0.28 1.00 0.41 B7 780 0.25 0.92 0.2 StMax 2000 0.34 0.92 0.26 REVENDICATIONS 1) Methode de determination de la courbe de pression capillaire de roches d'un gisement souterrain a partir de mesures sur des debris de roche qui y vent preleves, comprenant une mesure de la permeabilite K des debris de roche, caracterisee en ce qutelle comporte: une mesure de la courbe de pression capillaire Pc en fonction de la saturation en soumettant a une centrifugation des debris de roche initialement satures d'un fluide; et le parametrage d'une courbe de pression capillaire Pc satisfaisant a des relations empiriques dependent de parametres ajustables, que l'on contraint a s'ajuster a une partie asymptotique de la courbe capillaire mesuree par centrifugation, et a la valeur de la permeabilite k mesuree sur les debris de forage, de fa,con a obtenir ['ensemble de la courbe de pression capillaire. 2) Methode selon la revendication 1, caracterisee en ce que le parametrage comporte la selection par defaut d'un jeu des dits parametres permettant un calage sur la partie asymptotique de la pression capillaire Pc aux faibles saturations, et une modification de proche en proche des parametres de maniere que ltestimation de la permeabilite donnee par une des relations empiriques utilisees s'ajuste au mieux avec les mesures de permeabilite realisees sur debris de roche et avec la cite partie asymptotique. 3) Methode selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce que l'on mesure la permeabilite k des debris de roche a partir de mesures des variations de pression a l'interieur d'un recipient rempli d'un flui de conten ant les debri s de roche apres s a mi se en communication durant un temps defini avec un reservoir de ce meme fluide sous pression et a partir du volume effectivement absorbe par les debris de forage, et d'une modelisation de ltevolution de la pression ou du volume dans le recipient, a partir de valeurs initiales choisies pour les parametres physiques des debris de roche, que lton ajuste iterativement pour que ['evolution modelisee de la pression s'ajuste au mieux avec ['evolution mesuree