Brevet FR2864621A1 — publié le 20050701

PROCEDE ET APPAREILLAGES DE MESURE DE COEFFICIENT DE DIFFUSION DE MATERIAU DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de mesure de coefficient de diffusion d'un matériau ainsi que des appareillages pouvant convenir à ce procédé. Le coefficient de diffusion d'un matériau y mesure la mobilité de fluides dans ses interstices sous l'effet d'une différence de concentration. Les fluides peuvent être liquides ou gazeux, et le matériau naturel ou artificiel. Certaines applications concernent les hydrocarbures à travers les roches ou les gaz à travers des barrières de confinement ou des parois de réservoirs. Plusieurs techniques de mesure existent. L'une d'elles consiste à prélever un échantillon du matériau à étudier, à l'installer dans une chambre et à y injecter l'espèce à diffuser, enrichie en un produit de traçage, d'un côté du matériau. Le coefficient de diffusion peut être déduit de la concentration du produit de traçage qui a traversé le matériau, et qu'on trouve donc de l'autre côté, après une durée déterminée. Pour accomplir ce procédé, les deux portions de la chambre que sépare l'échantillon sont d'abord emplies d'une solution aqueuse ou d'un autre fluide porteur. Une variante du procédé consiste à travailler sur site et à opérer des forages voisins dans la masse du matériau à considérer et à mesurer la progression de l'espèce diffusante d'un forage à l'autre. 2864621 2 Ce genre de procédé a l'inconvénient d'être long, et même extrêmement long s'il est appliqué à des forages, puisqu'il peut durer des années pour deux forages séparés de quelques mètres; et si un échantillon est prélevé pour l'essai, il implique des opérations de prélèvement et de préparation, qui n'excluent pas des risques d'altération ou de mauvaise exécution qui produiraient un résultat incorrect. Une autre technique utilisable pour un forage consiste à délimiter une chambre dans le puits par deux obturateurs à des niveaux différents. Une solution aqueuse est introduite dans la chambre. Quand l'équilibre physique et chimique est réalisé, l'espèce diffusante est injectée dans la chambre et laissée à diffuser dans le matériau foré circonvoisin pendant une durée déterminée. Un carottage est alors fait pour prélever ce matériau et l'analyser en laboratoire. La quantité de l'espèce diffusante qu'il contient donne le coefficient de diffusion. Cette technique donne des résultats fiables puisque la structure d'origine du matériau n'a pas été perturbée avant l'essai, sauf peut-être par le forage, mais le carottage supplémentaire est une opération difficile à réaliser et qui n'est d'ailleurs possible que pour les profondeurs faibles. L'invention a pour objectif de faciliter les mesures de coefficient de diffusion dans un matériau et notamment les mesures sur site. Une bonne rapidité de l'essai avec un appareillage simple est recherchée. La possibilité d'essayer sur site permet de bénéficier de matériaux gardant leurs caractéristiques 2864621 3 d'origine. Aucune manipulation des échantillons du matériau n'est nécessaire. Un aspect de l'invention est ainsi, en général, un procédé de mesure de coefficient de diffusion d'une espèce diffusante dans un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer une chambre ouverte sur une surface du matériau, à injecter un fluide de remplissage dans la chambre, à injecter l'espèce diffusante dans la chambre, et, après une première durée déterminée, à vider la chambre de l'espèce diffusante et à mesurer une concentration de l'espèce diffusante dans la chambre, à au moins une deuxième durée prédéterminée après avoir vidé la chambre. Ce procédé peut comprendre un ajustement de pression du fluide porteur dans la chambre avant d'injecter l'espèce diffusante. Un autre aspect de l'invention concerne certains appareillages adaptés à accomplir ce procédé. Un autre aspect encore est un procédé de mesure de coefficient de diffusion d'une espèce diffusante fluide dans un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer une chambre ouverte sur une surface du matériau mais emplie d'une matière poreuse, à créer une circulation de fluide entre deux extrémités de la chambre le long de la surface du matériau et dans la matière poreuse, à injecter l'espèce diffusante dans la circulation, et à mesurer une durée de traversée de la chambre par l'espèce diffusante. Le fluide de remplissage sera le plus 30 souvent de l'eau ou une solution aqueuse, et l'espèce diffusante pourra être de nature quelconque; elle 2864621 4 devra seulement être mesurable dans le fluide de remplissage; elle pourra être rendue apte à l'application de techniques de traçage. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures: - les figures 1 et 2 représentent deux phases d'un procédé de l'invention accompli de la façon la plus simple, - la figure 3 représente un diagramme d'analyse, la figure 4 représente un appareillage plus perfectionné, - les figures 5, 6 et 7 représentent un appareillage encore plus perfectionné, et respectivement un détail de la chambre et deux états généraux de circulation de fluide, - et les figures 8 et 9 illustrent enfin deux autres appareillages. - et la figure 10 un autre diagramme d'analyse. On arrive à la figure 1. La mesure est entreprise pour une roche dans laquelle un forage superficiel a été fait. De l'eau et une espèce diffusante sont versées dans le puits de forage 1, généralement à des instants successifs et assez éloignés pour qu'un équilibre physique et chimique s'établisse entre l'eau et la roche. L'eau pourra être remplacée par un autre fluide et ne sert qu'à emplir le puits de forage 1 et à porter l'espère diffusante. L'espèce diffusante est le produit dont la diffusion à travers la roche doit être mesurée. Une hélice 2864621 5 d'agitation 2 peut travailler dans le puits de forage 1 pour égaliser la concentration de l'espèce diffusante dans l'eau. Le système est ensuite laissé au repos pour permettre à l'espèce diffusante de progresser dans la roche avoisinante comme l'indiquent les flèches. Après une durée prédéterminée, le puits de forage 1 est vidé et rempli de nouveau d'eau, ou plus généralement du fluide porteur, à l'état pur. Le déséquilibre de concentration de l'espèce diffusante entre la roche et l'eau produit une diffusion inverse qu'illustrent les flèches de la figure 2. Un appareil de prélèvement ou d'analyse mesure l'évolution de la concentration de l'espèce diffusante dans l'eau. L'hélice 2 sert de nouveau à rendre le mélange homogène et permettre des prélèvements. Une courbe de restitution analogue à celles de la figure 10 est obtenue et permet de déduire le coefficient de diffusion de l'espèce dans le matériau par comparaison à des courbes d'étalonnage établies ultérieurement. Sur cette figure, les abscisses mesurent le temps, et les ordonnées mesurent la concentration de l'espèce diffusée à la restitution, c'est-à-dire son retour dans le fluide porteur, en unités arbitraires. Après une brève durée où le système est inerte, la restitution est d'abord très rapide, puis de plus en plus lente jusqu'à arriver à un équilibre. La concentration finale dans la cavité est typiquement de 0,5 à 10% de la concentration d'origine, ce qui est suffisant pour des mesures à condition de bien rincer la cavité avant la restitution. L'équilibre et atteint en général après quelques jours, ce qui est petit par rapport à d'autres essais. La concentration à l'équilibre peut être corrélée au coefficient de diffusion du matériau après des essais préliminaires de calibration menés avec l'espèce diffusante. Quoique les proportions de la cavité ne soient pas critiques, une longueur de l'ordre de dix fois le diamètre peut être suggérée pour une cavité cylindrique. Un procédé et un appareillage plus complet sont définis au moyen de la figure 4. Dans le puits de forage 1 sont établis deux obturateurs 5 et 6 à des niveaux différents qui délimitent une chambre 7 d'étude. La chambre 7 complète un circuit hydraulique 8 sur lequel on peut définir deux branches 9 et 10 dont les extrémités aboutissent dans la chambre 7 à des niveaux extrêmes, près des obturateurs 5 et 6 respectivement, et le circuit 8 comprend successivement, de l'extrémité de la branche 9 à l'extrémité de la branche 10, trois vannes 11, 12 et 13, une pompe 14, deux vannes 15 et 16, un vase d'expansion 17 et encore deux vannes 18 et 19. Les vannes 12, 13 et 15 permettent de dévier l'écoulement dans le circuit 8 vers autant de vases 20, 21 et 22 pouvant consister simplement en des seaux pour de petits forages, les vannes 16 et 18 sont des vannes d'ouverture et de fermeture et les vannes 11 et 19 autorisent soit un écoulement direct du fluide dans le circuit 8, c'est-à-dire sans changement de branche, soit un parcours à changement de branche entre les branches 9 et 10. De plus, un point d'injection 23 de l'espèce diffusante est prévu entre les vannes 15 et 16 I 2864621 7 et un point de prélèvement 24 est prévu entre les vannes 11 et 12. Un premier état du circuit 8 est associé au remplissage de la chambre 7. Le vase 21 contient l'eau devant emplir la chambre 7; la vanne 13 est commutée de façon à produire une aspiration de cette eau par la pompe 14, et les vannes 15, 16, 18 et 19 sont réglées de façon que le vase d'expansion 17 s'emplisse à un niveau suffisant (la vanne 18 étant fermée) puis que la chambre 7 s'emplisse à son tour par la branche 10 (la vanne 18 ayant été ouverte). Le surcroît d'eau commence ensuite d'emplir la branche 9, ce qui peut être détecté quand de l'eau commence à couler dans le vase 20. Les vannes 12 et 13 sont alors commutées pour isoler le circuit 8 des vases 20 et 21. Il subsiste une poche d'air entre les vannes 12 et 13, qui se déplace à mesure du pompage et se dissipe finalement dans le vase d'expansion 17. La pompe 14 est choisie pour ne pas être désamorcée par ce passage d'air et peut consister par exemple en une pompe à membrane. L'espèce diffusante est ensuite introduite dans le circuit 8 par le point d'injection 23. La circulation des fluides par la pompe 14 est maintenue pendant toute la durée pendant laquelle la roche est exposée à l'espèce diffusante. Si le vase d'expansion 17, en particulier, a un volume suffisant par rapport à la chambre 7, la concentration du fluide en l'espèce diffusante reste à peu près constante malgré la part s'étant diffusée et ayant quitté le circuit 8. L'étape suivante est une vidange du système et comporte une inversion des vannes 11, 15 et 19 et 2864621 8 une fermeture de la vanne 16. La continuité du pompage aspire le fluide contenu dans la chambre 7 par la branche 10 et le rejette dans le vase 22. Le contenu du vase d'expansion 17 s'écoule dans la chambre 7 par la branche 9 et finit aussi dans le vase 22. Le circuit 8 et la chambre 7 finissent d'être vidés en ouvrant la vanne 16. Les vannes sont ensuite remises à la position de départ pour emplir de nouveau la chambre 7 d'eau pure, puis à l'état précédant la vidange pour établir une circulation fermée dans le circuit 8 et la chambre 7 et effectuer en permanence ou par intervalle les mesures par le point 24 de prélèvement. Quand l'essai est fini, une nouvelle vidange peut être effectuée. Un procédé plus complexe est proposé et expliqué au moyen des figures 5, 6 et 7; il présente les avantages de maintenir le contenu de la chambre 7 à une pression voulue, comme la pression interstitielle de la roche, et d'obtenir ainsi un équilibre physique du système. La figure 5 représente encore une paire d'obturateurs 5 et 6 disposés dans un puit de forage 1 à des niveaux différents de façon à délimiter une chambre 7, mais celle-ci est divisée par un piston 27 en une cavité supérieure 28 et une cavité inférieure 29. Le piston 27 coulisse en frottant sur la paroi racleuse et sur un tube 30 central reliant les obturateurs 5 et 6. Le piston 27 comporte des joints d'étanchéité 31 et 32 concentriques pour assurer l'étanchéité entre les cavités 28 et 29. Le tube 30 2864621 9 sert aussi à loger des tuyaux menant à la cavité inférieure 29. On passe à la figure 6. Chacune des cavités 28 et 29 est associée à un circuit hydraulique particulier comprenant une branche d'injection 33 ou 35 et une branche de prélèvement 34 ou 36 qui y conduit. Les circuits comprennent encore chacun un réservoir d'expansion 39 ou 40 à ciel gazeux mis sous pression par une bouteille de gaz 41 ou 42, une pompe 43 ou 44; des points des prélèvements 45 et 46 sont prévus sur les branches de prélèvement 34 ou 36, et un point d'injection 47 est encore prévu sur la branche de prélèvement 34 associée à la cavité supérieure 28. Les réservoirs d'expansion 39 et 40 sont posés sur des balances 48 et 49 qui permettent de suivre l'évolution de leur poids. Enfin, des branches d'interconnexion 50 et 51 relient la sortie de chacune des pompes 43 et 44 à la branche d'injection 33 ou 35 associée à l'autre des cavités. L'expérience commence avec le piston 27 abaissé au maximum, c'est-à-dire que la cavité supérieure 28 a un volume maximal et la cavité inférieure 29 un volume minimal. Les pompes 43 et 44 sont mises en marche pour alimenter chacune les cavités 28 et 29 en l'eau contenue dans les réservoirs d'expansion 39 et 40, qui retiennent en échange l'air d'abord contenu dans les circuits. L'étape suivante consiste en une mise sous pression du réservoir d'expansion 39 associé à la cavité supérieure 28; le reste du circuit est porté à la même pression. On s'efforce d'instaurer dans les 2864621 10 cavités 28 et 29 une pression égale à la pression interstitielle de la roche environnante, afin d'équilibrer les infiltrations d'eau vers la roche ou hors d'elle. La quantité d'eau présente dans le système reste alors invariable, ce qui peut être vérifié par les balances 48 et 49. Une des pompes 43 ou 44 est alors mise en route pour entretenir une circulation d'eau qui assure un équilibre chimique dans le système. Si cette étape est décidée, elle peut durer plusieurs mois. Les branches d'interconnexion 50 et 51 étaient ouvertes jusqu'à présent pour unir les circuits. Elles sont fermées pour l'étape suivante, où les circuits 37 et 38 ne sont plus associés qu'à une cavité 28 et 29 respective en réalisant l'écoulement de la figure 7, l'eau stagnant dans les branches d'interconnexion 50 et 51. La pression dans le réservoir d'expansion 40 est légèrement diminuée. La pompe 43 de l'autre circuit est mise en route, l'espèce diffusante est injectée et laissée en circulation dans les branches 33 et 34. Elle entre dans la cavité supérieure 28 (encore au volume maximal) et se diffuse dans la roche avoisinante. Cette étape dure autant que nécessaire. Puis la pompe 43 est arrêtée, la pression dans le réservoir d'expansion 40 réglée à la pression interstitielle, mais la pression dans l'autre réservoir d'expansion 39 est légèrement diminuée: le piston 27 s'élève, refoule l'eau chargée de l'espèce diffusante hors de la chambre 7 et met en contact la roche avec l'eau pure présente dans les branches 35 et 36. La 2864621 11 cavité supérieure 28 est portée à un volume négligeable et la cavité inférieure 28 occupe presque toute la chambre 7. Les prélèvements de l'espèce suffisante restituée par la roche peuvent alors être entrepris comme précédemment. Un autre mode de réalisation est décrit au moyen de la figure 8. Entre les obturateurs 5 et 6 du puits de forage 1, la chambre 7 est emplie essentiellement d'un milieu poreux 55, entre la roche et un tube 56 central qui relie encore les obturateurs 5 et 6. Le circuit employé comprend une branche d'entrée 57 traversant l'obturateur 5 supérieur et le tube 56 et menant au bas de la colonne du milieu poreux 55. Le circuit comprend encore une branche d'évacuation 58 débouchant au sommet de cette colonne. Il comprend enfin des éléments non représentés pour assurer le pompage, l'injection et le prélèvement et la mise sous pression. Une circulation d'eau ou d'un autre fluide porteur est alors entreprise, puis l'espèce diffusante est injectée. Elle s'écoule dans la branche 57 puis dans la colonne du milieu poreux 55 en suivant alors un écoulement ascendant. Des diffusions se produisent vers la roche environnante. L'espèce diffusante est en réalité injectée en un créneau, c'est-à-dire une durée assez brève après laquelle la circulation continue sans nouvelles injections. On assiste alors à une élévation progressive de l'espèce diffusante dans le milieu poreux 55, accompagnée de diffusion vers la roche environnante et de diffusion en retour de la roche vers le milieu poreux 55. L'espèce diffusante finit par être 2864621 12 reprise par la branche 58 et peut être prélevée. Les courbes de restitution présentant un pic comme à la figure 3 sont observées. Plus la matière autorise la diffusion, plus le pic de la courbe est bas. La hauteur du pic peut ainsi être corrélée au coefficient de diffusion par les étalonnage faits sur des matériaux dont le coefficient de diffusion est connu. Une mesure suffit théoriquement si la corrélation porte seulement sur la hauteur du pic et si le moment d'apparition du pic est connu; un nombre plus important de prélèvements, donnant autant de mesures, sera généralement préféré en pratique pour estimer mieux la courbe de restitution. Un paramètre à considérer ici pourra être la durée de traversée de la chambre 7 par l'espèce diffusante, c'est-à-dire le temps s'écoulant entre l'injection de cette espèce et la mesure du pic de restitution, qui est d'autant plus lent que le milieu environnant autorise la diffusion. Des résultats d'étalonnage seront encore utilisés pour exploiter effectivement les mesures. Le milieu poreux 55 a pour fonction d'égaliser l'écoulement du fluide dans la chambre 7 et la concentration en direction radiale de l'espèce diffusante. Une mousse de polymère peut convenir. Ici aussi le circuit est avantageusement mis à la pression interstitielle de la roche pour éviter les infiltrations. Une configuration un peu différente est celle de la figure 9, qui est prévue pour une mesure du même genre en surface et où la chambre d'écoulement des fluides est délimitée par un boîtier 60 comprenant une 2864621 13 ouverture 61 posée à la surface 59 du matériau à caractériser. Un milieu poreux 62 analogue au milieu 55 est disposé sous forme de lit à l'ouverture 61. On retrouve un circuit comprenant deux branches 63 et 64 analogues aux branches 57 et 58 et par lesquelles le fluide porteur et l'espèce diffusante sont d'abord introduits à une extrémité du lit poreux 62, puis retirés de l'autre extrémité. La mesure se passe comme la précédente, la seule différence de principe étant la forme plane de l'interface de diffusion au lieu d'une forme cylindrique. On a ainsi exposé plusieurs variantes d'un procédé convenant à l'étude sur site des propriétés de diffusion moléculaire de matériaux. 14 REVENDICATIONS 1) Procédé de mesure de coefficient de diffusion d'une espèce diffusante fluide dans un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer une chambre (7) ouverte sur une surface du matériau, à injecter un fluide de remplissage dans la chambre, à injecter l'espèce diffusante dans la chambre, et, après une première durée déterminée, à vider la chambre de l'espèce diffusante et à mesurer une concentration de l'espèce diffusante dans la chambre, à au moins une deuxième durée prédéterminée après avoir vidé la chambre. 2) Procédé de mesure de coefficient de diffusion dans matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ajustement de pression du fluide de remplissage dans la chambre avant d'injecter l'espèce diffusante. 3) Procédé de mesure du coefficient de diffusion dans un matériau selon l'une quelconque revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un forage (1) dans le matériau et une installation de la chambre dans le forage. 4) Procédé de mesure du coefficient de diffusion dans un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une installation de la chambre sur une surface libre (59) du matériau. 5) Appareil pour mesurer un coefficient de 30 diffusion dans un matériau selon le procédé de la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux 2864621 15 conduits à fluide (9, 10) aboutissant à deux extrémités opposées de la chambre, un moyen de mise sous pression réglable du fluide des conduits, et un piston (27) mobile dans la chambre, qui est cylindrique, et la séparant en deux cavités (28, 29). 6) Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une réserve du fluide communiquant à la chambre par au moins un des conduits et un moyen de pesée (48, 49) de ladite réserve. 7) Procédé de mesure de coefficient de diffusion d'une espèce diffusante fluide dans un matériau, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer une chambre (7) ouverte sur une surface du matériau mais emplie d'une matière poreuse (55), à créer une circulation de fluide entre deux extrémités de la chambre le long de la surface du matériau et dans la matière poreuse, à injecter l'espèce diffusante dans la circulation, et à mesurer une durée de traversée de la chambre (7) par l'espèce diffusante. 8) Appareil pour mesurer un coefficient de diffusion dans un matériau selon le procédé de la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux conduits à fluide (57, 58) aboutissant à deux extrémité opposées de la chambre.