EP1506388A1 - Methode d evaluation de la courbe de pression capillaire des roches d un gisement souterrain a partir de mesures sur des debris de roche - Google Patents

Methode d evaluation de la courbe de pression capillaire des roches d un gisement souterrain a partir de mesures sur des debris de roche

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EP1506388A1
EP1506388A1 EP03752800A EP03752800A EP1506388A1 EP 1506388 A1 EP1506388 A1 EP 1506388A1 EP 03752800 A EP03752800 A EP 03752800A EP 03752800 A EP03752800 A EP 03752800A EP 1506388 A1 EP1506388 A1 EP 1506388A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capillary pressure
rock
permeability
curve
pressure curve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03752800A
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German (de)
English (en)
Inventor
Roland Lenormand
Patrick Egerman
Daniel Longeron
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1506388A1 publication Critical patent/EP1506388A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N2015/0866—Sorption
    • G01N2015/0873—Dynamic sorption, e.g. with flow control means

Definitions

  • the present invention relates to a method for evaluating a capillary pressure curve of the rocks of an underground deposit from measurements on rock debris taken therefrom.
  • the evolution of the pressure or the volume in the enclosure is modeled, starting from initial values chosen for the physical parameters of the fragments, and the values of the physical parameters of the rock fragments are adjusted iteratively so that the evolution modeled adjusts as best as possible with the measured change in the physical parameter in the enclosure.
  • capillary pressure is also a very important datum for operators because it conditions:
  • this transition zone can extend over a few meters or a few tens of meters, which has a significant impact on the determination of accumulations in place.
  • the inlet pressure of a rock which is particularly important for cover rocks.
  • the inlet pressure of the cover rocks directly conditions the permissible overpressure in the storage levels without having any leaks.
  • the capillary pressure curve is obtained by means of laboratory measurements on deposit cores. These methods are expensive both because of the coring operations and because of the measurement operations on the cores and the results are often not available until several months after drilling. Approaches to quickly obtain the capillary pressure curve
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • the NMR relaxation signal is first converted in terms of pore size distribution and then in terms of threshold size distribution, which makes it possible to calculate a pseudo capillary pressure curve.
  • This approach has been tested on several samples of known Pc curve. The results show that obtaining good agreement with the reference curves requires a rigorous calibration phase to be carried out on a case-by-case basis depending on the nature of the rocks studied. This calibration phase is necessary due to the uncertainty in: • NMR signal conversion - pore size distribution which depends on the value of the surface relaxivity which varies according to the rocks; and
  • Image analysis has also been the subject of work aimed at obtaining a Pc curve.
  • the porous medium is previously prepared in the form of a thin section photographed by scanning electron microscopy called SEM for "Scanning Electron Microscopy".
  • SEM scanning electron microscopy
  • the image obtained is then analyzed so as to determine parameters representative of the proportion and the shape of the voids relative to the rock.
  • Pc pseudo capillary pressure curve
  • the main limitation of this method is the two-dimensional (2D) nature of the thin section while capillary pressure is by definition a three-dimensional (3D) property.
  • this technique requires fairly heavy conditioning which is not compatible with obtaining a slightly delayed result.
  • Image analysis could possibly be applicable on rock debris but would require careful calibration to acquire good predictability.
  • centrifugation technique is sometimes applied on site to drilling debris, but this is in order to extract as much drilling fluid as possible from the rock to minimize polluting releases to the environment, but also to limit costs by recycling the recovered drilling fluid.
  • no centrifugation measurement on drilling debris has been envisaged in order to determine capillary properties.
  • the method according to the invention makes it possible to determine the capillary pressure curve of rocks of an underground deposit from measurements on debris or fragments of rock which are taken there (such as drilling debris), over the entire interval. saturation of these rocks, this in a reduced time and at lower cost from these measurements. It involves : - a measurement of the permeability k of rock debris;
  • the parameterization of the curve is advantageously carried out by selecting by default a set of said parameters allowing a setting on the asymptotic part of the capillary pressure Pc at low saturations, and by a modification step by step near the parameters so that the estimation of the permeability given by one of the empirical relations used, is best adjusted with the permeability measurements k carried out on rock debris and with this asymptotic part.
  • the measurement of the permeability k of the rock debris is carried out for example from measurements of the pressure variations inside a container filled with a fluid containing the rock debris after it has been placed in communication for a defined time with a reservoir of this same fluid under pressure, and from the volume actually absorbed by the drilling debris, and from a modeling of the evolution of the pressure or the volume in the container, from initial values chosen for the physical parameters rock debris, which is adjusted iteratively so that the modeled evolution of the pressure is best adjusted with the measured evolution of the physical parameters of the rock debris.
  • the method is advantageous in particular in that it provides the capillary pressure of the rocks on the basis of simple drilling debris more readily available and less expensive to obtain. The results are also obtained much more quickly than with carrots.
  • fig.2a shows the curves of Pc obtained on the same rock (B7) from debris (cuttings) and a carrot;
  • fig. 2b shows the comparison between the reference Pc curve measured on core with the reconstructed Pc curve over the entire saturation interval from the centrifugation measurements and the permeability measurement;
  • fig.3a and 3b show results comparable to those shown in Fig.2a and Fig.2b respectively for another rock GDV1;
  • fig.5a and 5b show results comparable to those shown in Fig.2a and Fig.2b respectively for another St Max rock;
  • Fig.6 shows the comparison between the reference permeabilities and the permeabilities measured on drilling debris as part of the method described in filed in the aforementioned patent application FR 02/0023;
  • FIG. 7 schematically shows the flowchart for implementing the method.
  • FIG. 7 The method for rapid evaluation of a capillary pressure curve Pc from cuttings or rock fragments according to the invention is illustrated in FIG. 7.
  • the method is based on two experimental measurement phases followed by a parameterization phase by reference with known curves, to reconstruct the curve of Pc over the entire saturation interval.
  • pressure data are acquired capillary Pc by centrifuging the rock fragments previously saturated with water.
  • the other experimental phase makes it possible to calculate the permeability value k of the rock using the method described in patent application FR 02/0023 already cited.
  • the reconstruction of the curve Pc over the entire saturation interval is carried out using a parameterized form.
  • the parameters of the curve are determined so that the curve agrees with the capillary pressure data Pc obtained experimentally and with the estimated value of permeability from the curve of Pc obtained according to a known method such as that of Thomeer or that of Swanson Kamath which will be recalled later, with the value measured on the rock fragments.
  • a known method such as that of Thomeer or that of Swanson Kamath which will be recalled later, with the value measured on the rock fragments.
  • the rock fragments brought up during drilling are cleaned beforehand with solvents in a Soxhlet type device, then dried and saturated in brine 30 g / 1.
  • the rock fragments are then drained in a damp cloth so as to remove the water trapped between the different rock fragments d and then introduced into a cell or bucket fixed at the end of a rotating arm.
  • the water expelled by centrifugation out of the rock debris passes through a grid and is collected at the base of the bucket.
  • the acquisition of experimental data is done in the same way as in the context of centrifugation on a carrot. For a centrifugation stage (given rotation speed), we measure the evolution of the water production until no more significant variations are observed, then we increase the rotation speed to start a new stage .
  • the volume of water produced during the experiment is converted into saturation data from the volume of water initially contained in the rock fragments. The latter is determined by weighing (difference in weight of the rock fragments before and after saturation) or directly by NMR measurement.
  • FIGS. 2a to 5a show the result of experiments carried out using fragments of model rock, of size 1 to 2 mm, manufactured in the laboratory from rocks of known properties for which there is a curve of Pc measured so classic by centrifuging a carrot. It can be checked that a good correspondence with the reference curve is obtained at the asymptotic part (low saturation in wetting fluid). On the other hand, there is a significant difference for the higher saturations in wetting fluid. We therefore obtain results equivalent to those obtained in the framework of porosimetry measurements using mercury on rock fragments and this without risk of pollution.
  • the capillary pressure curve Pc measured is however only representative on the asymptotic part. A reconstruction procedure is therefore necessary to evaluate the behavior of the curve over the entire saturation interval.
  • the method described in the aforementioned patent application 02/02242 is applied.
  • the rock fragments are immersed in a confinement enclosure containing a viscous fluid.
  • the enclosure is then placed in communication with a container containing this same fluid under pressure, so as to compress the gas trapped in the pores of the rock.
  • this communication can be very brief and followed after a waiting time, a measurement of the evolution of the pressure in the enclosure.
  • the communication is long enough so that one can observe and measure the variation in the volume actually absorbed by the rock fragments.
  • the evolution of the pressure or the volume in the enclosure is modeled, starting from initial values chosen for the physical parameters of the rock fragments, and the values of the physical parameters of the rock fragments are adjusted iteratively so that the modeled evolution is best adjusted with the measured evolution of the physical parameter in the enclosure.
  • the capillary pressure curve Pc is modeled as
  • G is a shape parameter to take into account the curvature of the capillary pressure curve (related to the shape of the pore size distribution);
  • V b _ the percentage of volume occupied by mercury at the end of the experiment at infinite capillary pressure (equal to ⁇ xS ⁇ g), the three parameters of the model being linked to the permeability by the following expression
  • the inversion process starts with a set of default parameters which allow the asymptotic behavior of the capillary pressure Pc to be calibrated at low water saturations. These parameters are then modified step by step (mainly the inlet pressure, noted Pe or Pd, and the form factor, noted ⁇ or G) so that the estimate of the permeability given by one of the preceding relationships is in good agreement with the permeability measurement carried out on drilling debris while maintaining good agreement with the Pc measurements at low water saturations.
  • FIGS. 2b, 3b and 4b and 5b show the comparison between the curve of Pc reconstituted according to the previous procedure and the curve of Pc of reference obtained on a carrot. It can be seen that, whatever the example considered, the reconstruction method makes it possible to obtain a relevant evolution of the Pc over the entire saturation interval and in particular at high water saturations, whatever the permeability of the rock. .

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Abstract

Méthode d'évaluation de la courbe de pression capillaire de roches d'un gisement souterrain à partir de mesures sur des débris ou fragments de roche tels que des débris de forage qui en proviennent, sur tout l'intervalle de saturation de ces roches, ceci dans un délai réduit et à moindre coût à partir de ces mesures. Elle comporte essentiellement une mesure de la perméabilité k des débris de roche, une mesure de la courbe de pression capillaire Pc en fonction de la saturation de ces fragments initialement saturés d'un fluide (de la saumure par exemple) en les soumettant à une centrifugation, et le paramétrage d'une courbe de pression capillaire Pc satisfaisant à des relations empiriques dépendant de paramètres ajustables, que l'on contraint à s'ajuster à une partie asymptotique de la courbe capillaire mesurée par centrifugation, et à la valeur de la perméabilité k mesurée sur les débris de forage, de façon à obtenir l'ensemble de la courbe de pression capillaire. Applications à l'évaluation d'un gisement en hydrocarbures par exemple.

Description

METHODE D'EVALUATION DE LA COURBE DE PRESSION CAPILLAIRE DES ROCHES D'UN GISEMENT SOUTERRAIN A PARTIR DE MESURES SUR DES DEBRIS DE ROCHE
La présente invention a trait à une méthode d'évaluation d'une courbe de pression capillaire des roches d'un gisement souterrain à partir de mesures sur des débris de roche qui y sont prélevés
Etat de la technique
Mesures en laboratoire sur carottes ou débris de forage
La mesure de paramètres pétrophysiques tels que la perméabilité, la porosité et les propriétés capillaires sur des fragments de roche remontés au cours du forage d'un puits au travers d'un formation souterraine, constitue une opportunité intéressante pour les compagnies opératrices d'obtenir rapidement une première caractérisation pétrophysique de zones productrices traversées par le puits.
Par le brevet FR 2 809 821 du demandeur, on connaît un système pour évaluer des paramètres physiques tels que leur perméabilité absolue de roches poreuses d'une zone d'un gisement souterrain, à partir de débris rocheux remontés dans la boue d'un forage. Dans une enceinte où les débris sont plongés dans un fluide visqueux, on injecte de ce même fluide sous une pression croissante avec le temps, jusqu'à un seuil de pression définie, de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche. Cette phase d'injection est suivie d'une phase de relaxation avec arrêt de l'injection. L'évolution de la pression durant le processus d'injection ayant été modélisée à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des débris, un calculateur les ajuste itérativement pour faire coïncider au mieux la courbe de pression modélisée avec la courbe de pression réellement mesurée
Par la demande de brevet FR 02/0023 du demandeur, on connaît une autre méthode pour évaluer des paramètres physiques tels que la perméabilité absolue et la porosité des roches d'une zone d'un gisement souterrain, à partir également de débris de forage. Une enceinte contenant les fragments de roche et remplie d'un fluide visqueux est mise en communication avec un réservoir de ce même fluide sous une pression définie de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche. La durée d'application de cette pression selon qu'elle est courte ou plus longue permet de mesurer soit la variation de la pression dans l'enceinte ou la variation du volume effectivement absorbé par les fragments de roche. Ensuite, on modélise l'évolution de la pression ou du volume dans l'enceinte, à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des fragments, et on ajuste itérativement les valeurs des paramètres physiques des fragments de roche pour que l'évolution modélisée s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée du paramètre physique dans l'enceinte.
Dans le domaine de la caractérisation pétrophysique, la pression capillaire est aussi une donnée très importante pour les opérateurs car elle conditionne :
• la distribution initiale des fluides dans le réservoir depuis la zone aquifère (dite WOC pour "Water Oil Contact" par les gens de l'art) jusque dans la partie supérieure du réservoir (zone de transition). Suivant la courbe de pression capillaire associée à une roche réservoir et la nature des fluides en place, cette zone de transition peut s'étendre sur quelques mètres ou quelques dizaines de mètres ce qui a un impact important sur la détermination des accumulations en place.
• la pression d'entrée d'une roche ce qui est particulièrement important pour les roches couvertures. Par exemple, pour un réservoir de stockage de gaz, la pression d'entrée des roches de couverture conditionne directement la surpression admissible dans les niveaux de stockage sans avoir de fuites.
Avec les techniques actuelles, la courbe de pression capillaire est obtenue par l'intermédiaire de mesures en laboratoire sur des carottes de gisement. Ces méthodes sont chères aussi bien à cause des opérations le carottage que des opérations de mesure sur les carottes et les résultats ne sont souvent disponibles que plusieurs mois après le forage. Approches pour obtenir rapidement la courbe de pression capillaire
Il existe cependant des méthodes alternatives décrites dans la littérature pour évaluer le courbe de pression capillaire rapidement, soit en cours du forage soit en léger différé.
L'approche la plus couramment utilisée consiste à utiliser la technique de la porosimétrie au mercure pour mesurer la courbe de pression capillaire Pc air/mercure directement à partir de déblais de forage ou "cuttings". Néanmoins, la courbe obtenue diffère largement par rapport à la courbe de référence obtenue sur carotte aux fortes saturations en fluide mouillant. D'autre part, cette approche repose sur l'utilisation de mercure qui est extrêmement polluant et progressivement interdit par la législation dans de nombreux pays, ce qui pose un problème majeur pour l'application de cette technique dans un futur proche.
Une autre méthode connue utilise la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN ) pour estimer rapidement la courbe de pression capillaire à partir des données diagraphiques mesurées dans le puits peu après le forage. Elle est mise en œuvre notamment dans les publications suivantes :
- Bowers, M., A. et al. : " Prédiction of permeability from capillary pressure curves derived with NMR", 17 September, 1998 ;
- Marshall, D., et al. : "Method for correlating NMR relaxometry and mercury injection data" , SCA n° Society of Core Analyste International Symposium 1995 ;
- Volokitin, Y., W. J. et al. :"A practical approach to obtain lst drainage capillary pressure curves from NMR core and Log data" , SCA n° Society of Core Analysts International Symposium 1999.
Le signal de relaxation RMN est d'abord converti en termes de distribution de taille de pore puis ensuite en terme de distribution de taille de seuils ce qui permet de calculer une pseudo courbe de pression capillaire. Cette approche a été testée sur plusieurs échantillons de courbe de Pc connue. Les résultats montrent que l'obtention d'un bon accord avec les courbes de référence passe par une phase de calibration rigoureuse à réaliser au cas par cas suivant la nature des roches étudiées. Cette phase de calibration est nécessaire du fait de l'incertitude au niveau : • de la conversion signal RMN - distribution de taille de pore qui dépend de la valeur de la relaxivité de surface variable suivant les roches ; et
• de la conversion distribution de tailles de pore - distribution de tailles de seuil qui dépend de la nature de la roche et du processus de diagenèse.
Cette approche n'est donc pas recommandée dans un contexte prédictif d'exploration. Elle ne serait de toute façon pas applicable sur débris de forage.
L'analyse d'image a aussi fait l'objet de travaux visant à l'obtention d'une courbe de Pc. Le milieu poreux est préalablement préparé sous forme d'une lame mince photographiée par microscopie électronique à balayage dite SEM pour "Scanning Electron Microscopy". L'image obtenue est alors analysée de manière à déterminer des paramètres représentatifs de la proportion et de la forme des vides par rapport à la roche. En particulier, il est possible de déterminer une distribution de taille de seuil pour reconstruire une pseudo courbe de pression capillaire Pc. La principale limitation de cette méthode est la nature bidimensionnelle (2D) de la lame mince tandis que la pression capillaire est par définition une propriété tridimensionnelle (3D). D'autre part, cette technique requiert un conditionnement assez lourd peu compatible avec l'obtention d'un résultat en léger différé. L'analyse d'image serait éventuellement applicable sur débris de roche mais nécessiterait une calibration soigneuse pour acquérir une bonne prédictibilité.
A noter pour terminer que la technique de centrifugation est parfois appliquée sur chantier à des débris de forage mais c'est dans le but d'extraire le plus possible de fluide de forage de la roche pour minimiser les rejets polluants dans l'environnement mais aussi pour limiter les coûts en recyclant le fluide de forage récupéré. A notre connaissance, aucune mesure de centrifugation sur débris de forage n'a été envisagée dans le but de déterminer des propriétés capillaires.
La méthode selon l'invention
La méthode selon l'invention permet de déterminer la courbe de pression capillaire de roches d'un gisement souterrain à partir de mesures sur des débris ou fragments de roche qui y sont prélevés (tels que des débris de forage), sur tout l'intervalle de saturation de ces roches, ceci dans un délai réduit et à moindre coût à partir de ces mesures. Elle comporte : - une mesure de la perméabilité k des débris de roche ;
une mesure de la courbe de pression capillaire Pc en fonction de la saturation des débris de roche initialement saturés d'un fluide en les soumettant à une centrifugation ; et
- le paramétrage d'une courbe de pression capillaire Pc satisfaisant à des relations empiriques dépendant de paramètres ajustables, que l'on contraint à s'ajuster à une partie asymptotique de la courbe capillaire mesurée par centrifugation, et à la valeur de la perméabilité k mesurée sur les débris de forage, de façon à obtenir l'ensemble de la courbe de pression capillaire.
Le paramétrage de la courbe est effectué avantageusement en sélectionnant par défaut un jeu des dits paramètres permettant un calage sur la partie asymptotique de la pression capillaire Pc aux faibles saturations, et par une modification de proche en proche des paramètres de manière que l'estimation de la perméabilité donnée par une des relations empiriques utilisées, s'ajuste au mieux avec les mesures de perméabilité k réalisées sur débris de roche et avec cette partie asymptotique.
La mesure la perméabilité k des débris de roche est effectuée par exemple à partir de mesures des variations de pression à l'intérieur d'un récipient rempli d'un fluide contenant les débris de roche après sa mise en communication durant un temps défini avec un réservoir de ce même fluide sous pression, et à partir du volume effectivement absorbé par les débris de forage, et d'une modélisation de l'évolution de la pression ou du volume dans le récipient, à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des débris de roche, que l'on ajuste itérativement pour que l'évolution modélisée de la pression s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée des paramètres physiques des débris de roche.
La méthode est avantageuse notamment en ce qu'elle fournit la pression capillaire des roches sur la base de simples débris de forage plus facilement disponibles et moins coûteux à obtenir .Lies résultats sont également obtenus bien plus rapidement qu'avec des carottes. 1. Présentation sommaire des figures
Les caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre, en se référant aux dessins annexés où :
- la fig.l montre l'évolution du signal RMN au cours de différents paliers de centrifugation réalisés sur des débris de forage ;
la fig.2a montre les courbes de Pc obtenues sur une même roche (B7) à partir de débris (cuttings) et d'une carotte ;
la fig. 2b montre la comparaison entre la courbe de Pc de référence mesurée sur carotte avec la courbe de Pc reconstruite sur tout l'intervalle de saturation à partir des mesures de centrifugation et de la mesure de la perméabilité ;
les fig.3a et 3b montrent des résultats comparables à ceux montrés aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche GDV1 ;
- les fig.4a et 4b montrent des résultats comparables à ceux montrés aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche Rotl ;
les fig.5a et 5b montrent des résultats comparables à ceux montrés aux Fig.2a et Fig.2b respectivement pour une autre roche St Max ;
la fig.6 montre la comparaison entre les perméabilités de référence et les perméabilités mesurées sur débris de forage dans le cadre de la méthode décrite dans déposée dans la demande de brevet FR 02/0023 précitée ; et
- la fig.7 montre schématiquement l'organigramme de mise en œuvre de la méthode.
Description détaillée de la méthode
La méthode d'évaluation rapide d'une courbe de pression capillaire Pc à partir de déblais ou fragments de roche selon l'invention est illustrée par la fig.7. La méthode repose sur deux phases de mesure expérimentales suivies d'une phase de paramétrisation par référence avec des courbes connues, pour reconstruire la courbe de Pc sur tout l'intervalle de saturation. Durant l'une des phases de mesure, on acquiert des données de pression capillaire Pc en centrifugeant les fragments de roche préalablement saturés en eau. L'autre phase expérimentale permet de calculer la valeur de perméabilité k de la roche à partir de la méthode décrite dans la demande de brevet FR 02/0023 déjà citée. La reconstruction de la courbe Pc sur tout l'intervalle de saturation est effectuée en utilisant une forme paramétrée. Les paramètres de la courbe sont déterminés de façon que la courbe s'accorde aux données de pression capillaire Pc obtenues expérimentalement et avec la valeur estimée de perméabilité à partir de la courbe de Pc obtenue selon une méthode connue telle que celle de Thomeer ou celle de Swanson Kamath qui seront rappelées plus loin, avec la valeur mesurée sur les fragments de roche. Plusieurs cas d'application sont proposés qui montrent le très bon accord obtenu avec des courbes de référence sans procédure particulière de calibration préalable.
I) Mesure de Pc par centrifugation à partir des fragments de roche
Pour la mise en œuvre de la méthode, il peut utiliser des moyens standards de centrifugation ou des moyens plus sophistiqués avec un suivi automatique des volumes de fluide produits comme ceux décrits par exemple dans les brevets EP 603040
(US 5,463,894), FR 2 763 690, FR 2 772 477 (US 6,185,985) ou FR 2 798 734 du demandeur.
Les fragments de roche remontés au cours du forage sont préalablement nettoyés avec des solvants dans un appareil de type Soxhlet, puis séchés et saturés en saumure 30 g/1. Les fragments de roche sont ensuite égouttés dans un tissu humide de manière à éliminer l'eau piégée entre les différents fragments de roche d puis introduits dans une cellule ou godet fixé à l'extrémité d'un bras tournant. L'eau expulsée par centrifugation hors des débris de roche traverse une grille et est recueillie à la base du godet. L'acquisition des données expérimentales se fait de la même manière que dans le cadre de la centrifugation sur une carotte. Pour un palier de centrifugation (vitesse de rotation donnée), on mesure l'évolution de la production en eau jusqu'à ce que l'on n'observe plus de variations significatives, puis on augmente la vitesse de rotation pour commencer un nouveau palier.
Comme le montre la fig.l on observe une diminution progressive du signal RMN et un décalage vers les faibles temps de relaxation T2 qui traduisent une désaturation du milieu poreux avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Ce type de mesure prouve que l'on a bien un contact capillaire entre les débris de roche ce qui permet de mesurer la Pc par centrifugation à partir de débris de forage.
Le volume d'eau produit au cours de l'expérience est converti en données de saturation à partir du volume d'eau initialement contenu dans les fragments de roche. Ce dernier est déterminé par pesée (différence de poids des fragments de roche avant et après la saturation) ou directement par mesure RMN.
Les figures 2a à 5a montrent le résultat d'expériences réalisées à partir de fragments de roche modèles, de taille 1 à 2 mm, fabriqués au laboratoire à partir de roches de propriétés connues pour lesquelles on dispose d'une courbe de Pc mesurée de manière classique par centrifugation d'une carotte. On peut vérifier que l'on obtient une bonne correspondance avec la courbe de référence au niveau de la partie asymptotique (faible saturation en fluide mouillant). En revanche, on observe une différence importante pour les saturations en fluide mouillant plus élevées. On obtient donc des résultats équivalents à ceux obtenus dans le cadre de mesures de porosimétrie utilisant le mercure sur fragments de roche et cela sans risque de pollution.
La courbe de pression capillaire Pc mesurée n'est cependant représentative que sur la partie asymptotique. Une procédure de reconstruction est donc nécessaire pour évaluer le comportement de la courbe sur tout l'intervalle de saturation.
II) Mesure de la perméabilité K des fragments de roche
Pour mesurer la perméabilité des fragments de roche, on applique la méthode décrite dans la demande de brevet précitée 02/02242. A cet effet, on plonge les fragments de roche dans une enceinte de confinement contenant un fluide visqueux. On met alors l'enceinte en communication avec un récipient contenant ce même fluide sous pression, de manière à comprimer le gaz piégé dans les pores de la roche. Suivant un premier mode de mise en œuvre, cette mise en communication peut être très brève et suivie après un temps d'attente, d'une mesure de l'évolution de la pression dans l'enceinte. Suivant un autre mode de mise en œuvre, la mise en communication est assez longue pour que l'on puisse observer et mesurer la variation du volume effectivement absorbé par les fragments de roche. Ensuite, on modélise l'évolution de la pression ou du volume dans l'enceinte, à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des fragments de roche, et on ajuste itérativement les valeurs des paramètres physiques des fragments de roche de roche pour que l'évolution modélisée s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée du paramètre physique dans l'enceinte.
Cette procédure donne d'excellents résultats. Les valeurs de perméabilité k des fragments de roche sont tout à fait conformes aux mesures de référence obtenues à partir de carottes.
III) Reconstruction de la courbe totale de pression capillaire
Dans cette troisième étape on fait la synthèse des mesures précédentes ayant permis de construire la partie asymptotique de pression capillaire Pc et les mesures de la perméabilité k, en se servant de relations empiriques, réputées bien modéliser les paramètres physiques des roches. Par les publications suivantes :
**** Thomeer, J. H. M. : "Introduction of a pore geometrical factor defined by the capillary pressure curve", Trans AIME, vol , March, pp 73-77, 1960 ; et
" Thomeer, J. H. M. : "Air permeability as a function of three pore network parameters", Trans AIME, vol , April, pp 809-814, 1983.
sont connues des procédures d'évaluation de la perméabilité à partir d'une courbe de pression capillaire. La courbe de pression capillaire Pc est modélisée sous la forme
• G est un paramètre de forme pour prendre en compte la courbure de la courbe de pression capillaire (reliée à la forme de la distribution de taille de pore) ;
• Pd, la pression de déplacement extrapolée à SHÊ égale à zéro ; et
• Vb_=, le pourcentage de volume occupé par le mercure en fin d'expérience à pression capillaire infinie (égal à φxSπg), les trois paramètres du modèle étant reliés à la perméabilité par l'expression suivante
Dans la publication suivante :
Swanson, B. F. : " A simple corrélation between permeability and mercury capillary pressures", JPT, vol , December, pp 2498-2504, 1981,
Il est proposé également de corréler la valeur de la perméabilité avec la valeur maximale du rapport (N/P.) sur la courbe de porosimetrie mercure. Ce point particulier correspond généralement au changement de régime qui se produit à la fin du régime de percolati on, juste avant l'augmentation significative de la pression capillaire. D'un point de vue capacité d'écoulement de fluide dans le milieu poreux, ce point est particulièrement important car il représente la taille de pore pour laquelle l'ensemble du réseau poreux est connecté et qui contrôle donc l'écoulement. La corrélation la plus générale fournie par l'auteur est donnée par l'expression (Swanson 1981).
La publication suivante :
Kamath, J. : "Evaluation of accuracy of estimating air permeability from mercury injection data", SPE Formation évaluation, vol 7, 4, pp 304-310, 1992,
porte également sur l'évaluation comparative des approches par corrélation empirique ou par modèle physique pour déterminer la valeur de la perméabilité à partir d'une courbe de porosimetrie mercure. Le meilleur accord est obtenu avec une nouvelle corrélation basée sur la longueur caractéristique de Swanson 1981 déjà cité :
Jt =347 x Z}^ si k > l mD Lmax étant défini de la manière suivante
Avec :
• λ : exposant traduisant la courbure de la courbe de pression capillaire (reliée à la forme de la distribution de taille de pore).
• Pe : la pression de déplacement extrapolée à Sϋg égale à zéro.
• Sr : saturation résiduelle occupée par le fluide mouillant (%).
Pour paramétrer la courbe de pression capillaire Pc empirique issue des approches de Thomeer, Swanson ou Kamath, on la contraint à s'ajuster à la partie asymptotique obtenue par centrifugation durant la première étape de la méthode Pour contraindre l'ensemble de la courbe, on se sert en outre de la valeur de la perméabilité k mesurée sur débris de forage durant la deuxième étape de la méthode, que l'on compare avec ce que donnent les relations empiriques. On modifie alors les paramètres de la pression capillaire Pc jusqu'à ce que l'on honore à la fois le comportement asymptotique mesuré et l'estimation de la perméabilité ce qui permet de contraindre la courbe de pression capillaire sur tout l'intervalle de saturation Sw.
Le processus d'inversion démarre avec un jeu de paramètres par défaut qui permettent de caler le comportement asymptotique de la pression capillaire Pc aux faibles saturations en eau. On modifie alors de proche en proche ces paramètres (principalement la pression d'entrée, noté Pe ou Pd, et le facteur de forme, noté λ ou G) de manière que l'estimation de la perméabilité donnée par une des relations précédentes soit en bon accord avec la mesure de perméabilité réalisée sur débris de forage tout en conservant un bon accord avec les mesures de Pc aux faibles saturations en eau.
1.1. Résultats obtenus
Les figures 2b, 3b et 4b et 5b montrent la comparaison entre la courbe de Pc reconstituée suivant la procédure précédente et la courbe de Pc de référence obtenue sur une carotte. On constate que, quel que soit l'exemple considéré, la méthode de reconstruction permet d'obtenir une évolution pertinente de la Pc sur tout l'intervalle de saturation et en particulier aux fortes saturations en eau, quelle que soit la perméabilité de la roche.

Claims

REVENDICATIONS
1) Méthode de détermination de la courbe de pression capillaire de roches d'un gisement souterrain à partir de mesures sur des débris de roche qui y sont prélevés, comprenant une mesure de la perméabilité K des débris de roche, caractérisée en ce qu'elle comporte :
une mesure de la courbe de pression capillaire Pc en fonction de la saturation en soumettant à une centrifugation des débris de roche initialement saturés d'un fluide ; et
le paramétrage d'une courbe de pression capillaire Pc satisfaisant à des relations empiriques dépendant de paramètres ajustables, que l'on contraint à s'ajuster à une partie asymptotique de la courbe capillaire mesurée par centrifugation, et à la valeur de la perméabilité k mesurée sur les débris de forage, de façon à obtenir l'ensemble de la courbe de pression capillaire.
2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le paramétrage comporte la sélection par défaut d'un jeu des dits paramètres permettant un calage sur la partie asymptotique de la pression capillaire Pc aux faibles saturations, et une modification de proche en proche des paramètres de manière que l'estimation de la perméabilité donnée par une des relations empiriques utilisées s'ajuste au mieux avec les mesures de perméabilité réalisées sur débris de roche et avec la dite partie asymptotique.
3) Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'on mesure la perméabilité k des débris de roche à partir de mesures des variations de pression à l'intérieur d'un récipient rempli d'un fluide contenant les débris de roche après sa mise en communication durant un temps défini avec un réservoir de ce même fluide sous pression et à partir du volume effectivement absorbé par les débris de forage, et d'une modélisation de l'évolution de la pression ou du volume dans le récipient, à partir de valeurs initiales choisies pour les paramètres physiques des débris de roche, que l'on ajuste itérativement pour que l'évolution modélisée de la pression s'ajuste au mieux avec l'évolution mesurée des paramètres physiques des débris de roche.
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