Brevet FR2989465A1 — publié le 20131018

Procédé de détermination de paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche La présente invention concerne un procédé de détermination de paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche ainsi qu'un dispositif permettant de mettre en oeuvre un tel procédé de mesure. Lors de l'étude géomécanique d'un sous-sol, il est 10 classiquement réalisé des carottages dans le sous-sol afin de récupérer des échantillons de roches. La détermination de certains paramètres géomécaniques des roches permet de mieux appréhender le comportement de la structure souterraine à une éventuelle 15 exploitation de ce sous-sol. Certains de ces paramètres géomécaniques comme l'angle de frottement (a)) ou la cohésion (C) du critère de Mohr-Coulomb qui caractérise le seuil de rupture de la roche, sont des paramètres utilisés dans toutes les études 20 géomécaniques à différente échelle, par exemple à l'échelle d'un puits, d'un réservoir, d'une couverture ou encore d'un champ pétrolier. Habituellement, la détermination de l'angle de frottement et de la cohésion d'une roche nécessite des 25 essais de compression triaxiale à différentes pressions de confinement. Bien que donnant des résultats satisfaisants ces essais de compression triaxiale sont complexes à mettre en oeuvre, en particulier pour les roches argileuses, en raison 30 des fissures induites par le forage et la conservation (déshydratation). En outre, ces essais sont de très longues durées, au minimum une semaine par essai. Il existe donc un besoin pour une méthode de détermination de paramètres géologiques à partir d'un échantillon de roche, dont l'angle de frottement et la cohésion de la roche qui soit plus simple et rapide à mettre en oeuvre que les méthodes existantes. L'invention propose ainsi un procédé de détermination de paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche, comprenant : - une étape de rayure au cours de laquelle les forces 10 horizontales et verticales fournies à une lame avançant à vitesse constante et à une profondeur de coupe constante le long de la surface d'un échantillon sont mesurées, - une étape de micro-indentation sur la rayure au cours de laquelle des caractéristiques mécaniques de la 15 roche sont déterminées par micro-indentation, - une étape de détermination des paramètres géologiques de l'échantillon au cours de laquelle la résistance à la compression uniaxiale, l'angle de friction, la cohésion interne, la dureté Brinell, et le module 20 d'Young de la roche sont déterminés au moyen des mesures effectuées au cours des étapes de rayure et de micro-indentation. Avantageusement, le procédé selon l'invention offre une méthode efficace et non destructrice pour déterminer 25 des paramètres géomécaniques de la roche, dont l'angle de frottement et la cohésion. Avantageusement, le procédé selon l'invention permet une détermination rapide, non-destructive et nécessitant de petites quantités d'échantillon de roche. 30 En outre, le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de façon quasi continue. Un procédé selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : - le procédé peut comprendre en outre une étape de mesure des paramètres soniques de l'échantillon et dans lequel au cours de l'étape de détermination des paramètres géomécaniques de l'échantillon le coefficient de Poisson de la roche est déterminé, - les paramètres soniques comprennent les vitesses de propagation des ondes de compression et de cisaillement, - les signaux microsismiques produits pendant la rayure et la micro-indentation sont enregistrés par plusieurs capteurs placés sur l'échantillon de la roche et sur le banc d'essai. - les mesures de micro-indentation et/ou des 15 paramètres soniques sont réalisées dans la rayure créée au cours de l'étape de rayure, - l'angle de frottement (a)) et la cohésion (C) de l'échantillon de roche sont déterminés à partir de l'interprétation du point d'inflexion de la courbe force-20 déplacement de micro-indentation et des forces de rayure. - l'échantillon de roche est sous la forme d'une carotte et les étapes de mesure et de détermination des paramètres géomécaniques de l'échantillon sont répétées le long de l'échantillon, et/ou 25 - l'échantillon est photographié pendant les étapes de mesure. L'invention se rapporte également à un produit de programme d'ordinateur comprenant une série d'instructions 30 qui lorsque chargée dans un ordinateur entraîne l'exécution par ledit ordinateur des étapes du procédé selon l'invention. L'invention se rapporte en outre à un dispositif de mesure des paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche, le dispositif comprenant : - un banc d'essai destiné à recevoir un échantillon de roche, - un portique dont le mouvement le long de l'échantillon est contrôlé et comprenant des instruments de micro-indentation et de rayure, - un ordinateur contrôlant le mouvement du portique le long de l'échantillon, configuré pour recevoir les données mesurées par les instruments fixés au portique et comprenant des moyens de calcul permettant à partir des données reçues de déterminer la résistance à la compression uniaxiale, l'angle de friction, la cohésion interne, la dureté Brinell, et le module d'Young de l'échantillon de roche. Selon un aspect de l'invention, le portique du dispositif comprend en outre un instrument de mesure des paramètres soniques de l'échantillon de roche, et l'ordinateur du dispositif est configuré pour recevoir également les données mesurées par l'instrument de mesure des paramètres soniques et comprend en outre des moyens de calcul permettant à partir des données reçues de déterminer le coefficient de Poisson de l'échantillon de roche. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 25 description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente les différentes étapes d'un procédé selon un mode de réalisation de l'invention, 30 et - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon un mode de réalisation de l'invention. Pour des raisons de clarté, les différents éléments représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 1, le procédé selon l'invention comprend : - une étape de rayure S1, - une étape de micro-indentation S2, - une étape de mesure des paramètres soniques S3, et - une étape de détermination des paramètres géomécaniques de l'échantillon S4. De préférence, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif tel que représenté à la figure 2. Un tel dispositif comprend : - un banc d'essai destiné à recevoir un échantillon de roche, typiquement un banc en V comme utilisé usuellement pour des « scratch tests », - un portique dont le mouvement le long de l'échantillon est contrôlé et comprenant au moins des instruments 18 de micro-indentation et de scratch test et éventuellement un instrument de mesure des paramètres soniques de l'échantillon de roche, - plusieurs capteurs d'écoute d'émission micro- sismiques placés sur l'échantillon et sur le banc. - un ordinateur 20 contrôlant le mouvement du portique le long de l'échantillon et configuré pour déterminer à partir des données mesurées par les instruments du portique des paramètres géomécaniques de l'échantillon de roche. De surcroit, il enregistre les signaux des émissions micro-sismiques au cours de mesures. Au cours de l'étape de rayure Sl, on mesure les forces horizontales et verticales qu'il faut fournir à une lame, par exemple une lame de cutter, pour maintenir une vitesse constante d'avancement et une profondeur de coupe constante le long de l'échantillon afin de détruire un volume constant par unité longueur de roche à la surface de l'échantillon. L'étape de rayure au sens de l'invention se rapporte à un test bien connu sous le nom de scratch test. L'interprétation de ces mesures dans le cadre d'une approche Energie/volume permet d'estimer le profil de l'énergie spécifique intrinsèque (ISE Intrinsic Specific Energy) le long de l'échantillon. Selon un mode de réalisation, la vitesse d'avancement 15 de la lame peut être comprise entre 5 mm/s et 25 mm/s et la profondeur de coupe peut varier de 0,05 mm à 0,5 mm en fonction entre autre du type de roche analysée. Plusieurs passes préalables peuvent être nécessaires pour obtenir une surface plane le long de la carotte en 20 raison des irrégularités de surface. Les valeurs de forces de coupe à l'interface lame-roche sont enregistrées le long de l'échantillon à plusieurs profondeurs maintenues constantes tout le long de la rayure. 25 Au cours de l'étape de micro-indentation, on détermine par micro-indentation les caractéristiques force-déplacement de l'échantillon. Selon un mode de réalisation, le test de micro-indentation est réalisé au moyen d'un indenteur cylindrique 30 ou sphérique d'un diamètre compris entre 0,5 et 3 mm. Le test peut être réalisé à pas constant ou variable sur la surface de la rayure créée au cours de l'étape de rayure pour mesurer les propriétés élastiques et les paramètres de rupture de la roche. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le piston de l'indenteur muni d'un capteur de force est également fixé sur le portique. La levée et la descente de l'indenteur sont faites de manière automatique. Les déplacements différentiels de l'indenteur par rapport à la surface de la roche sont mesurés grâce à trois capteurs, par exemple des capteurs LVDT, dont un fixé près de l'indenteur, les deux autres fixés sur le portique. La force et le déplacement sont enregistrés par l'ordinateur 20. Le pas de mesure est variable selon le besoin, par exemple le pas de mesure est compris entre 5 à 10 cm. Au cours de l'étape de mesure des paramètres soniques 15 S3, on mesure des paramètres soniques de l'échantillon de roche. En particulier, les vitesses de propagation des ondes de compression Vp et de cisaillement Vs sont mesurées au cours de l'étape de mesure des paramètres soniques. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, 20 les mesures des vitesses de propagation sont réalisées sur la surface laissée suite à l'étape de rayure et dans les intervalles de tests de la micro-indentation. Selon un mode de réalisation de l'invention, après le passage de la lame lors de l'étape de rayure, on obtient 25 une rayure (une surface) lisse sur l'échantillon de roche. Le portique 16 revient à sa position de départ. Les mesures soniques sont réalisées à l'aide d'un émetteur et d'un récepteur placés dans la rayure distants d'une distance prédéterminée, par exemple entre 2 et 10 cm, 30 en particulier d'environ 5 cm. La levée et la descente des capteurs soniques peuvent être réalisées de manière automatique à l'aide d'un bras installé sur le portique 16 et géré par l'ordinateur 20. Une pression constante est imposée sur les capteurs afin d'assurer un bon contact à l'interface roche-capteur. Le pas d'avancement des mesures est constant, par exemple égal à la distance prédéterminée séparant l'émetteur et le récepteur. En particulier, le pas d'avancement peut être égal à 5 cm. Les écoutes d'émission micro-sismiques sont réalisées à l'aide de plusieurs capteurs placés directement sur la carotte et sur le banc d'essai. Au cours de l'étape de détermination des paramètres 10 géomécaniques de l'échantillon S4, les données mesurées sont envoyées vers l'ordinateur 20 qui les traite afin de déterminer des paramètres géomécaniques. Les inventeurs ont pu constater que le regroupement de ces trois mesures sur un seul banc et leur 15 interprétation couplée permettent de caractériser simultanément plusieurs paramètres mécaniques de la roche. Les propriétés élastiques de la roche peuvent être déterminées par micro-indentation, le module d'Young (E) de la roche à l'échelle millimétrique peut être déterminé en 20 analysant la phase linéaire de la courbe force-déplacement obtenue à chaque point de mesure. La résistance à la compression uniaxiale (Rc) peut être déterminée au cours de l'étape de rayure, en utilisant la relation empirique entre l'énergie spécifique 25 intrinsèque () et la résistance Rc (résistance à la rupture en compression simple) obtenus sur les échantillons du même type de roche. Au cours de l'étape de rayure, le profil de Rc peut être obtenu tout le long de la carotte. La variabilité de la résistance mécanique à l'échelle 30 millimétrique ou métrique peut être caractérisée. Les paramètres plastiques, dont l'angle de friction (q)) et la cohésion interne (C) peuvent être déterminés grâce à l'interprétation couplée des données mesurées pendant l'étape de rayure et de la micro-indentation. La force de frottement à l'interface lame-roche ainsi que la force correspondant au point d'inflexion de la courbe force-déplacement de la micro-indentation et la phase non- linéaire de cette courbe sont exploités pour la détermination de ces paramètres. L'exploitation de la partie linéaire de la courbe force-déplacement de l'indenteur cylindrique permet de calculer le module d'élasticité (E). Les inventeurs proposent d'exploiter à la fois l'énergie spécifique () fournie par la rayure ; et la force (FR) et le déplacement (eR) du point de la perte linéarité (R) de la courbe force-déplacement de l'indenteur cylindrique pour déterminer l'angle de frottement et la cohésion des roches. Les inventeurs proposent d'exploiter les émissions micro-sismiques pour interpréter les différentes phases de la courbe force-déplacement de la micro-indentation et l'impact de la profondeur de coupe sur la mesure de l'énergie spécifique de la rayure. Les inventeurs proposent de mesurer la dureté Brinell d'un échantillon de roche avec un indenteur sphérique en réalisant un cycle de charge-décharge. Le déplacement irréversible mesuré à la fin de décharge permet de calculer l'indice de Duret Brinell (HB). Les données mécaniques et soniques obtenues sur la même surface de la carotte permettent d'établir avec confiance des corrélations entre les paramètres. De telles corrélations servent pour la construction des Log géomécaniques à l'échelle d'un forage. L'effet de regrouper les mesures sur un seul banc minimise la dispersion des résultats liés à la préparation des échantillons, et de surcroît offre la possibilité d'effectuer une interprétation couplée des données issues de différentes mesures afin obtenir les paramètres mécaniques cohérents. Avantageusement, la méthode selon l'invention est très efficace pour déterminer les paramètres de rupture des roches, en particulier sur les argiles car une des grandes difficultés des argiles est l'obtention d'échantillons non fissurés. La méthode selon l'invention est applicable sur des petits échantillons,e qui offre un vaste champ d'application dans les études géomécaniques (par exemple stabilité de forage et de couverture) dans lesquelles les paramètres du critère de rupture sont souvent inconnus en raison de manque des échantillons convenables aux essais classiques. En outre, le test de micro-indentation peut être réalisé directement sur des carottes. Ainsi on peut obtenir des valeurs de cohésion C, d'angle de frottement cl), la dureté Brinell et de module d'Young E à pas constant sur une certaine longueur de carottes. Un LOG géomécanique peut être ainsi établi, et il peut être extrapolé sur l'ensemble de formation en utilisant des corrélations avec les autres LOG mesurés dans les forages. Ce LOG constitue une donnée d'entrée pour la modélisation de fracturation hydraulique. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits et doit être interprétée de façon non limitative, en englobant tout mode de réalisation 30 équivalent. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche, comprenant : - une étape de rayure au cours de laquelle les forces horizontales et verticales fournies à une lame avançant à vitesse constante et à une profondeur de coupe constante le long de l'échantillon pour détruire un volume constant par unité de longueur à la surface de l'échantillon de roche sont mesurées, - une étape de micro-indentation au cours de laquelle des caractéristiques mécaniques de l'échantillon de roche sont déterminées par micro-indentation, - une étape de détermination des paramètres géomécaniques de l'échantillon au cours de laquelle la résistance à la compression uniaxiale, l'angle de friction, la cohésion interne, la dureté Brinell et le module d'Young de la roche sont déterminés au moyen des mesures effectuées au cours des étapes de rayure et de micro-indentation. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape de mesure des paramètres soniques de l'échantillon de roche et dans lequel au cours de l'étape de détermination des paramètres géomécaniques de l'échantillon le coefficient de Poisson de la roche est déterminé. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les paramètres soniques comprennent les vitesses de propagation 30 des ondes de compression et de cisaillement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les mesures de micro-indentation et/ou des paramètres soniques sont réalisées dans la rayure créée aucours de l'étape de rayure. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les émissions micro-sismiques sont enregistrées 5 pendant la rayure et la micro-indentation. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échantillon de roche est sous la forme d'une carotte et les étapes de mesures et de détermination des 10 paramètres géomécaniques de l'échantillon sont répétées le long de l'échantillon. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échantillon est photographié pendant les 15 étapes de mesures. 8. Produit programme informatique comportant des instructions pour la mise en ouvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7, lorsque ce programme est exécuté 20 par un processeur. 9. Dispositif de mesure des paramètres géomécaniques d'un échantillon de roche, le dispositif comprenant : - un banc d'essai destiné à recevoir un échantillon 25 de roche, - un portique dont le mouvement le long de l'échantillon est contrôlé et comprenant des instruments de micro-indentation et de rayure, - Plusieurs capteurs d'écoute des émissions 30 acoustiques placés sur l'échantillon et sur le banc d'essai. - un ordinateur contrôlant le mouvement du portique le long de l'échantillon, configuré pour recevoir les donnéesmesurées par les instruments fixé au portique et comprenant des moyens de calcul permettant à partir des données reçues de déterminer la résistance à la compression uniaxiale, l'angle de friction, la cohésion interne, la dureté Brinell, et le module d'Young de l'échantillon de roche. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, dont le portique comprend en outre un instrument de mesure des paramètres soniques de l'échantillon de roche, et ledit ordinateur est configuré pour recevoir également les données mesurées par l'instrument de mesure des paramètres soniques et comprend en outre des moyens de calcul permettant à partir des données reçues de déterminer le coefficient de Poisson de l'échantillon de roche, et ledit ordinateur est configuré également pour enregistre les signaux des capteurs d'écoute des émissions micro-sismiques.