Brevet FR2910127A1 — publié le 20080620

La présente invention se rapporte au domaine des tests mécaniques sur des matériaux et plus particulièrement sur des roches ou géomatériaux sans pour autant se limiter à ces seuls matériaux. La présente invention porte sur un dispositif d'essai permettant une mesure simple et rapide des propriétés mécaniques élastiques, plastiques et de rupture d'un échantillon cylindrique sous différents niveaux de chargement mécanique. Le dispositif d'essai selon l'invention est un système mécanique simple permettant d'appliquer une contrainte axiale de compression sur un échantillon placé dans une cellule équipée d'un piston, le piston comportant des moyens de poinçonnement intégrés au corps du piston et commandés indépendamment de la compression du piston. Un effort de compression axial selon l'axe du piston est donc appliqué sur l'échantillon qui subit une déformation axiale selon ledit axe du piston, induisant un effort de compression radial et donc une déformation radiale, la déformation radiale étant limitée par les parois de la cellule qui l'entoure. Ce type d'essai et de chargement sont dits oedométriques. Il faut entendre par oedométrique que la cellule subit une déformation radiale négligeable par rapport à la déformation axiale selon l'axe du piston. L'invention concerne également une méthode de mesure des propriétés mécaniques d'un échantillon au cours d'un seul essai sur lequel on réalise successivement un test de comportement élastique, plastique et un test de comportement à la rupture par la combinaison d'un test de déformation uniaxiale et d'un test de poinçonnage. Le dispositif d'essai et la méthode de mesure peuvent être utilisés et appliqués en présence d'un fluide interstitiel en condition drainée ou non drainée et en température. Il existe des systèmes de mesure des propriétés des (géo)matériaux qui permettent 30 d'appliquer des sollicitations mécaniques triaxiales en présence d'une pression interstitielle et en température mais ce sont des dispositifs coûteux et difficiles à mettre en oeuvre. 25 2910127 Description des modes de réalisation L'invention porte sur un dispositif d'essai (1) pour mesurer les propriétés mécaniques élastiques, plastique et de rupture d'un échantillon d'un matériau, constitué d'une cellule 5 équipée d'un piston fournissant une compression sur l'échantillon placé dans la cellule, dans lequel le piston comporte des moyens de poinçonnement intégrés au corps du piston et commandés indépendamment de la compression du piston. L'échantillon et la cellule peuvent être cylindriques et de même diamètre. 10 Les moyens de poinçonnement peuvent comprendre un ou plusieurs poinçon intégré au corps du piston et commandé hydrauliquement. Les poinçons peuvent être commandés indépendamment les uns des autres. Les moyens de poinçonnement peuvent être constitués de trois poinçons répartis sur la 15 section du piston. La cellule cylindrique peut comporter des parois dimensionnées pour limiter la déformation radiale de l'échantillon. 20 Le dispositif peut comporter un système de mesure de la déformation radiale de la cellule. Le dispositif peut comporter un système de mesure acoustique et/ou accélérométrique. Le dispositif peut comporter un système de chauffage et de contrôle de température. 25 L'invention porte également sur une méthode de mesure d'un comportement mécanique d'un échantillon mettant en oeuvre le dispositif selon l'invention dans lequel on effectue simultanément, sur un même échantillon, un test de comportement élastique, plastique et un test de comportement à la rupture. 2 2910127 3 Le test de comportement élastique, plastique peut être réalisé par un chargement uni axial de l'échantillon à l'aide d'un piston et le test de comportement à la rupture peut être réalisé par des moyens de poinçonnement intégrés au piston. 5 D'après la méthode selon l'invention, on peut effectuer plusieurs poinçonnements à des niveaux de chargement différents. On peut effectuer la mesure sur un échantillon choisi parmi des matériaux poreux, des matériaux non poreux, des matériaux poreux consolidés, des matériaux poreux non 10 consolidés et des matériaux constitués d'un assemblage de fragments de matériaux. On peut également effectuer la mesure en présence d'une pression de fluide interstitiel dans ledit échantillon. En particulier lorsqu'il est constitué de fragments de matériaux poreux tels que des débris de roche forée. 15 La présente invention permet ainsi une mesure simple et rapide des propriétés mécaniques élastiques, plastique et de rupture d'échantillons choisi parmi les matériaux poreux, les matériaux non poreux, les matériaux poreux consolidés, les matériaux poreux non consolidés et les matériaux constitués d'un assemblage de fragments de matériaux tels que des débris de forage ou des morceaux de carotte. 20 Description sommaire des figures La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : - la figure 1A illustre le principe du dispositif selon l'invention, - la figure 1B illustre une vue en coupe selon l'axe du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 1A, - la figure 1C illustre une vue en coupe selon l'axe AA du dispositif selon l'invention représenté sur la figure 1B, 2910127 4 - la figure 2 illustre les chemins de chargement oedométrique et de poinçonnement sous confinement obtenus avec la méthode de mesure utilisant le dispositif selon l'invention. Description des ficiures 5 La figure 1A illustre le principe du dispositif d'essai (1) selon l'invention. La figure 1B illustre une vue en coupe selon l'axe du dispositif d'essai (1) selon l'invention. Le dispositif d'essai (1) est constitué d'une cellule cylindrique (2) équipée d'un piston (3) soumis à un système de compression axiale selon l'axe du piston (non représenté sur la figure), l'échantillon cylindrique (non représenté sur la figure) étant placé à l'intérieur de la 10 cellule cylindrique (2) de même diamètre. Un effort de compression externe est appliqué axialement sur le piston (3) par un système de compression axiale selon l'axe du piston, le système de compression axiale pouvant être une presse, un système hydraulique ou tout autre système équivalent. 15 Sous l'effet de l'effort de compression externe appliqué axialement selon l'axe du piston (3) sur ledit piston (3), l'échantillon cylindrique se déforme axialement selon l'axe du piston (3), cette déformation axiale induisant une déformation radiale dudit échantillon, cette déformation radiale étant limitée par la paroi de la cellule cylindrique (2) qui le contient. 20 L'état de contrainte de l'échantillon cylindrique est donc de nature bi-axiale, c'est-à-dire, l'échantillon cylindrique subit à la fois une contrainte de compression axiale selon l'axe du piston (3) et une contrainte de compression radiale. L'état de déformation de l'échantillon cylindrique est par contre uni-axial du fait de la limitation de la déformation radiale de l'échantillon cylindrique par la paroi de la cellule 25 cylindrique qui le contient. Par ailleurs, l'épaisseur de la paroi de la cellule cylindrique (2) est définie de manière à résister aux efforts appliqués et à obtenir une déformation radiale faible, et donc négligeable devant la déformation verticale. Le piston (3) du dispositif d'essai (1) selon l'invention comporte également sur sa surface en contact avec l'échantillon cylindrique des moyens de poinçonnement constitués d'un ou plusieurs poinçons (4) intégrés au corps du piston (3), et commandés indépendamment de la compression du piston (3), les poinçons (4) étant répartis sur la section du piston (3). 2910127 5 Les poinçons (4) sont formés de tiges cylindriques (5) activées de préférence hydrauliquement par les conduits (6), les conduits étant alimentés en pression hydraulique par une pompe hydraulique (non représentée sur la figure) reliée au dispositif selon l'invention par l'orifice (7). 5 Les poinçons (4) peuvent être commandés indépendamment de la compression du piston (3) et indépendamment les uns des autres. Pour un niveau de chargement donné exercé par le piston (3), les poinçons (4) permettent d'exercer une sollicitation triaxiale selon l'axe du piston (3) locale additionnelle. Cette sollicitation additionnelle constitue un essai de poinçonnement sous confinement. Elle 10 s'effectue selon un trajet de chargement différent du chemin de déformation uniaxiale et permet d'indenter l'échantillon pour mesurer ses propriétés à la rupture. Ainsi, grâce à la présence de plusieurs poinçons pouvant être commandés indépendamment de la compression du piston (3) et indépendamment les uns des autres, ce dispositif permet de réaliser la mesure des propriétés de rupture à différents niveaux de 15 chargement de confinement exercés par le piston (3). Ainsi, la combinaison des chargements consécutifs exercés à la fois par le piston (3) et les poinçons (4) permet une détermination des propriétés élastiques, plastiques et de rupture à différents niveaux de chargement. Par ailleurs, lors de ce test, il faut veiller à compenser l'effort axial selon l'axe du piston (3) 20 appliqué par le piston (3). Cette compensation doit être asservie pour maintenir un confinement constant sur l'échantillon. Dans le cas où le système de compression axiale selon l'axe du piston (3) est une presse, on intercale entre le piston (3) et le bâti de la presse un système rotulant (non représenté sur la 25 figure 1 B) permettant de compenser un éventuel désalignement introduit dans le dispositif du fait du montage de la presse. II est possible de mesurer l'effort de compression axial externe selon l'axe du piston (3) appliqué sur le piston (3) par la mise en place d'un système de mesure de l'effort de 30 compression axial constitué par exemple par un capteur du type jauges de contrainte placé selon les règles de l'art. 2910127 6 Le dispositif d'essai (1) selon l'invention peut avantageusement comporter un système de mesure du déplacement du piston et de la déformation axiale selon l'axe du piston (3) de l'échantillon cylindrique situé dans la cellule cylindrique. 5 Il est également possible de mesurer la contrainte radiale dans l'échantillon (2) par la mise en place d'un système de mesure placé sur la surface extérieure de la cellule cylindrique (2) permettant de mesurer la déformation radiale de la cellule et d'en déduire la contrainte de compression exercée sur la paroi interne de ladite cellule cylindrique (2) qui correspond à la contrainte de compression radiale subie par l'échantillon cylindrique. 10 Des capteurs acoustiques peuvent également avantageusement être couplés au niveau du piston et de la base de la cellule pour réaliser des mesures de propriétés élastiques dynamiques (Vp et Vs). Des accéléromètres peuvent également être placés sur la cellule pour enregistrer l'activité acoustique induite par la rupture de l'échantillon lors du test de 15 comportement à la rupture, c'est-à-dire du test de poinçonnement. Le dispositif d'essai selon l'invention peut avantageusement être mis en présence d'une pression de fluide interstitiel dans l'espace poreux dans le cas d'essai sur des matériaux poreux. Le dispositif d'essai selon l'invention peut également avantageusement être mis en température. Le dispositif d'essai et la méthode de mesure peuvent être utilisés et appliqués en présence 25 d'un fluide interstitiel en condition drainée ou non drainée et en température. La figure 2 illustre les mesures obtenues en mettant en oeuvre la méthode selon l'invention et plus particulièrement, les chemins de chargement oedométrique et de poinçonnement sous confinement obtenus avec la méthode de mesure utilisant le 30 dispositif selon l'invention. En ordonnée, on porte la contrainte déviatorique (c'est à dire la différence entre la contrainte verticale et la contrainte radiale, dans le cas d'un chargement bi axial) et en abscisse la contrainte moyenne effective (c'est à dire la moyenne des contraintes diminuées de la valeur de la pression interstitielle dans le cas d'un chargement bi axial). 20 2910127 7 Le chemin de chargement oedométrique, dit comportement oedométrique, est représenté sur ce diagramme par la courbe en pointillé référencée (a). Les points de rupture R1, R2 et R3 obtenus par l'enfoncement des poinçons sont aussi portés sur ce diagramme et forment la droite référencée (b). 5 Les caractéristiques mécaniques déterminées à l'aide du dispositif d'essai peuvent avantageusement être utilisées pour effectuer une modélisation (géo)mécanique, par exemple de la stabilité des parois d'un puits en cours de forage, de couplage géomécanique avec un réservoir, de tenue des roches couvertures,... Ce dispositif peut être appliqué à la connaissance des propriétés géomécaniques le long 10 du puits, en cours de forage, soit à partir de carotte de roche ou de débris de forage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'essai (1) pour mesurer les propriétés mécaniques élastiques, plastiques et de rupture d'un échantillon d'un matériau, comportant une cellule équipée d'un piston fournissant une compression sur l'échantillon placé dans la cellule, caractérisé en ce que le corps du piston comporte des moyens de poinçonnement intégrés et commandés indépendamment de la compression du piston. 2. Dispositif d'essai selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échantillon et la cellule sont cylindriques et de même diamètre. 3. Dispositif d'essai selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de poinçonnement comprennent un ou plusieurs poinçons intégrés au corps du piston et commandé hydrauliquement. 4. Dispositif d'essai selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de poinçonnement comprennent un ou plusieurs poinçons commandés indépendamment les uns des autres. 5. Dispositif d'essai selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de poinçonnement sont constitués de trois poinçons répartis sur la section du piston. 6. Dispositif d'essai selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la 25 cellule comporte des parois dimensionnées pour limiter la déformation radiale de l'échantillon. 7. Dispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un système de mesure de la déformation radiale de la cellule. 30 2910127 9 8. Dispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un système de mesure acoustique et/ou accélérométrique. 9 Dispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte 5 un système de chauffage et de contrôle de température. 10. Méthode de mesure du comportement mécanique d'un échantillon mettant en oeuvre le dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que on effectue sur un même échantillon, un test de comportement élastique, plastique et un test de 10 comportement à la rupture. 11. Méthode de mesure selon la revendication 10 caractérisée en ce que le test de comportement élastique, plastique est réalisé par un chargement uniaxial sur l'échantillon à l'aide d'un piston et le test de comportement à la rupture est réalisé par des moyens de 15 poinçonnement intégrés au piston. 12. Méthode de mesure selon l'une des revendications 10 à 11 caractérisée en ce que l'on effectue des poinçonnements à des niveaux de chargement différents. 20 13. Méthode de mesure selon l'une des revendications 10 à 12 caractérisée en ce que ledit échantillon est choisi parmi les matériaux suivants : poreux, non poreux, poreux consolidés, poreux non consolidés, et un assemblage de fragments de matériaux. 14. Méthode de mesure selon la revendication 13 caractérisée en ce que l'on effectue la mesure en présence d'une pression de fluide interstitiel dans ledit échantillon.