FR2641868A1 - Device for measuring the mechanical behaviour of a rock sample under an effective confinement pressure - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure du comportement mécanique d'un échantillon de roche sous pression effective de confinement. Elle se rapporte également à un procédé de mise en oeuvre d'un tel dispositif. The present invention relates to a device for measuring the mechanical behavior of a sample of rock under effective confinement pressure. It also relates to a method of implementing such a device.
En cours de forage pétrolier, par exemple, une circulation de fluide de forage remonte dans l'annulaire tige trou, permettant, parmi d'autres fonctions tout aussi importantes, d'entraîner les déblais du front de taille jusqu'à la surface. Cette boue de forage filtre à travers la surface du trou. La phase solide de la boue, dotée d'une faible perméabilité, se dépose sur la paroi constituant ainsi une barrière aux pressions ; ce que l'on appelle le cake. During oil drilling, for example, a circulation of drilling fluid rises in the annular stem hole, allowing, among other equally important functions, to drive cuttings from the face to size to the surface. This drilling mud filters through the surface of the hole. The solid phase of the sludge, with low permeability, settles on the wall thus constituting a barrier to pressure; what is called cake.
Seul le filtrat de la boue envahit le massif aux alentours du puits.Only the filtrate of the mud invades the massif around the well.
Ce cake est partiellement imperméable. On admet que ce cake comprend deux parties : l'une externe, que l'on peut enlever comme une croûte collée à la peau et l'autre interne, qui est en fait une pollution des premiers millimètres du réseau poreux. I1 y a une chute de pression à la paroi. This cake is partially waterproof. It is accepted that this cake comprises two parts: one external, which can be removed as a crust glued to the skin and the other internal, which is in fact a pollution of the first millimeters of the porous network. There is a pressure drop at the wall.
La boue, par la pression qu'elle applique à la paroi, exerce un soutènement de la roche. Compte-tenu du phénomène de filtration précédement cité, ce soutènement n'est efficace que si il y a une différence entre la pression de la boue dans le puits, et la pression du fluide dans les pores de la roche, à la paroi. C'est le rôle du cake que de rendre efficace cette pression appliquée par la boue par la création d'une chute de pression à la paroi. The mud, by the pressure which it applies to the wall, exerts a support of the rock. Given the filtration phenomenon mentioned above, this support is effective only if there is a difference between the pressure of the sludge in the well, and the pressure of the fluid in the pores of the rock, to the wall. It is the cake's role to make this pressure applied by the mud effective by creating a pressure drop at the wall.
Mais quelle est cette chute de pression ? Et donc quelle pression de pore à la paroi prendre ? D'autres phénomènes tels les effets de viscosité et de capillarité entrent en jeu, rendant difficile toute hypothèse. But what is this pressure drop? And so what pore pressure to the wall take? Other phenomena such as viscosity and capillarity effects come into play, making any hypothesis difficult.
I1 faut donc concevoir des essais de comportement mécanique sur des échantillons de roche ou carottes qui permettent de tenir compte de - cette pression réelle de confinement à la paroi.Ce que ne connaît pas l'art antérieur. It is therefore necessary to design tests of mechanical behavior on rock samples or cores that allow to take into account - this real pressure confinement to the wall.That is not known in the prior art.
Selon cet art antérieur on connaît un appareil et une méthode de mesure de la résistance à la compression d'un échantillon de roche. According to this prior art, there is known an apparatus and a method for measuring the compressive strength of a rock sample.
L'appareil comprend principalement trois éléments une cellule dite triaxiale, un moyen d'application d'une charge et un moyen de production d'une pression de confinement d'un fluide, c'est-à-dire d'un fluide entourant la surface latérale de l'échantillon. The apparatus mainly comprises three elements, a so-called triaxial cell, a means for applying a charge and a means for producing a confining pressure of a fluid, that is to say a fluid surrounding the lateral surface of the sample.
L'échantillon de roche à tester est placé à l'intérieur de la cellule dans laquelle est appliquée la pression fluide de confinement. Il est enveloppé sur toute sa surface libre d'une chemise flexible imperméable de manière à éviter toute pénétration du fluide de confinement dans la roche testée. I1 est également inserré entre deux plateaux d'acier respectivement à son extrémité supérieure et à son extrémité inférieure
La cellule est placée sur la table d'une presse pour l'application d'une charge axiale sur l'échantillon par l'intermédiaire d'un piston. La pression de confinement dans la cellule, qui s'exerce sur la paroi latérale de l'échantillon, est obtenue par un circuit de fluide de confinement (réservoir, pompe, conduits d'arrivée et de sortie du fluide dans la cellule).The rock sample to be tested is placed inside the cell in which the confining fluid pressure is applied. It is wrapped over its entire free surface with a flexible waterproof jacket so as to prevent any penetration of the containment fluid in the rock tested. It is also inserted between two steel trays respectively at its upper end and at its lower end.
The cell is placed on the table of a press for the application of an axial load on the sample by means of a piston. The confining pressure in the cell, which is exerted on the side wall of the sample, is obtained by a confinement fluid circuit (reservoir, pump, fluid inlet and outlet pipes in the cell).
L'échantillon de roche à tester, de forme cylindrique circulaire, aux surfaces d'extrémités unies et lisses, est assemblé entre les plateaux d'acier, puis enveloppé sur toute sa paroi latérale de la chemise souple imperméable. La cellule est emplie de fluide de confinement, l'air s'échappant par un purgeur qui est ensuite obturé. La cellule est ensuite placée sur la table de la presse. Une fois que la pression de confinement est appliquée, on accroît la charge axiale jusqu'à la rupture de l'échantillon. Ce test permet de connaître la résistance à la compression de la roche pour chaque valeur de la pression de confinement, la relation entre la pression de confinement et cette résistance à la compression, l'angle de friction interne w et une valeur de la cohésion apparente C au sens de la théorie des ruptures de
Coulomb.The rock sample to be tested, of circular cylindrical shape, with plain and smooth end surfaces, is assembled between the steel plates and then wrapped over its entire side wall of the impervious flexible jacket. The cell is filled with containment fluid, the air escaping through a trap which is then closed. The cell is then placed on the press table. Once the confining pressure is applied, the axial load is increased until the sample is broken. This test makes it possible to know the compressive strength of the rock for each value of the confining pressure, the relation between the confining pressure and this compressive strength, the internal friction angle w and a value of the apparent cohesion. C in the sense of the theory of breaks in
Coulomb.
Selon une telle procédure d'essai, relativement classique, l'échantillon est recouvert d'une chemise souple imperméable ou membrane. Celle-ci empeche la pénétration du fluide de confinement dans l'échantillon. Elle permet donc de bien dissocier les influences de la pression de confinement et de la pression de pore sur la valeur de la charge axiale provoquant la rupture par compression. According to such a relatively standard test procedure, the sample is covered with an impermeable flexible jacket or membrane. This prevents the penetration of the containment fluid into the sample. It thus makes it possible to well separate the influences of the confining pressure and the pore pressure on the value of the axial load causing the compression failure.
Mais un tel dispositif et une telle procédure ne rendent pas compte du phénomène réel à la paroi figuré principalement par la présence du cake. Ce test permet de caractériser conventionnellement la roche d'un point de vue mécanique. I1 permet en particulier de connaître l'accroissement de la résistance sous l'effet d'une augmentation de la pression de confinement. Mais il ne suffit pas pour connaître la pression de confinement efficace appliquée par la boue percolante à la paroi. But such a device and such a procedure do not account for the actual phenomenon in the wall, which is mainly represented by the presence of the cake. This test makes it possible conventionally to characterize the rock from a mechanical point of view. In particular, it makes it possible to know the increase in resistance under the effect of an increase in the confining pressure. But it is not enough to know the effective confining pressure applied by the percolating sludge to the wall.
On connaît par ailleurs l'essai dit de filtration dynamique selon lequel la boue de forage est mise en circulation parallèlement à la paroi percolante de l'échantillon, et le flot de boue érode continuellement le cake qui se forme, c'est-à-dire la phase solide de la boue dotée d'une faible perméabilité qui se depose sur la paroi pour constituer une barrière aux pressions. Cet essai est relativement représentatif de la filtration réelle en paroi d'un puits. Les vitesses de circulation sont adaptées de façon à se rapprocher dans l'essai des conditions d'écoulement de la boue en paroi de puits.Et si on peut effectivement envisager de mesurer des pressions de pore dans la roche, derrière le cake externe, on ne sait pas, en définitive quelle valeur prendre dans le calcul du soutènement efficace ; c'est enfin un test qui n'a de sens que sur les roches dont la perméabilité permet la filtration. The so-called dynamic filtration test is also known in which the drilling mud is circulated parallel to the percolating wall of the sample, and the stream of mud continuously erodes the cake that is formed, that is to say say the solid phase of sludge with low permeability that settles on the wall to provide a barrier to pressure. This test is relatively representative of the actual filtration at the wall of a well. The circulation velocities are adapted so as to be closer in the test of the conditions of flow of the mud at the wall of a well. And if one can indeed envisage to measure pore pressures in the rock, behind the external cake, one does not know, in the end what value to take in the calculation of effective support; it is finally a test that only makes sense on rocks whose permeability allows filtration.
On connaît également l'essai dit de simulation de forage. C'est un essai pratiqué soit sur un cylindre creux de roche à tester pourvu d'un petit trou préalablement foré selon l'axe, soit sur un banc de forage sur lequel la roche est foree avec de la boue sous contrainte. Les échantillons sont soumis à une contrainte externe. Ils peuvent être cylindriques ou prismatiques. Dans tous les cas, la boue sous pression est placée dans le forage axial et est directement au contact de la roche forée. On recherche alors la rupture de la paroi du petit forage, en modifiant un des chargements, soit la pression de boue, soit la contrainte appliquée sur les faces externes de l'échantillon.Si cet essai permet de caractériser, en relatif, l'effet du confinement exercé par la boue il ne permet pas de le quantifier parce que la distribution des contraintes dans l'échantillon test n'est pas homogène et que si on connaît les valeurs des chargements appliqués aux surfaces de l'échantillon, à la rupture, on ne connaît pas la veritable valeur de la contrainte à la paroi, qui a permis de rompre la roche. The so-called drilling simulation test is also known. This is a test carried out either on a hollow cylinder of rock to be tested provided with a small hole previously drilled along the axis, or on a drill rig on which the rock is drilled with mud under stress. Samples are externally stressed. They can be cylindrical or prismatic. In all cases, the slurry under pressure is placed in the axial borehole and is directly in contact with the drilled rock. The rupture of the wall of the small borehole is then sought by modifying one of the loadings, either the mud pressure, or the stress applied to the external faces of the sample. If this test makes it possible to characterize, in relative terms, the effect the confinement exerted by the sludge does not make it possible to quantify it because the distribution of the stresses in the test sample is not homogeneous and if the values of the loadings applied to the surfaces of the sample are known, at break, we do not know the true value of the constraint at the wall, which made it possible to break the rock.
Aucun de ces essais ne permet de mesurer la pression de confinement effective, celle-ci étant la différence entre la pression de boue, connue, et la pression de pore dans la roche à la paroi contrôlant la rupture. None of these tests makes it possible to measure the effective confining pressure, which is the difference between the known mud pressure and the pore pressure in the rock at the wall controlling the rupture.
Le but de la présente invention est de concevoir un dispositif et un procédé permettant de mesurer directement et globalement la valeur de ce confinement effectif vis à vis de la valeur de rupture de la roche. The object of the present invention is to design a device and a method for measuring directly and globally the value of this effective confinement with respect to the fracture value of the rock.
Pour atteindre ce but, le dispositif d'essai selon l'invention comprend
- une enceinte dans laquelle est disposé l'échantillon à tester relié par ses deux surfaces d'extrémité à un moyen d'application d'une contrainte mécanique donnée,
- des moyens pour faire circuler dans ladite enceinte un fluide de confinement à une pression donnée, ledit fluide étant en contact direct avec la surface latérale dudit échantillon et filtrant à travers l'échantillon de ladite surface latérale vers les surfaces d'extrémité,
- des moyens permettant le drainage du fluide filtré à partir desdites surfaces d'extrémité, et des moyens pour la mesure dudit fluide filtré et draine.To achieve this goal, the test device according to the invention comprises
an enclosure in which the test sample connected by its two end surfaces is arranged to a means for applying a given mechanical stress,
means for circulating in said enclosure a confining fluid at a given pressure, said fluid being in direct contact with the lateral surface of said sample and filtering through the sample from said lateral surface towards the end surfaces,
means for draining the filtered fluid from said end surfaces, and means for measuring said filtered fluid and drains.
On notera que, de manière tout à fait nouvelle, l'échantillon est en contact direct par toute sa surface latérale avec le fluide de confinement, mis en circulation. It will be noted that, in a completely new way, the sample is in direct contact through its entire lateral surface with the circulating fluid.
De façon préférentielle, il est prévu dans l'enceinte une embase inférieure et une embase supérieure entre lesquelles est placé l'échantillon, la liaison entre l'échantillon et chaque embase étant isolée du fluide de confinement par une portion de membrane enserrant ladite liaison et seulement ladite liaison de manière à laisser en contact direct avec le fluide de confinement la plus grande partie de la surface latérale de l'échantillon. Preferably, there is provided in the enclosure a lower base and an upper base between which is placed the sample, the connection between the sample and each base being isolated from the confinement fluid by a portion of membrane enclosing said connection and only said connection so as to leave in direct contact with the confinement fluid the greater part of the lateral surface of the sample.
Les surfaces d'extrémité de l'échantillon sont séparées des surfaces correspondantes des embases inférieure et supérieure par une rondelle en matière plastique ou matière équivalente de manière à assurer l'étanchéité de contact vis-à-vis du fluide de confinement, ladite rondelle étant percée de petits trous pour autoriser le drainage du fluide filtré. The end surfaces of the sample are separated from the corresponding surfaces of the lower and upper bases by a plastic washer or equivalent material so as to ensure contact sealing vis-à-vis the confinement fluid, said washer being pierced with small holes to allow drainage of the filtered fluid.
Un circuit complet de fluide de confinement, d'application de ce fluide directement sur la face latérale de l'échantillon, de mise sous pression donnée dudit circuit et de mise en circulation à un débit donné est prévu. A complete circuit for containment fluid, for applying this fluid directly on the lateral face of the sample, for putting the circuit under pressure and for putting it into circulation at a given flow rate is provided.
Est également prévu un circuit de drainage du fluide filtrant l'échantillon et drainé avec des moyens de mesure de cette filtration. Also provided is a draining circuit of the fluid filtering the sample and drained with means for measuring this filtration.
L'invention concerne également un procédé caractérisé par les étapes suivantes
- on place l'échantillon dans une chambre d'essai fermée, la surface latérale dudit échantillon etant libre et en contact direct avec un fluide de confinement, et les surfaces d'extrémité enserrées dans un moyen susceptible de créer une contrainte mécanique,
- on applique une pression donnée dudit fluide de confinement,
- on mesure la quantité de ce fluide filtrant en fonction du temps à partir de ladite surface latérale vers les surfaces d'extrémité dudit échantillon, pendant un temps suffisant pour permettre l'obtention d'un cake stable,
- on procède ensuite à une augmentation de la valeur de ladite contrainte mécanique, éventuellement jusqu'à la rupture de l'échantillon.The invention also relates to a method characterized by the following steps
the sample is placed in a closed test chamber, the lateral surface of said sample being free and in direct contact with a confinement fluid, and the end surfaces gripped in a means capable of creating a mechanical stress,
applying a given pressure of said confinement fluid,
the quantity of this filtering fluid as a function of time is measured from said lateral surface towards the end surfaces of said sample, for a time sufficient to allow a stable cake to be obtained,
- Then the value of said mechanical stress is increased, possibly until the sample is broken.
De façon préférentielle, une sélection de boue de forage adaptée peut être obtenue en répétant les étapes cidessus avec différentes boues et différentes valeurs de la pression de confinement. Preferably, a selection of adapted drilling mud can be obtained by repeating the above steps with different sludges and different values of the confining pressure.
La comparaison entre ce test réalisé sans membrane (courbe a de la figure 3) et le test de référence réalisé avec membrane (courbe b de la figure 3) permet de déterminer la pression de confinement efficace. La résistance obtenue dans un test sans membrane est, pour une valeur de la pression de confinement 63 donnée, généralement inférieure à celle obtenue lors du test avec membrane. Cela est lié au phénomène de filtration décrit ci-dessus. Cette résistance plus plus faible a par contre été obtenue pour une valeur plus faible de la pression de confinement lors du test de référence. C'est la pression efficace de soutènement directement mesurée. The comparison between this test carried out without a membrane (curve a of FIG. 3) and the reference test carried out with membrane (curve b of FIG. 3) makes it possible to determine the effective confinement pressure. The resistance obtained in a test without membrane is, for a given value of the confining pressure 63, generally lower than that obtained during the membrane test. This is related to the filtration phenomenon described above. On the other hand, this lower resistance was obtained for a lower value of the confining pressure during the reference test. It is the effective pressure of support directly measured.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif de l'objet de l'invention, accompagné du dessin dans lequel la figure I est une représentation schématique des moyens de l'essai. Other features and advantages of the invention will appear in the following description of a non-limiting embodiment of the object of the invention, accompanied by the drawing in which Figure I is a schematic representation of the means of the invention. 'trial.
La figure 2 est une représentation de la pression de pore à la paroi en présence d'un cake. Figure 2 is a representation of the pore pressure at the wall in the presence of a cake.
Un échantillon cylindrique de la roche à tester, de référence 1, ayant ete préalablement saturé du fluide caractéristique du fluide de pore en place, est placé dans la cellule triaxiale, de référence générale 2. A cylindrical sample of the rock to be tested, reference 1, having previously been saturated with the characteristic fluid of the pore fluid in place, is placed in the triaxial cell, of general reference 2.
La cellule triaxiale comprend un corps cylindrique creux 19 à large paroi, une tête 20 et un chapeau 5, l'ensemble délimitant une chambre d'essai fermée 22. The triaxial cell comprises a hollow cylindrical body 19 having a large wall, a head 20 and a cap 5, the assembly delimiting a closed test chamber 22.
L'échantillon à tester est placé dans cette chambre d'essai, en appui sur une embase inférieure 23 et sous la pression d'un piston ou embase supérieure 4, mobile en translation verticale, selon la direction axiale de l'échantillon, susceptible de transmettre la poussée d'une tête de presse représentée seulement par la flèche P. The sample to be tested is placed in this test chamber, resting on a lower base 23 and under the pressure of a piston or upper base 4, movable in vertical translation, in the axial direction of the sample, capable of transmit the thrust of a press head represented only by the arrow P.
L'échantillon 1 est sépare de l'embase inférieure 23 et de l'embase supérieure ou piston 4 par une rondelle 15, de téflon par exemple, de manière à parfaire l'étanchéité de contact vis-à-vis de la boue circulante dans la chambre d'essai 22. Ces rondelles sont percées de petits trous de diamètre voisin de lmm de manière à permettre le drainage de l'échantillon. The sample 1 is separated from the lower base 23 and the upper base or piston 4 by a washer 15, Teflon for example, so as to complete the sealing of contact vis-à-vis the mud circulating in the test chamber 22. These washers are pierced with small holes of diameter close to 1 mm so as to allow the drainage of the sample.
Seules les deux extrémités de l'échantillon cylindrique 1 sont recouvertes sur leur circonférence par une portion de membrane, une portion 3a pour l'extrémité inférieure et une portion 3b pour l'extrémité supérieure. Ces deux portions de membrane sont maintenues sur l'échantillon par un joint de type "serflex", elles maintiennent l'échantillon entre les deux pistons tout en empêchant les infiltrations de boue entre ceux-ci et les faces d'extrémité de l'échantillon forçant ainsi le fluide de confinement à filtrer à travers l'échantillon. Only the two ends of the cylindrical sample 1 are covered on their circumference by a membrane portion, a portion 3a for the lower end and a portion 3b for the upper end. These two membrane portions are held on the sample by a "serflex" type joint, they hold the sample between the two pistons while preventing the infiltration of sludge between them and the end faces of the sample. thereby forcing the containment fluid to filter through the sample.
Le corps 19 de la cellule triaxiale est muni de deux orifices pour la circulation de boue à l'intérieur de la chambre d'essai. Un premier orifice 6 relie la chambre 22 à une cellule à boue ou reservoir de fluide à tester, de référence 8, au moyen d'une conduite 7. Cette boue à tester est introduite dans la chambre d'essai 22 au travers d'une conduite 24, d'une pompe de circulation 9, par l'orifice d'entrée 25. The body 19 of the triaxial cell is provided with two orifices for the circulation of sludge inside the test chamber. A first orifice 6 connects the chamber 22 to a sludge cell or fluid reservoir to be tested, reference 8, by means of a pipe 7. This sludge to be tested is introduced into the test chamber 22 through a pipe 24, of a circulation pump 9, through the inlet orifice 25.
Ce circuit de boue peut être mis sous pression. On utilise pour cela de l'azote sous pression (représenté seulement par la conduite d'admission 10) régulé par un détendeur 11 qui permet d'appliquer la pression désirée dans le réservoir de fluide 8. On mesure cette pression à l'aide d'un manomètre 12 placé sur le réservoir. Un autre manomètre non représenté sur le schéma peut être aussi utilisé pour mesurer directement la pression de la boue dans la cellule. This sludge circuit can be pressurized. For this purpose nitrogen is used under pressure (represented only by the intake pipe 10) regulated by a pressure reducer 11 which makes it possible to apply the desired pressure in the fluid reservoir 8. This pressure is measured with the aid of a manometer 12 placed on the tank. Another manometer not shown in the diagram can also be used to directly measure the pressure of the sludge in the cell.
Afin d'éviter les pulsations, un amortisseur hydraulique 13 est disposé sur le circuit après la pompe . I1 est soumis à la même pression d'azote que le réservoir 8.To avoid pulsations, a hydraulic damper 13 is disposed on the circuit after the pump. It is subjected to the same nitrogen pressure as the tank 8.
La cellule triaxiale 2 est placée sous une presse permettant d'exercer une force importante P sur le piston ou embase supérieure 4. Les plateaux de la presse sont mis en contact avec le piston par l'application d'une très faible force. The triaxial cell 2 is placed under a press for exerting a large force P on the upper piston or base 4. The plates of the press are brought into contact with the piston by the application of a very weak force.
Le circuit de boue est purgé. The mud circuit is purged.
L'embase inférieure 23 et l'embase supérieure ou piston 4 sont percés de conduits dits conduits de drainage, respectivement 26 et 27 connectés à un circuit de drainage, représenté principalement par les conduites extérieures à la cellule triaxiale, de référence 14 a et 14 b. Ces deux conduites aboutissent à un dispositif de mesure de flux filtrant 16, le drainage pouvant être mis en marche par l'action de vannes 17a et 17b. Un manomètre non représenté sur le schéma peut être installé sur ce circuit de drainage. The lower base 23 and the upper base or piston 4 are pierced with conduits known as drain ducts 26 and 27, respectively, connected to a drainage circuit, represented mainly by the pipes outside the triaxial cell 14a and 14a. b. These two pipes result in a filter flow measuring device 16, the drainage can be turned on by the action of valves 17a and 17b. A pressure gauge not shown in the diagram can be installed on this drainage circuit.
Les faces de l'embase inférieure 23 et du piston 4, en contact avec l'échantillon de roche à tester 1, sont usinées d'un réseau de gorges en forme de toile d'araignée afin d'améliorer le drainage.Il est possible également de pratiquer dans l'échantillon un micro-forage axial afin de régulariser le drainage de l'échantillon. Une telle mesure est importante pour les roches peu perméables. The faces of the lower base 23 and the piston 4, in contact with the rock sample to be tested 1, are machined from a network of grooves in the form of a spider web in order to improve the drainage.It is possible also to practice in the sample an axial micro-drilling in order to regularize the drainage of the sample. Such a measure is important for low permeability rocks.
Le déroulement d'une séquence de test est le suivant: l'échantillon 1, équipé de ses membranes à collier "serflex" et de ses rondelles de téflon intermédiaires, est mis en place dans la chambre d'essai 22. Celle-ci après avoir été partiellement remplie de boue, est fermée par le vissage du chapeau 5 traversé par le piston 4. La cellule est alors mise en place sur la table de la presse et on applique immédiatement une force de- 5 kN par l'intermédiaire du piston. Cette application de force est nécessaire pour que la poursuite du remplissage de la cellule avec de la boue et sa mise en pression ne provoquent pas la fuite de boue entre l'échantillon et les embases. On achève alors le remplissage de la cellule par actionnement de la pompe de circulation 9 les circuits de drainage 14 sont remplis et purgés. On applique ensuite une pression de confinement en mettant le circuit de boue sous pression d'azote, l'effort de 5 kN étant maintenu. Cette pression de confinement sera exercée pendant un temps tc avant l'augmentation du déviateur de contrainte par la force P qui débouchera sur la rupture. Pendant ce temps tc, il y a écoulement de la boue à travers l'échantillon, vers chacune de ses deux faces qui sont drainées. The sequence of a test sequence is as follows: sample 1, equipped with its "serflex" collar membranes and its intermediate teflon washers, is put into place in the test chamber 22. This after have been partially filled with sludge, is closed by screwing the cap 5 crossed by the piston 4. The cell is then placed on the table of the press and immediately applies a force of 5 kN via the piston . This application of force is necessary so that the continued filling of the cell with mud and its pressurization does not cause the escape of mud between the sample and the bases. The filling of the cell is then completed by actuation of the circulation pump 9, the drainage circuits 14 are filled and purged. A confining pressure is then applied by putting the sludge circuit under nitrogen pressure, the stress of 5 kN being maintained. This confining pressure will be exerted for a time tc before the increase of the stress deviator by the force P which will lead to the rupture. During this time tc, there is flow of the sludge through the sample, towards each of its two faces which are drained.
La partie solide de la boue constituera un cake sur le pourtour de l'échantillon. Le débit de filtrat à la sortie du circuit de drainage est enregistré à l'aide d'une balance et d'une base de temps (référence schématisée 16). The solid part of the sludge will form a cake around the edge of the sample. The filtrate flow at the outlet of the drainage circuit is recorded using a scale and a time base (schematic reference 16).
On obtient une courbe donnant le débit en fonction du temps. A curve giving the flow as a function of time is obtained.
La durée de la filtration tc peut être limitée au temps nécessaire à l'établissement d'un régime "pseudo permanent" de la filtration mesurée, indiquant qu'un cake stable s'est formé. I1 peut être aussi simplement un paramètre indiquant le temps de contact entre la boue et la roche, c'est notamment le cas lorsqu'on teste des roches de faible perméabilité, par exemple des argilites. The duration of the filtration tc may be limited to the time required to establish a "pseudo permanent" regime of the measured filtration, indicating that a stable cake has formed. It can also be simply a parameter indicating the contact time between the mud and the rock, this is particularly the case when testing rocks of low permeability, for example argillites.
La force axiale est alors augmentée progressivement selon des procédures connues dans l'essai de cisaillement triaxial. La déformation axiale est mesurée à l'aide d'un capteur de déplacement 18, situé à l'extérieur de la cellule. The axial force is then gradually increased according to known procedures in the triaxial shear test. The axial deformation is measured using a displacement sensor 18, located outside the cell.
Les déformations peuvent aussi être mesurées dans les directions axiale et radiale à l'aide de capteurs placés dans la cellule, dans la mesure où ces dispositifs sont correctement isolés du fluide de forage pouvant être conducteur.La force est augmentée jusqu'à la rupture de l'échantillon comme dans un essai classique.The deformations can also be measured in the axial and radial directions by means of sensors placed in the cell, insofar as these devices are correctly isolated from the drilling fluid which can be conductive. The force is increased until the rupture of the sample as in a conventional test.
On démonte ensuite la cellule et l'échantillon testé est décrit. The cell is then disassembled and the tested sample is described.
L'essai de rupture qui est décrit ici est un essai de résistance à la compression, mais la présente invention s'applique également à tout autre essai de rupture, comme par exemple l'extension, la traction directe ou la traction brésilienne. The fracture test which is described here is a compressive strength test, but the present invention is equally applicable to any other fracture test, such as, for example, extension, direct traction or brazilian traction.
L'essai décrit est réalisé à température ambiante mais il peut être aussi fait en modifiant la température. The described test is carried out at room temperature but it can also be done by changing the temperature.
Le fluide de confinement décrit est de préférence de la boue de forage, qu'il s'agit de mettre en circulation pour maintenir la suspension des particules, et simuler le dépôt de cake, mais le principe de l'essai est applicable à tout autre fluide, utilisé en contact d'un matériau poreux, comme un fluide de complétion, et qu'il est nécessaire de mettre en circulation afin de rendre l'essai représentatif. The containment fluid described is preferably drilling mud, it is to circulate to maintain the suspension of the particles, and simulate the deposit of cake, but the principle of the test is applicable to any other fluid, used in contact with a porous material, such as a completion fluid, and that it is necessary to circulate in order to make the test representative.
L'essai est aussi particulièrement adapté pour mesurer le soutènement efficace dans le cas de roches peu perméables, comme par exemple des argilites. Dans ce cas on ne mesure pas de débit filtrant. The test is also particularly suitable for measuring effective support in the case of low permeability rocks such as argillites. In this case no flow rate is measured.
Le cas échéant, la boue peut être laissée sans circulation pour simuler des filtrations statiques. If necessary, the sludge can be left without circulation to simulate static filtrations.
Sur le dessin de la figure 2 est illustré le phénomène de formation de cake à la paroi d'un puits, par exemple. Comme déjà rappelé ci-dessus, la boue de forage filtre à travers la surface du trou et une partie de sa phase solide, peu perméable, se dépose sur une épaisseur faisant ainsi une barrière aux pressions. In the drawing of Figure 2 is illustrated the phenomenon of cake formation at the wall of a well, for example. As already mentioned above, the drilling mud filters through the surface of the hole and a part of its solid phase, which is not very permeable, settles over a thickness thus making a barrier to pressure.
Cette barrière n'est pas totale comme dans le cas de la courbe référencée (c) où l'on a représenté la valeur de pression de boue Pb à la pression de pore dans le massif loin du puits PG. C'est la représentation de l'essai avec échantillon sous chemise imperméable. This barrier is not complete as in the case of the curve referenced (c) where the sludge pressure value Pb is represented at the pore pressure in the solid mass away from the PG well. This is the representation of the test with sample under waterproof jacket.
La courbe référencée (a) illustre un cas opposé où la pression de pore à la paroi est la pression de boue : tout se passe sans formation de cake. Comme la première hypothèse, cette seconde ne correspond pas à la réalité. The curve referenced (a) illustrates an opposite case where the pore pressure at the wall is the mud pressure: everything happens without cake formation. Like the first hypothesis, this second does not correspond to reality.
Dans la pratique, la formation du cake dans le trou de rayon rO va donner une valeur de pression de pore à la paroi comprise entre PG et
On peut résumer l'action du cake en indiquant que la valeur réelle de la pression de pore à la paroi (ou pression effective de confinement) que l'on peut appeler Pp est la suivante
Pp =PG + h (Pb - Pg)
avec O < h < l
Ce coefficient h est appelé coefficient d'efficacité du cake. Il peut être inséré directement dans des modèles de calcul de la stabilité de la paroi du puits.In practice, the formation of the cake in the hole radius rO will give a pore pressure value to the wall between PG and
The action of the cake can be summarized by indicating that the real value of the pore pressure at the wall (or effective confinement pressure) that can be called Pp is as follows
Pp = PG + h (Pb-Pg)
with O <h <l
This coefficient h is called the coefficient of efficiency of the cake. It can be inserted directly into models for calculating the stability of the well wall.
I1 a également un sens dans le cas de roche peu perméable. Si le cake n'a pas de réalité physique, faute de filtration, il y a toutefois une chute de pression, liée a divers phénomènes comme, par exemple, la capillarité ou viscosité, que cet essai permet d'évaluer. C'est une sorte de cake fictif. It also makes sense in the case of low permeability rock. If the cake has no physical reality, lack of filtration, there is however a pressure drop, related to various phenomena such as, for example, the capillarity or viscosity, that this test can evaluate. It's a kind of fictional cake.
L'essai décrit ci-dessus, en reproduisant les phénomènes de paroi, c'est-à-dire la formation du cake,qu'il soit réel ou fictif, permet d'appréhender d'une manière beaucoup plus proche de la réalité, l'effet de soutènement exercé par la boue sur la paroi. The test described above, by reproducing the phenomena of the wall, that is to say the formation of the cake, whether real or fictional, makes it possible to apprehend in a manner much closer to reality, the retaining effect exerted by the mud on the wall.
Dans le cas de roches peu perméables, il n' y a pas de filtration donc pas de mesure de cake, mais la durée du contact entre la boue et la roche, préalable à l'essai de rupture, permet de mesurer des effets d'altération progressifs, soit de la roche soit de la pression de confinement effective. In the case of low permeability rocks, there is no filtration and therefore no measure of cake, but the duration of the contact between the mud and the rock, prior to the rupture test, makes it possible to measure the effects of progressive alteration, either of the rock or of the effective confining pressure.
Le fluide saturant initialement la roche peut être différent du fluide filtrant. Cette méthode permet également d'évaluer le comportement mécanique des roches selon la composition du fluide saturant, notamment ce qui résulte du déplacement du fluide saturant initialement déplacé par le fluide filtrant. The initially saturating fluid rock may be different from the filter fluid. This method also makes it possible to evaluate the mechanical behavior of the rocks according to the composition of the saturating fluid, in particular what results from the displacement of the saturating fluid initially displaced by the filtering fluid.
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