Cellule pétroacoustique

III.5.1.1. Description de la cellule

La cellule pétroacoustique permet de mesurer les vitesses de propagation des ondes acoustiques sur des échantillons rocheux soumis à un confinement isotrope (Figure III-32) pouvant atteindre 70 MPa. La pression de pore peut être contrôlée jusqu'à 4 MPa. Pour faire varier la température, on utilise soit un collier de résistances électriques chauffantes soit une gaine remplie de carboglace. On peut faire varier la température au sein de la cellule dans une gamme allant de -40°C à 85°C. Un thermocouple mesure la température au sein de la cellule.

Les embases support de l'échantillon sont drainantes pour l'application d'une pression de pore, et équipées de transducteurs ultrasoniques pour la mesure du temps de transit. Chaque transducteur est en demi-lune (moitié pour les ondes P et l'autre pour les ondes S) et peut jouer le rôle d'émetteur comme celui de récepteur. Les transducteurs possèdent une fréquence centrale de 500 kHz. L'émetteur est activé par un générateur de signal électrique et les signaux sont visualisés sur un oscilloscope numérique et enregistrés ensuite avec un logiciel sous Labview. L'ensemble du dispositif expérimental et des asservissements avec la cellule pétroacoustique est présenté sur le Figure III-33.

Figure III-32. Cellule pétroacoustique.

Figure III-33. Ensemble du dispositif expérimental avec la cellule pétroacoustique. III.5.1.2. Procédure expérimentale

Le montage d'un essai en cellule pétroacoustique doit suivre une procédure stricte, car en changeant la température et la pression dans une large gamme plusieurs types de problèmes peuvent survenir: perte des signaux acoustiques à cause d'un mauvais couplage entre les transducteurs et l'échantillon, perçage de membrane, fuites, bulles d'air piégées, etc.

La saturation en eau et en glycérol est effectuée en place après le montage des échantillons sur la cellule (la saturation en bitume est réalisée avant comme expliqué précédemment).

Avant tout essai, un certain nombre de vérifications préliminaires sont indispensables: les capteurs acoustiques de la cellule sont vérifiés en priorité, un par un puis les deux ensemble. L’embase inférieure est nettoyée, essuyée car la présence de grains pourrait provoquer des fuites. Tous les tuyaux, les connexions ainsi que les pierres poreuses doivent être soigneusement séchés à l’air comprimé. Toutes les vannes et connexions sont serrées et vérifiées. Au niveau des équipements annexes, la pompe de pore doit être emplie avec le

fluide correspondant: eau ou glycérol pour les essais avec du bitume dans les pores (sables bitumineux naturels ou échantillons reconstitués saturés avec le bitume), glycérol pour les essais de roche saturée avec le glycérol. L'ordinateur et l’oscilloscope doivent être également vérifiés.

Les échantillons cylindriques font 38 mm de diamètre et de 30 à 76 mm de longueur. Comme dans toute cellule triaxiale classique, ils sont confinés dans une membrane en Viton qui prend appui sur les embases inférieures et supérieures et assure l’étanchéité. L'installation des pistons doit respecter l'alignement car les ondes S sont polarisées. La mise en place d'une couche fine de résine au niveau des contacts entre l'échantillon et les pistons supérieur et inférieur sert à améliorer la transmission des signaux dans la roche.

Les échantillons de sable bitumineux naturels sont déposés en l'état, puis on applique un vide poussé sur les circuits de pression de pore. L'espace dégagé est alors saturé avec du glycérol ou de l'eau. La même procédure a été adoptée pour les échantillons reconstitués saturés avec du bitume.

Pour saturer les échantillons de sable cimenté artificiellement avec de l'eau et du glycérol, on applique préalablement un vide poussé dans tous les circuits de pore et dans l’échantillon qu’on sature ensuite avec le fluide approprié. Pour assurer une bonne saturation, le débit d’injection est choisi suffisamment petit, notamment dans le cas du glycérol (de l'ordre de ml par heure). Un échantillon reconstitué typique dont la longueur est d'environ 50 mm possède une volume poreux d'environ 20 ml et il faut au moins une demi-journée pour le remplir. Compte tenu de la forte viscosité du glycérol, la cellule est chauffée à 40°C pendant la saturation. Les fluides saturants sont mis en circulation pendant au moins deux jours jusqu'à ce que les bulles d’air dans les espaces poreux disparaissent et pour que la stabilisation des signaux soit établie. Le coefficient de Skempton B est également contrôlé en fermant le drainage des circuits de pore, en augmentant la pression de confinement et en mesurant la pression de pore induite. Les valeurs importantes (de l'ordre de 0,9) obtenues montrent une bonne saturation.

Les vitesses de propagation des ondes acoustiques ont été généralement mesurées tous les 5°C. Entre 20°C et 85°C, la température est contrôlée par un asservissement sur les colliers chauffants. Les mesures ne sont effectuées qu’après la stabilisation thermique qui entraîne la stabilisation des pressions ainsi que la stabilisation des signaux. Pour les valeurs de températures négatives (-60 à +20°C), on ne sait imposer qu'une seule température extérieure, celle du carboglace à -80 °C. Le régime thermique à l'intérieur de la cellule n'atteint l'équilibre que vers – 60°C. Les mesures sont effectuées en se basant sur la température mesurée dans le fluide de confinement. On sait alors que la température dans l'échantillon est supérieure à cette valeur pendant la phase de refroidissement et inférieure pendant la phase de retour à la température ambiante lorsqu'on enlève la ceinture de carboglace.

Avec le dispositif utilisé initialement, les pressions de confinement et la pression de pore étaient maintenues constantes manuellement par l'opérateur. Des pompes asservies ont été installées depuis. Les déformations de l'échantillon ne sont pas enregistrées. Cependant, puisque nos échantillons sont principalement constitués de grains de quartz et puisque le coefficient de dilatation thermique de ces derniers est faible (35×10-6 °C-1 à 20°C et 50×10-6 °C-1 à 225°C, d'après Clark, 1966), nous avons négligé la dilatation thermique du squelette en condition drainée.