FR 2617589 A1 19890106 FR 8709265 A 19870630 - 1 - La présente invention concerne un appareilLage et une méthode de mesure dans plusieurs directions, des déformations de carottes prélevées dans des formations géologiques, les déformations résultant notamment du relâchement des contraintes qui s'exerçaient sur cette carotte avant son prélèvement. La présente invention permet, notamment la détermination des tenseurs des contraintes et/ou des déformations et en particulier de la direction de la contrainte horizontale minimum de compression. La connaissance de cette contrainte horizontale minimum de compression, appliquée à la production minière, pétrolière, ou gazière, notamment dans des formations à faible perméabilité, permet de définir le plan de propagation des fractures hydrauliques qui lui est perpendiculaire. En réalisant par exemple la détermination de cette contrainte sur plusieurs carottes prélevées en différents lieux d'une formations géologique il est possible de déterminer l'emplacement optimum des forages en vue de l'amélioration de la production d'un champ en développement. On entend par permeabilité, la propriété des espaces intérieurs d'une roche de communiquer entre eux, ce qui permet aux fluides qu'ils contiennent de se mouvoir à travers la roche en question. Une manière connue de connaître l'état des contraintes et/ou des déformations et/ou plus particulièrement ce plan de propagation consiste à prélever une carotte de roche de la formation géologique 2617 5 8 9 -2- concernée et,. à mesurer sur cette carotte Les déformations résultant du relâchement quasi instantané des contraintes in situ. Une fois que La carotte est extraite de La formation, ceLLe-ci subit d'abord des déformations instantanées et importantes qui ne sont accessibles à La mesure que si cette dernière est effectuée au fond de puits juste au moment du carottage. A ces déformations instantanées succèdent, pendant pLusieurs dizaines d'heures, des déformations différées dont L'ordre de grandeur est plus faible que celui des déformations instantanées, et que l'on peut par exemple observer une fois la carotte remontée à la surface du sol, comme cela peut être le cas dans des forages pétroliers. Une méthode, dite du relâchement, consiste à mesurer, dans plusieurs directions, les déformations différées d'une carotte, d'en déduire l'ensemble des déformations et leur évolution dans le temps, et par suite de connaître les contraintes auxquelles la formation considérée est assujettie. Si, par facilité, on opère ces mesures sur des carottes cylindriques et que l'on considère l'axe de la carotte comme l'une des directions principales de déformation (hypothèse simplificatrice, justifiée lorsque les carottes sont prélevées dans des puits verticaux ou réalisées perpendiculairement à la stratification), il suffit de quatre directions indépendantes (une parallèle à l'axe de la carotte et trois dans un plan perpendiculaire à cet axe) pour déterminer avec un modèle rhéologique, tel ceux présentés par Blanton et Warpinsky, les déformations d'une carotte, leur évolution dans le temps et les contraintes de la formation étudiée. Cependant, en raison notamment de la très faible valeur des déformations mesurées (quelques micromètres), ainsi que le plus -3- souvent des conditions opératoires pour l'obtention de celles-ci (vibrations de chantier, du vent,... produisant des mouvements parasites), et aussi du dispositif permettant d'acquérir ces mesures, les mesures des déformations, comme les déductions faites à partir de celles-ci, sont erronées. Aussi, pour remédier entre autre à cet inconvénient, la présente invention propose un dispositif de mesure des déformations d'un échantillon, ces déformations résultant notamment du reLâchement des contraintes auxquelles l'échantillon était préalablement soumis, l'échantillon ayant un axe correspondant sensiblement à une direction principale de déformation. Ce dispositif se caractérise notamment en ce qu'il comporte au moins cinq capteurs de déplacement ayant chacun une direction de mesure, les directions de mesure étant sensiblement perpendiculaires audit axe de l'échantillon. Lorsque un axe et une direction ne sont pas compris dans un même plan, on les considèrera comme perpendiculaires lorsque l'angle formé entre l'axe et la parallèle à la direction coupant l'axe est un angle droit. Les directions de mesure perpendiculaires à l'axe de l'échantillon pourront être concourantes avec l'axe de l'échantillon. Le dispositif pourra comporter six capteurs de déplacement - ayant chacun une direction de mesure, les directions de mesure étant indépendantes les unes des autres et sensiblement perpendiculaires audit axe de l'échantillon, et lesdits six capteurs pourront être associés par couples, de manière que les directions des capteurs de chaque couple soient sensiblement comprises dans un même plan axial et diamétralement opposées entre elles par rapport à l'échantillon. Le dispositif pourra comporter une table sur laquelle est disposé - 4 perpendiculairement l'échantillon et pourra en outre comporter au moins un capteur dont la direction de mesure est sensiblement parallèle à l'axe de l'échantillon. Le dispositif pourra comporter des moyens de centrage adaptés à maintenir l'échantillon sensiblement fixe relativement aux capteurs. L'échantillon pourra avoir une forme cylindrique de révolution, et l'axe de la forme cylindrique pourra correspondre sensiblement à la direction principale de déformation. La présente invention concerne en outre une méthode de mesure de déformations et ces mouvements d'un échantillon à l'aide d'un dispositif, les déformations résultant des relâchements des contraintes auxquelles l'échantillon était préalablement soumis, lesdits mouvements étant ceux de l'échantillon relativement au dispositif de mesure, l'échantillon ayant un axe correspondant à une direction principale de déformation. Cette méthode est notamment caractérisée en ce qu'on mesure les déplacements de la surface de l'échantillon suivant l'axe de l'échantillon et suivant au moins cinq directions sensiblement perpendiculaires audit axe, ces déplacements résultant notamment desdites déformations et des mouvements. On pourra former au moins deux couples de deux directions sur les cinq directions, les deux directions de chaque couple étant sensiblement comprises dans un même plan axial et diamètralement 'opposées entre elles par rapport à l'échantillon. On pourra mesurer les déplacements suivant six directions indépendantes sensiblement perpendiculaires audit axe et on pourra associer deux à deux les six directions de manière à former trois couples de directions, les deux directions de chaque couple étant sensiblement comprises dans un même plan axial et diamètralement opposées par rapport à l'échantillon. - Les trois couples de directions pourront définir avec l'axe de l'échantillon respectivement trois plans axiaux de mesures et ces trois plans axiaux de mesures pourront être disposés l'un relativement à l'autre avec un angle sensiblement égal à 120 degrés. L'échantillon pourra avoir une forme cylindrique de révolution et l'axe de la forme cylindrique pourra correspondre sensiblement à ladite direction principale de déformation. Les directions pourront être sensiblement comprises dans un même plan. On pourra placer l'échantillon sur une table, l'axe de l'échantillon étant perpendiculaire à la table, et on pourra mesurer les déplacements de l'échantillon suivant son axe, sur la face de l'échantillon opposée à celle placée sur ladite table. Les déplacements étant mesurés par des capteurs, chacun desdits couples de direction étant sensiblement coaxial à un axe d'analyse, on pourra effectuer la somme algébrique des valeurs des déplacements mesurées selon chacun des couples de direction, de manière à en déduire la déformation de l'échantillon suivant chaque axe d'analyse. Le dispositif et/ou la méthode pourront être utilisés pour la détermination des déformations d'un échantillon géologique, tel une carotte prélevée dans un forage du sol. L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, dont un exemple de réalisation est illustré par les figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente en coupe le dispositif selon l'invention. - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif selon l'invention - 6 - illustré à La figure 1. La référence 1 est relative à l'échantillon, tel une carotte géologique, dont les déformations dues au relâchement des contraintes doivent être mesurées. L'échantillon 1 est maintenu par des moyens 2 de centrage sur une table 3, de manière que cet échantillon ait Le moins de mouvements possibles relativement aux supports 4 de capteur de déplacement ou aux capteurs de déplacement 7. En effet, notamment dans les chantiers miniers, les conditions pour effectuer de telles mesures sont relativement sévères et bien que l'échantillon soit maintenu sensiblement fixe, il subsiste toujours la possibilité de micro-mouvements parasites de l'échantillon qu'il est nécessaire de réduire. Le capteur de déplacement 7 est fixé au support 4 qui peut se déplacer par rapport à la table 3 au moyen d'une vis d'approche 8 ou de réglage grossier et (au moyen) d'une vis micrométrique 6. Dans le cas de l'exemple de réalisation objet de la -présente description, l'échantillon est une carotte minière et possède une forme cylindrique de révolution. L'axe 11 de cette forme cylindrique correspond à une direction 11 de déformation principale connue dans l'art de la mécanique des solides. L'axe 11 de l'échantillon 1 est placé perpendiculairement au plan de la table 3. Le dispositif comporte six capteurs de déplacement horizontaux 4, P, P1, Q, Q1' R, R1 ayant une direction de mesure concourante avec l'axe 11, et perpendiculaire -à l'axe 11 de l'échantillon 1. Le dispositif comporte en outre un capteur de déplacement vertical V monté sur une console 9 suivant un axe de mesure parallèle à l'axe 11 de l'échantillon 1. Les six plus un capteurs de déplacement pourront être des capteurs à -7induction fonctionnant sous un courant de 5KHz et pourront avoir une résolution de 0,01 micromètre. Les six capteurs horizontaux sont associés par couple (P, P1), (Q, Q1), (R, R1), de manière que les directions des capteurs soient sensiblement comprises dans un plan axial de l'échantillon et soient diamétralement opposées entre elles par rapport à l'échantillon. Les trois couples de directions ainsi formés définissent avec l'axe 11 de l'échantillon trois plans axiaux de mesure. Ces plans axiaux sont disposés l'un relativement à l'autre avec un angle sensiblement égal à 120 degrés. Les axes des six capteurs 7 horizontaux sont situés dans te même plan perpendiculaire à l'axe de l'échantillon. En réalisant des couples de directions de mesure, il est très facile de détecter et d'évaluer les légers mouvements accidentels de l'échantillon 1 relativement à la table 3. Par cette disposition des directions de mesures des capteurs horizontaux, ou axe de ces capteurs, chaque couple-de direction est coaxial à un axe d'analyse suivant lequel les déformations de l'échantillon sont faciles à obtenir avec une bonne précision, à partir de la somme algébrique des valeurs de déplacements mesurées suivant chacun des couples de directions. Ainsi par la connaissance des déformations de l'échantillon suivant trois axes d'analyse, et par l'utilisation d'un modèle rhéologique, tel ceux présentés par Blanton et Warpinsky, il est possible de connaître le tenseur des déformations de l'échantillon, de suivre leur évolution dans le temps et par suite de déterminer le tenseur des contraintes initiales de l'échantillon, soit encore l'état des contraintes de la formation géologique d'o provient l'échantillon. Bien que l'exemple de réalisation préféré et décrit comporte six capteurs 7 horizontaux, on pourra réduire à cinq le nombre de ces - 8 - capteurs. En effet, sachant qu'il est nécessaire de posséder cinq mesures indépendantes pour résoudre le calcul des cinq inconnues (trois inconnues relatives aux déformations de l'échantillon, deux inconnues relatives aux déplacements de l'échantillon par rapport au capteur), il est possible de n'utiliser que cinq capteurs ayant des directions de mesures indépendantes. Par directions de mesure indépendantes entre elles on entend les mesures effectuées suivant ces directions qui permettent la résolution du calcul mentionné précédemment. Un ensemble de telles directions est notamment donné par des directions concourantes à l'axe de l'échantillon et qui ne sont pas sensiblement comprises dans un même demiplan délimité par l'axe de l'échantillon et défini par cet axe et le point de contact du capteur avec l'échantillon. Afin de résoudre pLus facilement le calcul des inconnues de mouvement horizontal, on pourra former au moins deux couples de directions de mesure indépendantes, de manière à connaître facilement les déformations selon l'axe d'analyse parallèle à ces couples de directions et compris dans le plan de ces couples de directions. L'échantillon pourra avoir une autre forme que la forme préférée cylindrique de révolution. Aussi l'axe de l'échantillon sera défini comme étant un axe principal de déformation. De préférence les directions horizontales de mesures sont situées dans un même plan perpendiculaire à l'axe principal de déformation de l'échantillon, mais on peut très bien placer ces directions dans des plans différents perpendiculaires audit axe. Le dispositif de mesure des déformations comporte en outre une cellule extérieure aux capteurs et à l'échantillon 1. Cette cellule 10 est remplie d'une masse thermique destinée à réduire les variations de température de l'échantillon et/ou du montage, et/ou à limiter les _- 9 _- variations de saturation en fluide d'un échantiLLon imprégné de fluide. IL est connu d'effectuer les mesures des déformations résuLtant du relâchement des contraintes dans l'air. Pour cela on place, par exemple, le dispositif de mesure dans une étuve dont La température est régulée à 25 C 0,1 C. Dans ce cas le choix de La température de régulation, qui est située au-dessus de La température ambiante, est établi pour que les pertes -thermiques du dispositif soient toujours positives pendant la durée des mesures ou au cours des saisons de l'année. Ce type de moyens de régulation de la température ne comporte pas nécessairement de source froide. Cependant, par exemple, lorsque l'échantillon est une carotte géologique, la surface de l'échantillon comme sa masse n'est le plus souvent pas, au moment o il va être placé dans le dispositif, à la température du dispositif. Il en résulte alors un certain délai pour que l'échantillon atteigne la température du dispositif de mesure et au-delà de laquelle les mesures sont valides. Lorsque, par exemple, la masse thermique est de l'air régulé à 25 C et que l'échantillon est à une température de 10 ou 15 C, il est indispensable d'attendre pLusieurs heures, voire dizaines d'heures, avant de pouvoir valider les mesures. Cependant, la connaissance de l'évolution dans le temps des déformations, notamment le plus tôt possible après le carottage, ou dès le début du relâchement des contraintes, permet d'améliorer la qualité des interprétations des mesures. Aussi, en remplaçant la masse thermique d'air par une masse thermique de volume suffisant ayant notamment une capacité calorifique et/ou une conductibilité thermique notablement supérieure à celle de l'air dans Les conditions normales de températures et de pression, il est - 10- possible de réduire la durée de mise en température de l'échantillon et d'améliorer de ce fait la qualité des mesures et leur interprétation. Des essais, utilisant un dispositif placé dans une étuve et une masse thermique liquide constituée d'huile de vaseline, ont montré qu'il fallait attendre seulement 160 minutes, après immersion de l'échantillon, initialement à une température voisine de 10 C, pour que celui-ci soit à la température du bain formé par la masse thermique. Cette durée est estimée par l'observation en continu de la température du bain qui montre avant l'équilibre un refroidissement (correspondant à une mise en température de l'échantillon) et seulement une fois l'équilibre atteint, un réchauffage du bain produit par la source uniquement chaude des moyens de régulation. Une fois que l'échantillon est à la température du bain, c'est-à-dire une fois que sa température est uniforme, il est possible de réaliser des corrections de déformations thermiques par la connaissance du coefficient de dilatation thermique. La valeur de ce coefficient peut être obtenue en faisant varier la température de l'échantillon une fois relaxé et en mesurant les déformations alors uniquement produites par la température. Sinon, au cours des mesures des déformations du relâchement, les déformations dues à la dilatation masqueraient les seules déformations résultant du relâchement. Cette masse thermique d'inertie thermique améliorée, qui peut être constituée d'eau, d'huile, de mercure, d'un gel, d'une poudre..., permet en outre de stabiliser la température du-dispositif qui lui aussi, bien que réalisé en matériau à faible'coefficient de dilatation tel qu'en INVAR (marque déposée d'un alliage contenant 64 % de fer, 36 % de nickel et ayant un coefficient de dilatation, de 0,5.10-6 OC-1), est succeptible d'introduire des déformations thermiques parasites. - 11 - Outre pour ses qualités thermiques, la masse thermique utilisée peut être sélectionnée pour sa capacité à ne pas assécher, ni imprégner, l'échantillon mesuré. En effet, lorsque l'échantillon est solide, présente une certaine porosité, et est imprégné par un fluide, tel celui de la formation géologique d'o provient l'échantillon, les variations de concentration de fluide de l'échantillon, comme la pénétration par un autre fluide, produit des modifications des contraintes internes, notamment au cours du relâchement. Les modifications des contraintes internes se traduisent par des modifications des déformations mesurées et donc par une altération des mesures de déformation. Ainsi, en utilisant une masse thermique ni asséchante, ni imprégnante pour l'échantillon, les déformations relatives à ces effets s'annulent et aucune correction due à la variation concentration en fluide de l'échantillon n'est à effectuer. Si la masse thermique risque d'assécher et/ou d'imprégner un échantillon préalablement imprégné de fluide, l'échantillon pourra comporter une pellicule externe d'imperméabilisation, adaptée à empêcher la modification de la concentration en fluide d'imprégnation et/ou l'introduction de la masse thermique dans l'échantillon. Lorsque l'échantillon est une carotte géologique imprégnée d'eau et que la masse thermique comporte de l'eau, l'échantillon pourra comporter une pellicule adaptée à empêcher l'éventuelle migration d'un sel présent dans l'échantillon. Une autre manière pour déterminer la validité des mesures de déformation d'un échantillon consiste à utiliser deux capteurs de température. Le premier de ces deux capteurs est situé à une première distance de l'échantillon inférieure à une deuxième distance de l'échantillon o se trouve le deuxième capteur de température. - 12 - Par exemple, le premier capteur peut être placé sur L'échantillon et le deuxième capteur à 1 ou 2 cm de l'échantillon dans la masse thermique. Par cette disposition des capteurs et au moyen des valeurs de températures relevées par ces capteurs, on peut alors déterminer par exemple avec des moyens de comparaison, un gradient thermique existant dans la masse thermique et par conséquent l'instant o l'équilibre thermique est atteint et o les mesures de déformations sont valides (à partir de cet instant la température de l'échantillon est connue). Pendant les mesures des déformations, de légères variations de température de consigne de la cellule, qui introduisent des perturbations dans les mesures de déformations, peuvent être alors corrigées si l'on établit des relations entre déformations et température en effectuant un étalonnage de l'ensemble montage et échantillon. Cet étalonnage peut être obtenu, en imposant une variation de température en fin d'essai, lorsque les déformations résultant du relâchement des contraintes sont devenues négligeables. Pour mieux évaluer la répartition des températures dans l'échantillon, on pourra éviter de produire des mouvements de la masse thermique. On pourra commander en fonction de ce gradient thermique des moyens de régulation de la température de la masse thermique, tels une source froide et/ou une source chaude, cette régulation ayant ses effets notamment à proximité de l'échantillon. - 13 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Dispositif de mesure des déformations d'un échantillon, lesdites déformations résultant notamment du relâchement des contraintes auxquelles l'échantillon était soumis préalablement à la mesure, l'échantillon ayant un axe correspondant à une direction principale de déformation, caractérisé en ce qu'il comporte au moins cinq capteurs de déplacement ayant chacun une direction de mesure, les directions de mesure étant sensiblement perpendiculaires audit axe de l'échantillon. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites directions de mesure perpendiculaires à l'axe de l'échantillon sont concourantes avec l'axe de l'échantillon. 3. - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte six capteurs de déplacement ayant chacun une direction de mesure, les directions de mesure étant indépendantes les unes des autres et sensiblement perpendiculaires audit axe de l'échantillon, et en ce que lesdits six capteurs sont associés par couples, de manière que les directions des capteurs de chaque couple soient sensiblement comprises dans un même plan axial et diamétralement opposées entre elles par rapport à l'échantillon. 4. - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une table sur laquelle est disposé perpendiculairement l'échantillon et en ce qu'il comporte au moins un capteur dont la direction de mesure est sensiblement parallèle à l'axe de l'échantillon. 5. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de centrage adaptés à maintenir l'échantillon sensiblement fixe relativement aux capteurs. - 14 - 6. - Dispositif selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que ledit échantiLLon a une forme cylindrique de révolution, et en ce que l'axe de la forme cylindrique correspond sensiblement à ladite direction principale de déformation. 7. - Méthode de mesure de déformations et des mouvements d'un échantillon à l'aide d'un dispositif, lesdites déformations résultant du relâchement des contraintes auxquelles l'échantillon était soumis préalablement à la mesure, lesdits mouvements étant ceux de l'échantillon relativement au dispositif de mesure, l'échantillon ayant un axe correspondant à une direction principale de déformation, caractérisée en ce qu'on mesure les déplacements de la surface de l'échantillon suivant l'axe de l'échantillon et suivant au moins cinq directions sensiblement perpendiculaires audit axe, lesdits déplacements résultant notamment desdites déformations et desdits mouvements. 8. - Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'on forme au moins deux couples de deux directions sur les cinq directions, Les deux directions de chaque couple étant sensiblement comprises dans un même plan axial et diamètralement opposées entre elles par rapport à l'échantillon. 9. - Méthode selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce qu'on mesure les déplacements suivant six directions indépendantes sensiblement perpendiculaires audit axe et en ce qu'on associe deux à deux lesdites six directions de manière à former trois couples de directions, les deux directions de chaque couple étant sensiblement comprises dans un même plan axial et diamétralement opposées par rapport à l'échantillon. 10. - Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que les trois couples de direction définissent avec l'axe de l'échantillon respectivement trois plans axiaux de mesure et en ce que les trois - 15 - plans de mesure sont séparés l'un de L'autre d'un angle sensiblement égal à 120 degrés. 11. - Méthode selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que ledit échantillon a une forme cylindrique de révolution et en ce que l'axe de la forme cylindrique correspond sensiblement à ladite direction principale de déformation. 12. - Méthode selon l'un des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que lesdites directions sont sensiblement comprises dans un même plan. 13. - Méthode selon l'une des revendications_7 à 12, caractérisée en ce qu'on place l'échantillon sur une table, l'axe de l'échantillon étant perpendiculaire à la table, et en ce qu'on mesure les déplacements de l'échantillon suivant son axe sur la face de l'échantillon opposée à celLe placée sur ladite table. 14. - Méthode selon L'une des revendications 7 à 13, les déplacements étant mesurés par des capteurs, chacun desdits couples de directions étant sensiblement coaxial à un axe d'analyse, caractérisée en ce qu'on effectue la somme algébrique des valeurs des déplacements mesurées selon chacun des couples de direction, de manière à en déduire la déformation de l'échantillon suivant chaque axe d'analyse. 15. - Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 ou de la méthode selon l'une des revendications 8 à 14- à la détermination des déformations d'un échantillon géologique, tel une carotte prélevée dans un forage du sol.