Brevet FR2931189A1 — publié le 20091120

Procédé d'estimation de paramètres physiques d'une formation géologique La présente invention est relative à la 5 détermination de paramètres physiques de couches de matériaux dans le sous-sol. L'objet du procédé est de rechercher des propriétés telles que la perméabilité, la porosité ou la pression naturelle, des couches de matériaux dans le sous-sol. La 10 connaissance de telles propriétés est notamment utile si une exploitation du sous-sol est envisagée, par exemple pour en extraire des hydrocarbures. Le document FR-A-2 747 470 décrit un procédé d'essai d'étanchéité d'une cavité souterraine de stockage 15 de fluide. Selon ce procédé, on remplit avec deux fluides non miscibles la cavité et un puits qui lui donne accès depuis la surface, l'interface entre les deux fluides étant positionnée à une profondeur souhaitée. Pour simuler une fuite à cette profondeur, on injecte ou on soutire des 20 quantités prédéterminées de l'un des deux fluides. Les pressions en tête de puits sont mesurées, ainsi que la position de l'interface avant et après chaque injection ou soutirage. Le débit de fuite est alors estimé à partir de ces mesures. 25 Un tel procédé permet de qualifier l'étanchéité de la cavité en estimant un débit de fuite au sabot de cuvelage du puits. Ce procédé ne permet pas d'estimer la position de la fuite, ni d'estimer des paramètres physiques des matériaux environnants du puits à une profondeur 30 donnée. En outre, ce procédé ne permet pas d'obtenir des paramètres physiques de plusieurs couches de matériaux dans le puits. La présente invention vise à mesurer des paramètres physiques du sous-sol en étant moins soumis à de telles 35 limitations. 2 Selon l'invention, il est proposé un procédé d'estimation de paramètres physiques d'une formation géologique, comprenant les étapes suivantes: - équiper un puits traversant la formation 5 géologique d'un tube ouvert à son extrémité inférieure; - remplir le tube et une partie inférieure d'un espace annulaire situé autour du tube dans le puits avec un premier fluide; - remplir le reste de l'espace annulaire avec au 10 moins un deuxième fluide de façon que les fluides présentent une interface dans l'espace annulaire; - perturber un équilibre hydraulique des fluides dans le puits; - mesurer l'évolution de grandeurs relatives à des 15 propriétés des fluides dans le puits ; - effectuer des simulations par ordinateur du comportement hydraulique des fluides ayant un équilibre perturbé dans le puits, chaque simulation utilisant un jeu de valeurs pour lesdits paramètres physiques de la 20 formation géologique et donnant lieu à une évolution simulée desdites grandeurs; et - comparer les évolutions mesurées et simulées desdites grandeurs pour identifier un jeu de valeurs optimal pour les paramètres physiques de la formation 25 géologique. Le puits et son environnement sont soumis à des séquences au cours desquelles sont faites des mesures et sont provoquées des perturbations de l'équilibre hydraulique, dans des conditions où les fluides contenus 30 dans le puits sont soumis à des surpressions ou des dépressions et de ce fait s'échappent en partie dans les couches rocheuses environnantes. Des grandeurs telles que la pression dans ou en dehors du tube ou le niveau de l'interface entre les fluides sont mesurées dans leur 35 évolution dynamique. 3 L'écoulement des fluides vers la formation géologique est par ailleurs simulé à l'aide d'un modèle, par exemple un modèle analytique ou par éléments finis, tenant compte des propriétés des matériaux du sous-sol, notamment perméabilité et/ou porosité. La comparaison des mesures aux prévisions du modèle permet une estimation des paramètres recherchés à l'aide de méthodes d'optimisation telles qu'on les utilise couramment dans l'analyse de données. Il est ainsi possible de remonter à des estimations de paramètres physiques de la formation géologique traversée par le puits, du fait que l'évolution qui est mesurée et simulée se rapporte à plusieurs séquences de mesures successives dont les effets se cumulent dans le temps. Dans des formes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - l'interface est successivement positionnée à différentes profondeurs en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits, et pour chaque profondeur on perturbe l'équilibre des fluides et on mesure l'évolution des grandeurs ; - l'interface est déplacée entre au moins deux profondeurs en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits, et pendant le déplacement de l'interface on perturbe l'équilibre des fluides et on mesure l'évolution des grandeurs ; - l'évolution des grandeurs relatives à des propriétés des fluides est mesurée pendant un déplacement de l'interface entre au moins deux profondeurs prédéterminées en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits ; - l'équilibre hydraulique du puits est perturbé en 35 injectant ou soutirant un volume prédéterminé de fluide 4 dans le tube et/ou dans l'espace annulaire - chaque simulation comporte une estimation des débits de perméation des fluides vers la formation géologique, puis une estimation de l'évolution simulée des grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits ; - chaque simulation comporte en outre une estimation de la profondeur de l'interface dans l'espace annulaire à partir des débits de perméation estimés ; - les premier et deuxième fluides sont des liquides ; - les paramètres physiques comprennent au moins un paramètre parmi la perméabilité et la porosité d'au moins une couche de matériaux de la formation géologique ; - les paramètres physiques comprennent la pression naturelle d'au moins une couche de matériaux de la formation géologique ; - le premier fluide est plus dense que le deuxième fluide ; - les grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits comprennent la profondeur de l'interface le long de l'espace annulaire ; - les grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits comprennent un débit d'injection ou 25 de soutirage de fluide en tête de puits ; - le puits est équipé en outre d'un asservissement d'une des grandeurs relative à des propriétés de fluides ; - on exécute successivement des séquences de mesure, chaque séquence de mesure comprenant: 30 • positionnement de l'interface à une profondeur déterminée pour la séquence en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits, • perturbation d'un équilibre hydraulique des fluides 35 dans le puits en injectant ou soutirant un volume prédéterminé de fluide dans le tube et/ou dans l'espace annulaire. - les grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits comprennent une pression à 5 l'intérieur du tube, et une pression dans l'espace annulaire - les pressions sont mesurées en tête de puits ; - l'une des pressions est considérée comme une pression de référence, et dans lequel chaque séquence de mesure comprend au moins les étapes suivantes : (ai) déplacer l'interface dans le puits jusqu'à une position prédéterminée, (a2) perturber un équilibre des fluides du puits en injectant un premier volume de fluide, la pression de référence variant d'une valeur de pression initiale à une valeur de pression finale, (a3) observer les variations des pressions, et (a4) ramener à l'équilibre les fluides du puits en soutirant un deuxième volume de fluide, la pression de référence variant jusqu'à sensiblement la valeur de pression initiale ; - à l'étape (al), l'interface est positionnée à une profondeur différente d'une séquence de mesure à une autre ; - la formation géologique comporte plusieurs couches traversées par le puits, et dans lequel à l'étape (al), l'interface est positionnée en regard d'une couche de matériaux différente d'une séquence de mesure à une autre. D'autres caractéristiques et avantages de 30 l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de de plusieurs de ses formes de réalisation, données à titre d'exemples non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins . 35 - la figure 1 est une vue en coupe d'un puits dans 6 lequel est appliqué le procédé du type de l'invention, - la figure 2a montre un graphique représentant l'évolution d'une pression dans le puits en fonction du temps, pendant l'exécution d'une première forme de réalisation du procédé, - la figure 2b montre un graphique représentant l'évolution de la profondeur de l'interface dans le puits en fonction du temps, pendant la même exécution de la figure 2a du procédé, - la figure 3 est une vue en coupe agrandie d'une portion du puits de la figure 1 montrant une couche de matériaux, et des paramètres correspondants à un modèle mathématique hydraulique de ladite couche de matériaux, - la figure 4 est une vue en coupe d'un puits similaire à la figure 1, montrant d'autres paramètres d'un modèle mathématique hydraulique du puits, - la figure 5a montre un graphique représentant l'évolution d'une pression dans le puits en fonction du temps, pendant l'exécution d'une deuxième forme de 20 réalisation du procédé, - la figure 5b montre un graphique représentant l'évolution d'un débit d'alimentation du puits en fonction du temps, pendant la même exécution de la figure 5a du procédé, 25 - la figure 5c montre un graphique représentant l'évolution de la profondeur de l'interface dans le puits en fonction du temps, pendant la même exécution de la figure 5a du procédé. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou 30 similaires. La figure 1 montre un puits 10 formé par un trou de forage 11 entre une tête de puits lla à proximité de la surface du sol 12 et un fond de puits llb. Le trou de forage 11 est représenté en figure 1 sensiblement vertical, 35 mais celui-ci peut aussi être incliné, dans le cas de puits déviés. Un cuvelage cimenté 15 comportant un tube métallique interne constitue le revêtement interne d'une partie supérieure 10a du puits 10, entre la tête de puits lla et une zone de fin de cuvelage 16, souvent appelée sabot. Ce cuvelage 15 est sensiblement étanche aux divers fluides ou liquides pouvant circuler dans le puits de forage 10. Le sabot 16 se situe à une profondeur z1 de la surface du sol 12. Sous le sabot 16, le puits 10 se prolonge dans une zone 10b, souvent appelée découvert, jusqu'au fond de puits llb. Dans ce découvert, le trou de forage 11 traverse une formation géologique 13 qu'on considère composée d'une succession de N couches de matériaux notées C1, C2 à CN_1, puis CN. Ces couches de matériaux sont généralement des roches sensiblement homogènes dans leur composition minéralogique, pour les profondeurs considérées, c'est-à-dire supérieures à quelques centaines de mètres, par exemple supérieures à 500 m. La première couche C1 est située sous le cuvelage 15 et adjacente à celui-ci. La couche CN est située à proximité du fond de puits llb. Ces couches de matériaux sont représentées horizontales autour du trou de forage il, mais leur disposition peut bien entendu être autre. Chaque couche CI est délimitée par une surface supérieure et une surface inférieure. La surface inférieure d'une couche C1 correspond à la surface supérieure de la couche suivante C,+1 Dans l'exécution du procédé, les positions des 30 surfaces entre les couches C1-CN peuvent avoir été déterminées par des techniques connues d'imagerie du sous- sol, notamment par des techniques sismiques mises en oeuvre avant le forage du puits 10 ou par des techniques diagraphiques mises en oeuvre pendant le forage du puits 10. 35 Ces techniques permettent d'être informé de la géométrie 7 8 des couches constituant le sous-sol. Le procédé décrit ici sert ensuite à se renseigner sur le comportement hydraulique des roches ou matériaux constituant ces couches. En particulier, le procédé fournira des estimations de différents paramètres physiques des matériaux constituant les couches. Le procédé selon l'invention s'accommode d'un nombre N de couches qui peut aller de 1 à plusieurs dizaines. Chaque couche Ci peut être caractérisée par des paramètres physiques tels que perméabilité, porosité ou une pression naturelle. La présente invention vise à déterminer au moins un de ces paramètres physiques. Un effet de peau, ou "skin" au voisinage du trou de forage 11 peut être pris en compte, comme décrit plus loin, afin de tenir compte d'une possible modification de certaines propriétés des roches au voisinage du forage à la suite d'opérations conduites dans le forage du puits 10. La surface inférieure de la dernière couche CN peut être considérée comme située au fond de puits llb, qui se situe à une profondeur z2 de la surface du sol 12. Un tube 17 est disposé dans le puits 10 depuis la tête de puits lla sensiblement jusqu'au fond de puits llb. Un espace cylindrique 18 est défini à l'intérieur du tube 17. Un espace annulaire 19 est défini entre la paroi du puits 10 et le tube 17. L'espace annulaire 19 communique en tête de puits lla avec une vanne 24, une ligne 25 et une pompe 26 avec un réservoir 27 contenant un fluide L1. Le fluide L1 occupe l'espace annulaire 19 de la tête de puits lla jusqu'à un niveau d'interface situé à une profondeur zi de la surface du sol 12. Le fluide L1 est par exemple un liquide léger, par exemple un hydrocarbure léger ou de l'eau douce. L'espace cylindrique 18 intérieur au tube 17 35 communique en tête de puits lla avec une vanne 20, une 9 ligne 21 et une pompe 22 avec un réservoir 23 contenant un fluide L2. Le fluide L2 occupe l'espace cylindrique 18 de la tête de puits lla jusqu'au fond de puits llb, ainsi que l'espace annulaire 19 du fond de puits llb jusqu'au niveau d'interface à la profondeur zi. Le fluide L2 est par exemple un liquide lourd, par exemple une boue. Le procédé utilisera avantageusement deux liquides L1, L2, sans que cela soit limitatif. A la profondeur zi, une interface 34 sépare les deux liquides L1, L2. Ces liquides L1, L2 sont avantageusement non miscibles, de sorte qu'il existe une interface nette 34 entre eux. En tête de puits lla, un premier capteur de pression 28 est relié par une ligne 29 et une vanne 30 avec l'espace annulaire 19 rempli en partie supérieure du liquide L1. Le capteur 28 permet donc la mesure en tête de puits de la pression Pan dans l'espace annulaire 19. De façon similaire, un deuxième capteur de pression 31 est relié par une ligne 32 et une vanne 33 avec l'espace cylindrique interne 18 rempli du liquide L2. Le capteur 31 permet donc la mesure en tête de puits de la pression Pt b dans le tube 17. Ces deux capteurs de pression en tête de puits lla 25 forment un exemple d'instrumentation du puits 10 pour obtenir des grandeurs mesurées dans le puits 10, mais d'autres possibilités sont envisageables. Par exemple, une alternative de l'instrumentation proposée comprend : 30 - un premier capteur de pression installé sur la surface externe du tube 17 sensiblement en regard de la zone de fin de cuvelage 16, c'est-à-dire à la profondeur z1, - un deuxième capteur de pression installé sur la 10 surface externe du tube 17 à l'extrémité inférieure du tube, c'est-à-dire approximativement à la profondeur z2. Dans ce cas, les deux capteurs de pression sont donc dans l'espace annulaire 19 du puits 10, le premier capteur mesurant une pression du liquide L1 et le deuxième capteur mesurant une pression du liquide L2. Une autre alternative d'instrumentation du puits 10 comprend un capteur de position du niveau d'interface 34, ou des capteurs de débit dans l'espace annulaire 19 et/ou dans l'espace cylindrique interne 18. Dans la suite de cette description, on fera référence à des capteurs de pression 28, 31 en tête de puits lla tels que représentés en figure 1. On comprendra que toute autre instrumentation, et notamment une de celles évoquées ci-dessus pourrait être utilisée pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Les figures 2a et 2b présentent, dans un mode de réalisation où l'une des pressions wh wh tub ou Pann est considérée comme une pression de référence Pref' les 20 évolutions de cette pression de référence Pref en fonction du temps, et de la profondeur zi de l'interface 34, en correspondance. Cette séquence comprend les étapes successives (al)-(a4), représentées temporellement entre des traits 25 pointillés verticaux des figures 2a et 2b. A l'étape (al), on déplace le niveau d'interface 34 dans le puits 10 d'une profondeur zn_1 jusqu'à une profondeur Zn comprise entre z1 et z2. Cette étape (al) est réalisée : 30 - soit en injectant un volume de déplacement Vd du liquide L1 par la pompe 26, la ligne 25 et la vanne 24 et en soutirant simultanément un volume identique du liquide L2 par la pompe 22, la ligne 21 et la vanne 20. Dans ce premier cas, l'interface 34 est déplacée en direction du 11 fond du puits llb; - soit en soutirant un volume de déplacement Vd du liquide L1 par la pompe 26, la ligne 25 et la vanne 24 et en injectant simultanément un volume identique du liquide L2 par la pompe 22, la ligne 21 et la vanne 20. Dans ce second cas, l'interface 34 est déplacée en direction de la tête du puits lla. Le volume de déplacement Vd peut être déterminé à l'aide d'une section moyenne Satin de l'espace annulaire 19. L'étape (ai) est conduite avec une pression de référence maintenue à une valeur initiale Pi très faible ou nulle, et peut être contrôlée par la variation de l'autre pression. Le puits est sensiblement en équilibre. Il y a donc circulation des liquides dans les espaces 18-19. A l'étape (a2), on perturbe l'équilibre hydraulique des liquides du puits en injectant ou soutirant un volume V1 de liquide, la pression de référence variant de la valeur initiale Pi à une valeur finale Pf, comme cela est présenté en figure 2a. Le volume V1 est faible relativement au volume total du puits, de l'ordre de quelques litres, par exemple inférieur à 100 litres, et ce volume est injecté en une durée courte de l'ordre de quelques secondes, par exemple inférieure à 60 secondes. L'étape (a2) peut consister à injecter ou soutirer soit un volume prédéterminé V1 du liquide L1 dans l'espace annulaire 19 par l'intermédiaire de la pompe 26, la ligne 25 et la vanne 24, soit un volume prédéterminé V1 du liquide L2 dans l'espace cylindrique 18 par l'intermédiaire de la pompe 22, de la ligne 21 et de la vanne 20. Suite à cette injection ou soutirage, la pression dans le puits 10 est modifiée et l'équilibre hydraulique est perturbé. Les liquides L1, L2 commencent alors à pénétrer ou à être extrait des couches de la formation géologique 13. 12 La figure 2a présente le cas d'une injection. Dans ce cas, la pression dans le puits augmente pendant l'étape (a2) A l'étape (a3), on observe les variations des pressions Pt b et Pa n , pendant une durée D' alors que les liquides L1, L2 pénètrent ou sont extraits des couches de la formation géologique 13. La durée D' peut être inférieure à 1 heure, et parfois inférieure à 10 minutes. Elle est choisie en fonction des caractéristiques des liquides L1, L2 et/ou de l'ordre de grandeur des paramètres physiques des couches C1-CN. Cette durée D' peut être différente pour chaque séquence d'essai du procédé. La figure 2a présente deux séquences : une première étape (a3) d'une durée D' et une seconde étape (a3) d'une durée D". Les pressions reviennent en direction de l'équilibre hydraulique des liquides dans le puits 10. Dans le cas de la figure 2a, ces pressions 20 diminuent. La variation des pressions observée est représentative des caractéristiques de l'ensemble des couches de matériaux et de l'historique des itérations des séquences de mesure. En conséquence, ces évolutions des 25 pressions sont complexes. L'observation d'une seule itération ne permet pas d'obtenir de manière suffisamment précise les paramètres physiques d'une couche de matériaux en particulier. La profondeur zi de l'interface 34 évolue également 30 pendant cette étape (a3), mais le volume V1 étant faible, cette évolution n'est pas visible sur la figure 2b. A l'étape (a4), on remet en équilibre les liquides du puits en soutirant ou injectant un volume V2 de liquide, inversement à l'étape (a2), la pression de référence Pref 13 revenant sensiblement à la valeur initiale PI. Laisser le système revenir naturellement à l'équilibre suite à la perturbation de l'étape (a2) peut être long, par exemple plus de 1 heure, ou même plus de 4 heures. Il est préférable de forcer ce retour à l'équilibre par l'étape (a4) du procédé afin de raccourcir la durée D' de l'étape (a3). Ensuite, on réitère la séquence des étapes (al) à (a4) un certain nombre de fois, deux itérations étant illustrées par la figure 2a-b. Cette répétition de la séquence (al)-(a4) permet d'acquérir une grande quantité de mesures qui pourront ensuite être analysées pour estimer des paramètres physiques des couches Ci-CN. Avantageusement, l'interface 34 est positionnée à chaque itération à une profondeur z,-,+1 différente des profondeurs Zn des itérations précédentes. En particulier, par un choix approprié des volumes de déplacement Vd aux étapes (al) successives, on peut positionner l'interface 34 au niveau d'une couche Ci différente à chaque itération. Un modèle mathématique permet de simuler avec un jeu de paramètres le comportement hydraulique du puits 10, de façon à produire des grandeurs calculées dont l'évolution dynamique peut être rapprochée de celle des grandeurs mesurées. Dans l'exemple présenté, on calcule les pressions Pan et Pt b . Le modèle mathématique utilise des valeurs supposées connues, telles que : - des caractéristiques des liquides L1, L2 utilisés, comme leurs densités pi, p2, leurs viscosités 30 dynamiques �l, �2, ou leurs coefficients de compressibilité Ril R2 - des caractéristiques du puits 10, telles que les profondeurs z1 et z2, la section moyenne Sann de l'espace 14 annulaire 19 au droit du cuvelage 15, la section moyenne E de l'espace annulaire 19 dans le découvert 10b, une section moyenne Stub de l'espace cylindrique interne 18, Des enregistrements préalables, notamment des enregistrements sismiques ou diagraphiques peuvent permettre de connaitre a priori des caractéristiques de la formation géologique 13 dans laquelle le puits 10 est foré, telles que les profondeurs et épaisseurs des différentes couches de matériaux qui la composent. Ces informations sont cependant facultatives. Il est ainsi possible de définir dans le modèle mathématique, des couches ayant une épaisseur arbitraire, pouvant être très faible, par exemple de seulement 5 mètres. Le modèle mathématique utilise également des 15 paramètres inconnus, relatifs à chaque couche Ci de matériaux, et en particulier : - une perméabilité K1, et - une porosité Ol. La perméabilité des couches Ci de matériaux de la 20 formation géologique 13 est souvent modifiée à proximité de la paroi du trou de forage 11. Le modèle peut ainsi être complété en utilisant la notion de peau, ou � skin �. Alors, comme représenté en figure 3, les paramètres de chaque couche Ci de matériaux comprennent, outre la 25 perméabilité Ki et la porosité 41 - une épaisseur radiale Srs de � skin �, - une perméabilité KS dans le � skin �, - une porosité 0s dans le � skin �. En variante, le � skin � peut être modélisé de 30 manière simplifiée en utilisant un seul paramètre -S-1, dit de � skin �, pour chaque couche Ci de matériaux, défini comme suit . K (rs S = ù .Log s Ksi \rw où : - K est la perméabilité au-delà du � skin �, - Ks est la perméabilité dans le � skin �, - rw est le rayon du trou de forage 11, - rs (= rw+8rs) est le rayon extérieur du � skin �. Dans une variante du modèle, chaque couche Ci de matériaux comprend un nombre M de zones radiales d'indices j, sous forme d'anneaux concentriques, chaque zone radiale ayant une épaisseur radiale 8rt, une perméabilité K~ et une porosité ~~. Cependant, une telle variante augmente considérablement le nombre de paramètres à déterminer. Dans tous les cas, le modèle mathématique du puits 10 est basé sur le calcul à chaque instant t de deux débits de perméation QI, Q2 des liquides L1, L2 sur la hauteur du découvert. Suite à une variation de la pression dans le puits après une injection ou un soutirage de liquide en tête de puits lla, la pression revient en direction de sa valeur initiale correspondant à un état d'équilibre où les débits de perméation QI, Q2 sont quasi-nuls. Les deux débits de perméation sont liés aux vitesses des variations des pressions en tête de puits par la relation matricielle suivante : - wh - C ûD ptub ûE F - Pwh - ann rQi Q2 E .A ann où: C = d d + Pld .Vann*Paext nn + E.(Hd û h).Rdxt (p2 ù Pi ).g Pi LB ann D __ ( d d + Pi .Yann. i + Paint nn) + E.(Hd û h)•~l + r3dnt) lP2 ù Pi ).g Pi d E A tub P2 int 132 13d d d + d P2 Vtub (13 2 + 13tub + E.h. + ~P2 ù Pi )-g E B tub P2 ext F = + •Vtub•3tub ~a _ pd ~g Pd 2 E tub 1 + 132.9• P2 .Htub d ù p2.(h ù Hcas ù Hd ù Htub )) , A = ann B = 1 + 131 •g P1 -Hcas ù P1 •(Hd ù h� et: pa et Pd sont les masses volumiques respectives des liquides L1 et L2 à la profondeur du découvert, g est l'accélération de la pesanteur, pian est la masse volumique moyenne du liquide L1 10 dans l'espace annulaire 19, ptub est la masse volumique moyenne du liquide L2 dans le tube 17, Vann est le volume de l'espace annulaire 19 depuis le haut du puits lia jusqu'au sabot 16, 15 Vtub est le volume intérieur du tube 17 (Vtub Stub • Htub) , Hd est la hauteur du découvert 10b (Hd = z2-z1), h est la hauteur de l'interface 34 par rapport au fond du puits llb (h = z2-zi), 20 E est la section moyenne de l'espace annulaire 19 au niveau du découvert 10b, 131 et 132 sont les coefficients de compressibilité respectifs des liquides L1 et L2, wh wh Ptub et Pannsont les vitesses de variation de la 25 pression en tête du tube 17 et de l'espace annulaire 19, respectivement, est la hauteur du cuvelage 15 (Hcas = z1), est la hauteur du tube 17 (Htub = Hcas+Hd = Z2) i Hcas Htub {3int ext int ext int ext ann ' Rann ' Ptub ' Ptub ' Pd Pd coefficients de compressibilité. L'ensemble de ces derniers coefficients de compressibilités est calculé par les variations élastiques des sections de l'espace annulaire et interne, en fonction des pressions et peuvent s'exprimer en fonction des paramètres d'élasticité, module de Young E et coefficient de poisson v de l'acier du tube 17, du ciment du cuvelage 15 et de la roche de la formation géologique 13. pann, ~ann sont des coefficients de compressibilité associés à l'espace annulaire. Rtub int Rtub sont des coefficients de compressibilité associés au tube. Rânt Redxt sont des coefficients de compressibilité 15 associés au découvert au dessus de l'interface. (3d est un coefficient de compressibilité associé au découvert au dessous de l'interface. La prise en compte de ces coefficients de compressibilité est importante pour obtenir une précision 20 suffisante de la simulation, notamment pour obtenir une précision inférieure à 10 Des essais réels de compressibilité du puits 10 en le remplissant avec un seul fluide visqueux n'entrant pas dans la formation géologique 13 peuvent permettre 25 d'effectuer des mesures pour vérifier les valeurs de coefficients de compressibilités calculées par les formules analytiques suivantes, issues des calculs de variations élastiques . t kub int) (1 + Vtub)krtuexb 2 ù (1 ù 2Vtub)f rann + Etub (1 ù ttub) 47c (l ù V2t ub \vrt exubt)2 2 ~ ub 2 SannEtub1 ù t ub et Rd sont des int 2rr ~ann Sann 30 ext Rann int ext rt ub et rtub sont les rayons intérieur et extérieur int tub ext i~tub 18 2(1 Vtub (1 ùIL b) [1 + ~1 - 2Vtub~tubl Etub` tub) 4(1 - v2tub) Etub Rdnt = n Etub (1 - ttub ) + vRkrd)2 + 2(1 + vtub)(rteef Ittub - (1 - 2Vtub)} 2E11 pext - `tu )'-tub, EEtub 1 - t2tub ) 2(1+v) ~d = d ER int ext ttub = rtub rtub du tube 17, rann est le rayon intérieur du cuvelage 15, int 10 rd est le rayon du découvert 10b, Etub et Vtub sont les paramètres élastiques du matériau du tube 17, module de Young Etub et coefficient de poisson Vtub du tube 17, ER et vR sont les paramètres élastiques du 15 matériau de la formation géologique 13 au niveau du découvert 10b, module de Young ER et coefficient de poisson vR du découvert 10b, ERa12 + 1 + vR ERa11 +~1+v aiJ étant les composantes du produit de matrice 20 [Ac].[Al], la matrice [AGI faisant le lien entre le déplacement radial et la contrainte radiale dans le ciment autour du cuvelage 15, la matrice [Ali faisant le lien entre le déplacement radial et la contrainte radiale dans Avec 19 le tube du cuvelage 15. Les relations élastiques dans des anneaux solides permettent d'établir la formule suivante, valable pour un anneau d'indice j : 1-2vi +i~ (1+v~~1-2vi)(1-[A l= 2(1-vi) 2Ei(1-vi) (1_t ~• 1+(1-2v )'r 2(1-v2 2(1-vi) Avec ti = r~ nt/r7 xt r]nt et r]xt sont les rayons intérieur et extérieur de l'anneau considéré, Ei et vi sont les paramètres élastiques du matériau de l'anneau considéré, module de Young Ei et coefficient de 10 poisson vi dudit anneau considéré. Il est alors possible de calculer les vitesses de variation des pressions en tête de puits, Pt b et Pa n, par inversion de l'équation matricielle précédente. C'est-à-dire . wh tub wh 'ann - 1 rF D1[Q1 DE - CF E CJLQ2 15 (1) Cette dernière équation est utilisée pour calculer les évolutions des pressions Pan et Ptb en tête de puits lla, comme cela est explicité ci-dessous. La vitesse de déplacement de la hauteur h de 20 l'interface 34 est alors donnée par : 1 r h = (P2d - PdPg .A wh _ B 'tub 'wh ann _ 1 - d } L 8~Q1 P i )g LL 2_ (2) avec: K = DE - CF, = AF - BE et A = AD - BC. En outre, une fonction de débit de perméation par unité de hauteur peut être calculée à l'aide d'une équation 25 de diffusion hydraulique dans la couche i, similaire à une équation de diffusion thermique, dite de Fourier, bien connue. Cette équation de diffusion hydraulique s'écrit : 0Whyd = kRyd.V2Whyd où: Whyd est le potentiel hydraulique, c'est-à-dire Whyd = P-pgz, P étant la pression à un niveau de référence (ici le niveau de la surface où sont mesurées les pressions Pa b et Pt b) , p est la masse volumique moyenne du liquide considéré et z est la profondeur par rapport au niveau de référence, g est l'accélération de la pesanteur, V2 désigne le laplacien, kRyd est la diffusivité hydraulique du milieu, c'est-à-dire kRyd = KRyd.M / �f , KRyd est la perméabilité du matériau, M est le module de Biot du matériau, �f est la viscosité dynamique du liquide f diffusant dans le matériau. Cette équation de diffusion hydraulique admet, dans le cas d'une couche de matériau isotrope dans un plan horizontal autour d'un puits 10 de diamètre 2r,, modélisée en coordonnées polaires, une solution qui peut être exprimée par la fonction de débit par unité de hauteur suivante : eyd _ 27t.rw.KRyd iaWhyd f ar r=rw ou (phyd = 21t.KRyd.W0yd .flthydl (3) f 4 e-ku2t avec f (ti) = u(_ô (u.rW ) + Yo (u.rw ), du hyd 00 Wo =Po-P , at 21 P°°: pression de pore à distance infinie, c'est-à-dire la pression naturelle loin du forage du puits 10, Po: pression hydraulique constante dans le puits 10, Jo et Yo: fonctions de Bessel de première et de deuxième espèce, thyd = kRyd h .t = r 2 Khyd .t R kf �f •Rf •rw2. 2 �f •rw , avec Xf = M Les débits de perméation Q1, Q2 peuvent alors être calculés en intégrant sur la hauteur désirée la fonction de débit par unité de hauteur, en utilisant pour chaque tranche ou couche les paramètres adéquats des liquides et des matériaux. Ainsi, grâce aux équations (1), (2) et (3), il est possible de calculer les variations des pressions Pa n, Ptub en tête de puits lla, et l'évolution de la hauteur h de l'interface 34. Ce calcul est effectué temporellement pas à pas, depuis l'instant initial de la perturbation, en découpant le temps t en petits intervalles de temps 8t pour lesquels une petite variation de pression est calculée. Il tient compte de l'évolution de la profondeur z;, de l'interface 34 et des volumes des deux liquides L1, L2 entrant ou migrant dans les différentes couches de matériaux de la formation géologique 13. Le débit de perméation Ql+i du premier liquide Ll à la (n+l)ième itération du calcul s'exprime alors par : 2n n Qn+l (t) = - 1 �l i=0 H55 +Hd -h API • f Hcas KRyd (z).[tùï.8ti Xi (z) KRhyd (z).f .dz 2 xl (z) �M i.rd (z ) k •Pl •rd2 •$(z) , hi: hauteur, par rapport au fond du puits de l'interface 34 au cours du (n+l)ième intervalle de temps du calcul, APL1 : variation de la pression en haut de l'espace annulaire 19 au cours du iième intervalle de temps du .wh calcul (APann = Pann St ) Ce débit de perméation Q1+1 à la (n+l) ième itération du calcul résulte de l'intégrale sur la hauteur de l'espace annulaire 19 rempli du liquide L1 , c'est-à-dire entre Hcas et Hcas+Hd-h, d'une fonction de débit par unité de hauteur, et de la somme des débits des instants précédents, pour i = 0 à n. Il fait apparaître la perméabilité KRTd(z) = Kl du matériau à la profondeur z considérée ainsi que sa porosité 0(z). Le volume du liquide L1 migrant dans la formation géologique au cours du (n+l)ième intervalle de temps du calcul s'exprime par (n+1). St n+1 v i Q1 +1(t).dt 1 n.8t Le débit de perméation Q2+1 du liquide L2 à la (n+l)ième itération du calcul s'exprime de manière similaire par : ca OPtub • Hcas+Hd KRYd (z) .f KRyd (xZ).([zt) y -1.8t] dz J Hcas+Hd ùhi 2 APtub: variation de la pression en haut de l'espace avec 2 avec X2(z) = �M(z ) _ -t2•P2•rd24(2) cylindrique au cours du iième intervalle de temps du calcul (~Ptub ù Ptub.St) Le volume du liquide L2 migrant dans la formation géologique au cours du (n+l)ième intervalle de temps du 5 calcul s'exprime par (n+1).6t n+l V2 = 42 l(t).dt 2 n.8t Les variations des pressions wh wh Pann et tub au cours du (n+l)ième intervalle de temps du calcul sont alors données par une version discrétisée de (1), où les 10 composantes C, D, E, F de la matrice sont exprimées en fonction de la hauteur hn de l'interface à l'issue de la nième itération du calcul : n+l APtub n+l LlPann K(hl ) [Eihn Cihn ] J La variation de la hauteur h de l'interface 34 par 15 rapport au fond du puits au cours du (n+l) ième intervalle de temps du calcul se déduit de (2) 1 Ohn+l = hn+1 ù hn = d d k(hn 8(hn)l K(hn)•(P2 ù P1 )-g Ces calculs sont effectués en prenant pour 20 l'instant initial APann~ APt0ub égal à la variation de pression mesurée au moment de la perturbation (hauteur du pic sur la figure 2a), et ho est la hauteur de l'interface 34. Les formules précédentes montrent que le calcul est fortement couplé entre les variations de pression, les 25 variations de hauteur h de l'interface, et les volumes des liquides L1, L2 pénétrant à chaque instant t dans les diverses couches CI de matériaux de la formation géologique 13. 24 Une fonction de coût fC, ou fonction objectif, est définie pour évaluer les écarts entre les grandeurs calculées à l'aide du modèle mathématique et les mêmes grandeurs qui ont été mesurées. Cette fonction de coût est par exemple la somme des modules des différences entre les grandeurs calculées et mesurées, ou encore la somme des carrés de ces différences. Les grandeurs ainsi comparées sont typiquement les pressions Pâ n , Ptn mesurées en tête de puits lla par les capteurs 28 et 31. Un algorithme de minimisation ou d'inversion permet de rechercher des valeurs de paramètres minimisant la fonction de coût. La fonction de coût fc présente pour plusieurs jeux de paramètres un minimum local. Pour la résolution du problème inverse, un algorithme du type � Nelder-Mead � (Simplexe), ou du type génétique ou du type à réseau de neurones ou du type � particle swarm �, peut avantageusement être utilisé. L'algorithme de minimisation fait varier chaque 20 paramètre du modèle dans une plage de variation de sorte à minimiser la fonction de coût fc Par exemple : - la plage de variation des perméabilités K1 peut être comprise entre 10-19 et 10-15 m2 - la plage de variation des porosités 01 peut être 25 comprise entre 0,01 et 20 %, - la plage de variation du skin 1 peut être comprise entre 0 et 50, dans le cas d'un modèle simplifié de � skin �. Les figures 5a à 5c présentent une deuxième forme 30 de réalisation du procédé, dans lequel le puits est équipé d'un système d'asservissement d'une pression de référence Pref , de telle sorte que ladite pression de référence est maintenue sensiblement constante à une valeur Pc comme représenté en figure 5a. 25 Les lignes 21, 25 sont alors par exemple équipées chacune, d'un dispositif de mesure de débit pour mesurer à chaque instant les débits et/ou volumes des fluides injectés et soutirés en tête de puits. Le système d'asservissement commande alors les pompes 22, 26 pour injecter ou soutirer automatiquement une certaine quantité de fluide pour maintenir ladite pression de référence Pref constante. Des débits en tête puits Qann et Qtnb sont mesurés pendant les essais, la figure 5b montrant un exemple d'évolution d'un débit de référence Qref pendant une séquence d'essai similaire à celle de la première forme de réalisation du procédé représentée par les figures 2a et 2b. Ces débits permettent d'estimer les débits de perméation Q1 et Q2 du liquide L1 et L2, respectivement, de manière similaire aux calculs présentés précédemment pour les pressions en tête de puits. La figure 5c représente alors dans cette forme de réalisation les évolutions de la profondeur zi de 20 l'interface 34 pendant ladite séquence d'essai. Les variations calculées de pressions et/ou débits en tête de puits peuvent alors être également calculées. La comparaison des évolutions des grandeurs mesurées et simulées peut donc s'effectuer indifféremment 25 sur des pressions ou des débits, pour identifier un jeu de valeurs optimal pour les paramètres physiques de la formation géologique 13. D'autre part, les procédés décrits mettent en oeuvre des séquences de perturbations de l'équilibre hydraulique 30 du puits 10 à des profondeurs d'interfaces prédéterminées et sensiblement constantes pendant chaque séquence. Le procédé peut cependant être également mis en oeuvre si ces séquences de perturbations de l'équilibre hydraulique du puits 10 sont effectuées de manière simultanée à un 35 déplacement continu de l'interface 34 entre deux 26 profondeurs de l'interface. L'interface 34 peut notamment être déplacée un nombre de fois quelconque entre deux profondeurs. Ces séquences de balayage de l'interface 34 vers le fond du puits llb, puis vers le sabot 16 constituant elles-mêmes chacune au moins une perturbation de l'équilibre hydraulique du puits 10. Les évolutions mesurées des grandeurs relatives à des propriétés des fluides comparées aux évolutions des mêmes grandeurs simulées permettent alors d'identifier un jeu de valeur optimal pour les paramètres physiques de la formation géologique. La description précédente décrit des formes de réalisation du procédé avec une seule interface 34 entre deux liquides, mais deux ou une pluralité d'interfaces entre des liquides peut être utilisée pour mettre en œuvre le procédé. De même, tout fluide liquide ou gazeux peut être également utilisé à la place d'un des liquides de cette description.20 REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de paramètres physiques d'une formation géologique (13), comprenant les étapes 5 suivantes: - équiper un puits (10) traversant la formation géologique d'un tube (17) ouvert à son extrémité inférieure; - remplir le tube et une partie inférieure d'un 10 espace annulaire (19) situé autour du tube dans le puits avec un premier fluide (L2); - remplir le reste de l'espace annulaire avec au moins un deuxième fluide (L1) de façon que les fluides présentent une interface (34) dans l'espace annulaire; 15 - perturber un équilibre hydraulique des fluides dans le puits (10); - mesurer l'évolution de grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits (10) ; - effectuer des simulations par ordinateur du 20 comportement hydraulique des fluides ayant un équilibre perturbé dans le puits, chaque simulation utilisant un jeu de valeurs pour lesdits paramètres physiques de la formation géologique et donnant lieu à une évolution simulée desdites grandeurs; et 25 - comparer les évolutions mesurées et simulées desdites grandeurs pour identifier un jeu de valeurs optimal pour lesdits paramètres physiques de la formation géologique. 30 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite interface (34) est successivement positionnée à différentes profondeurs en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits, et pour chaque profondeur on perturbe l'équilibre des fluides et on mesure 35 l'évolution des grandeurs. 28 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite interface (34) est déplacée entre au moins deux profondeurs en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits, et pendant le déplacement de l'interface on perturbe l'équilibre des fluides et on mesure l'évolution des grandeurs. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'équilibre hydraulique du puits est perturbé en injectant ou soutirant un volume prédéterminé de fluide dans le tube (17) et/ou dans l'espace annulaire. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque simulation comporte une estimation des débits de perméation des fluides vers la formation géologique (13) , puis une estimation de l'évolution simulée desdites grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel chaque simulation comporte en outre une estimation de la profondeur de ladite interface (34) dans l'espace annulaire (19) à partir des débits de perméation estimés. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième fluides (L1, L2) sont des liquides. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits paramètres physiques comprennent au moins un paramètre parmi la perméabilité (K1) et la porosité (0i) d'au moins une couche 35 de matériaux de la formation géologique (13). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits paramètres physiques comprennent la pression naturelle d'au moins une couche de matériaux de la formation géologique (13). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier fluide (L2) est plus dense que le deuxième fluide (LI). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits comprennent la profondeur de ladite interface (34) le long de l'espace annulaire (19). 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits (10) comprennent un débit d'injection ou de soutirage de fluide en tête de puits. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le puits (10) est équipé en outre d'un asservissement d'une des grandeurs relative à des propriétés de fluides. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on exécute successivement des séquences de mesure, chaque séquence de mesure comprenant: • positionnement de ladite interface (34) à une profondeur déterminée pour ladite séquence en ajustant les quantités des premier et second fluides dans le puits; 30 • perturbation d'un équilibre hydraulique des fluides dans le puits en injectant ou soutirant un volume prédéterminé de fluide dans le tube et/ou dans l'espace annulaire. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites grandeurs relatives à des propriétés des fluides dans le puits comprennent une pression à l'intérieur du tube (17), et une pression dans l'espace annulaire (19). 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel lesdites pressions ( Ptub ' Pann) sont mesurées en tête de puits. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans lequel l'une desdites pressions est considérée comme une pression de référence, et dans lequel chaque séquence de mesure comprend au moins les étapes suivantes : (al) déplacer l'interface (34) dans le puits (10) jusqu'à une position prédéterminée, (a2) perturber un équilibre des fluides du puits en injectant un premier volume de fluide, la pression de référence variant d'une valeur de pression initiale à une valeur de pression finale, (a3) observer les variations desdites pressions, et (a4) ramener à l'équilibre les fluides du puits en soutirant un deuxième volume de fluide, la pression de référence variant jusqu'à sensiblement la valeur de pression initiale. 18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel à l'étape (al), ladite interface (34) est positionnée à une profondeur (zn+l) différente d'une31 séquence de mesure à une autre. 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel la formation géologique (13) comporte plusieurs 5 couches (Cl-CN) traversées par le puits, et dans lequel à l'étape (al), ladite interface (34) est positionnée en regard d'une couche de matériaux différente d'une séquence de mesure à une autre. 10