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PARTIE IV ARCHITECTURE DES MILIEUX POREUX VISUALISATION ET

IV 5 Résultats qualitatifs :Visualisation du milieu poreux

Lors de l'observation de lames minces, nos faciès sédimentaires se distinguent grossièrement en deux sous réseaux, l'un étant grossier (macroporeux), et l'autre fin (microporeux). Ce dernier, malgré sa finesse, est observable par microscopie optique de manière détournée : en effet, il est repérable par la coloration de la résine qui a pénétré au sein des zones microporeuses.

IV 5.1 Un unique réseau poreux : 1 'exemple du faciès Orgon.

Le faciès Orgon (ou R5) est composé d'un seul milieu microporeux. L'observation des répliques par microscopie électronique nous fournit de précieuses informations quant à la morphologie de ce réseau.

Elle sera d'ailleurs identique dans les quatre faciès sédimentaires sélectionnés. La Fig. 42 rend compte de l'étendue majeure de cette rnicroporosité conservant les morphologies originelles de foraminifères et de péloides. D'aspect homogène, différents types de porosités peuvent se distinguer non au niveau de leur morphologie mais plutôt de leur environnement direct. Du point de vue pétrophysique, Orgon pourrait être défini comme des amas de feuillets micrométriques à inframicrométriques (porosité intragranulaire et intercristalline entre les grains de mi cri te), reliés entre eux par des ponts légèrement plus épais (porosité intergranulaire et intercristalline entre les cristaux de sparite, Fig. 43). Il apparaît parfois quelques zones légèrement dissoutes générant une porosité moldique mais les occurrences sont rares. La Fig. 44 schématise la description sus-jacente. Visualisé par microtomographie RX, Orgon apparaît comme un milieu homogène composé d'un réseau dense (Fig. 45 et Fig. 46). Les limites de la résolution (0. 7 um) ne permettent pas de distinguer distinctement chaque type de porosité observé par microscopie électronique. L'extraction de facteurs descriptifs du milieu poreux à partir de ces images sera donc partielle et limitée à la fraction la plus grossière. Afin de visualiser le type de morphologie correspondante, la Fig. 47 se focalise sur un volume restreint du réseau poreux. Les huit clichés successifs permettent d'observer les liaisons de type punctique reliant des volumes de vides plus importants. Il est nécessaire de garder à l'esprit que la partie la plus fine (feuillets) n'est pas représentée par l'imagerie 3D du fait du manque de résolution offert. Les morphologies observées sont donc une simplification de la réalité du milieu poreux (IV 3.3.2).

Fig. 42 :Réplique du faciès Orgon. La phase solide correspond au milieu poreux et la phase vide à la matière dissoute.

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-Fig. 43: Réplique du faciès Orgon. La morphologie de la fraction la plus fine du milieu poreux s'exprime sous forme de feuillets ou de structures punctiques.

Porosité intergranulaire/intercristalline entre les cristaux de micrite et/ou moldique.

Porosité intragranulaire/intercristalline entre les cristaux de micrite

Porosité intergranulaire/intercristalline

Fig. 44: Schéma représentant les différentes types de microporosités présents au sein du faciès sédimentaire Orgon.

Fig. 45: Image du réseau microporeux d'Orgon obtenue à partir d'images microtomographiques acquises à l'ESRF; a : représentation graphique de la maille polygonale; b : représentation graphique de la surface du

milieu poreux.

-CARBONATES MICROPOREUX: fNFLUENCE DE L'ARCHITECTURE DU MILIEU POREUX

Fig. 46: Image du réseau microporeux d'Orgon obtenue à partir d'images microtomographiques acquises à 1 'ESRF; a : représentation graphique de la phase solide ; b : représentation graphique de la surface du milieu

poreux.

Fig. 47: Rotation d'un agrandissement du réseau microporeux d'Orgon en 8 clichés; les cercles rouges correspondent au connexions avec le reste du réseau.

IV 5.2 Un double réseau poreux : 1 'exemple des faciès R4 et R3

Les faciès R4 et R3 sont composés de deux sous-réseaux, l'un grossier (réseau macroporeux) et l'autre fin similaire au réseau d'Orgon (réseau microporeux). La question primordiale est de savoir si les deux réseaux sont indépendants (deux réseaux à part entière) ou si un des réseaux est déconnecté et englobé dans le second (un double réseau). En effet, il paraît légitime de supposer que si la distribution des tailles de seuils de pores est uni-modale ou bi-modale la réponse aux écoulements sera différente (Masalmeh, 2004).

IV 5.2.1

Le faciès intergranulaire R4

Sur la Fig. 48, la fraction intergranulaire est difficilement discernable du reste de la porosité. Les équivalents en lumière transmise permettent de mieux comprendre la géométrie complexe du milieu.

Sur la Fig. 49 deux types de macroporosité peuvent être distingués. L'une est une porosité intergranulaire avec des pores pouvant atteindre plusieurs centaines de micromètres tandis que l'autre correspond à de grands feuillets localisés entre les cristaux du ciment sparitique c'est à dire une porosité intragranulaire et intercristalline. Une notion difficilement discernable est dégagée de cette famille de pores : en effet, malgré leur extension importante, la faible épaisseur de ces feuillets les apparenterait plutôt à la classe de la microporosité au niveau des propriétés d'écoulement. Du côté du réseau microporeux, les termes utilisés afin de définir Orgon s'appliquent à ce faciès. L'image obtenue

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par microtomographie RX où seul le réseau macroporeux est représenté indique qu'une large fraction est connectée tandis que certains pores semblent isolés ou à priori sûrement reliés par un réseau plus fin de type microporeux (Fig. 51). Les Fig. 52 Fig. 53, offrant une visualisation tridimensionnelle des morphologies types rencontrées dans la fraction macroporeuse du faciès R4, confirment les observations effectuées par l'étude des répliques.

Fig. 48: Réplique du faciès R4 avec les équivalents observés en lames minces des zones d'observation des différents types de porosités. La phase solide correspond au milieu poreux et la phase vide à la matière dissoute.

Fig. 49: Schéma représentant des différents types de macroporosité présents au sein du faciès sédimentaire R4 s'exprimant sous forme de pores (pointillés) et de feuillets.

-CARBONATES MICRO POREUX : INFLUENCE DE L'ARCHITECTURE DU MILIEU POREUX

Fig. 50: Réplique du faciès R4. La morphologie du milieu microporeux s'exprime en amas de feuillets.

Fig. 51: Image du réseau macroporeux du faciès R4 obtenue à partir d'images microtomographiques acquises à l'ESRF.

Il Il Il Il

~

c·l

Il Il Il Il

.-

~

Fig. 52: Rotation de pores (a et b) présentant une large extension (plusieurs centaines de micromètres) pour une épaisseur de quelques micromètres sur 4 clichés (indices 1 à 4); les zones vertes correspondent aux

connexions avec le reste du réseau.

ET DE LA MOUILLABILITE SUR LES ECOULEMENTS DIPHASIQUES DANS LES RESERVOIRS PETROLIERS·

Il Il Il Il

-•r.

-• -• j ~ Il Il

'~

Fig. 53 :Rotation de pores présentant une morphologie aplaties (a) et tubulaire (b) sur 4 clichés (indices 1 à 4);

les zones vertes correspondent aux connexions avec le reste du réseau.

IV 5.2.2 Le faciès vacuolaire R3

A titre d'exemple complémentaire le faciès R3 présente aussi un double réseau, où les macropores semblent "baigner" dans une matrice microporeuse (Fig. 54). La connectivité des vacuoles semble moins évidente par rapport à R4 et les données expérimentales du Chap.V définiront ce milieu comme hautement hétérogène au niveau de la macroporosité.

Fig. 54 :Réplique du faciès R3. La morphologie du milieu microporeux s'exprime en amas de feuillets associés à des vacuoles.

IV 6 Résultats quantitatifs : Acquisition des paramètres descriptifs.

IV 6.1 Répartition de la fraction poreuse à partir de l'imagerie 2D

Un milieu poreux est composé d'un macrosquelette associé à des macropores ainsi que d'une fraction microporeuse (grains de micrites associées aux micropores). Les Fig. 55 et Fig. 56 indiquent clairement l'évolution des tendances vers un pôle uniquement microporeux (R5 et Orgon). Ce dernier évolue au dépend de la macroporosité mais surtout en fonction d'une phase solide pure et cimentée qui ne représente plus qu'un tiers du faciès Orgon ou R5. L'estimation de la porosité sur ces faciès faite uniquement à partir des lames minces pourrait donc contenir une importante part d'incertitude. La prise en compte de la fraction microporeuse se révèle indispensable.

-CARBONATES MICROPOREUX: INFLUENCE DE L'ARCHITECTURE DU MILIEU POREUX

Fig. 55 :Répartition de la phase solide (macrosquelette), del 'espace macroporeux (macropores), et de la fraction microporeuse (composée des grains de micrite associés à l'espace microporeux) estimée par analyse

d'images 2D.

Fig. 56: Répartition de la porosité estimée par analyse d'images 2D entre les différents faciès.

IV 6.2 Estimation de la distribution des tailles de pores à partir de l'imagerie 2D

Compris en 0.1 et 2 um les pics de distribution des rayons de pores dans la fraction microporeuse indiquent au premier regard une certaine homogénéité et apparaît comme un point unificateur entre les faciès (Fig. 57). En affinant l'analyse certaines différences apparaissent et les échantillons provenant des affleurements de Rustrel présentent toujours une asymétrie plus prononcée que le faciès Orgon (carrière). La diagénèse météorique aurait donc tendance à hétérogénéiser le milieu poreux (accroissement de 1' écart-type) tout en conservant une réponse globale similaire. Rapportée aux

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valeurs moyennes obtenues par injection de mercure (taille moyenne des seuils de pores), une estimation du rapport tp-tsp sera présentée dans le chapitre IV 6.3.

R3

Fig. 57: Distribution, au sein de la fraction microporeuse, des rayons de pores équivalents sur les 4 faciès sédimentaires étudiés. Notez l'asymétrie liée à la diagénèse d'affleurement

IV 6.3 Estimation du rapport tp-tsp : l'association de l'imagerie 2D et des injections de mercure.

A partir de l'analyse d'images 2D et des courbes de pression capillaire issues des injections de mercure le rapport entre taille de seuils et taille de pores a été estimé. Ces deux méthodes d'acquisition s'effectuent en routine dans la plupart des centres de recherche, le support informatique relatif à leur traitement est de plus tout a fait adapté. La distribution des tailles d'ouverture de l'espace poreux est estimée à partir de lames minces ou d'images MEB 2D soumises à un traitement informatique décrit au chap.IV 3.1.4, tandis que la distribution des tailles de seuils de pores est issue de la loi de Young-Laplace appliquée aux injections de mercure (Chap. II 4.1 ). La Fig. 58 présente les distributions couplées obtenues par injections de mercure et analyse d'images 2D et le tableau Tab. 5 rassemble les principaux résultats sur l'ensemble des faciès étudiés.

Le rapport tp-tsp proche de 1 concernant la microporosité pour les 4 faciès est en accord avec l'observation visuelle de la forme applatie des pores (feuillets, Fig. 43 ; Fig. 58).

La distribution bimodale des seuils de pores pour le faciès R4 obtenue par injection de mercure permet de différencier une famille de seuils de pores relative à la microporosité et une famille relative à la macroporosité. Les observations par imagerie confirment cette interprétation (Fig. 48, Fig. 49 et Fig. 58). L'observation d'une macroporosité intergranulaire offrant de larges volumes vides c01mectés par des seuils de pores de faible diamètre permet de comprendre les forts rapports tp-tsp en l'absence de porosité de dissolution.

La double distribution des tailles de seuils de pores n'est pas observée sur le facies R3 (Fig. 58).

Pourtant celui-ci présente deux familles de pores bien distincts : une fraction microporeuse sensiblement identique aux autres faciès (tp-tsp=1) et une fraction macroporeuse sous la forme de vacuoles de dissolution partiellement ennoyée dans une matrice micritique (tp-tsp=10, Fig. 54 et Fig.

58). Les rapports obtenus peuvent être considérés comme des rapports d'écoulement ou dynamiques

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pour les milieux poreux unimodaux. Dans le cas d'un milieu bimodal comme R4 ou R3, le rapport tp-tsp entre les deux sous-réseaux pourrait être considéré comme tel si l'écoulement dans le milieu macroporeux dépendait strictement du milieu microporeux, c'est-à-dire si les macropores étaient ennoyées dans la matrice micritique.

Fig. 58 : Comparaison des distributions de rayons de pores et de rayons de seuils de pores issues respectivement de l'imagerie bidimensionnelle et des courbes d'injection de mercure ; aire grise : irljection de mercure;

hachures fines : imagerie 2D relative à la microporosité; hachures larges : imagerie 2D relative à la macroporosité. Les vignettes représentant des répliques permettent d'appuyer les distributions caractéristiques

de chaque faciès.

R4 Macro R4 Micro R3 Macro R3 Micro Orgon R5

rp 2D (um) 50 0.7 20 1 0.7 0.6

rsp MICP (um) 8 0.5 0.7 0.7 0.7 0.5

tp-tsp 6.25 1.4 30 1.5 1 1.2

Tab. 5: Moyenne des rayons de pores (somme des rayons de pores 1 nombre de pores), rayons de seuils de pores, et rapport tp-tsp sur l'ensemble des réseaux poreux étudiés.

IV 6.4

Imagerie

3D

IV 6.4.1 Distribution des rayons de pores

Avec une moyenne de taille de rayons de pores environ un ordre de grandeur au-dessus du faciès Orgon (Tab. 8 et Fig. 59), le réseau macroporeux de R4 offrirait une capacité de stockage réellement plus importante si l'on ne considérait que ce facteur. Or plusieurs évidences infirment ce constat. Tout

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d'abord, la proportion sur la porosité globale (50%, le reste correspondant au milieu microporeux) ne permet pas de le considérer comme le réseau prépondérant de R4. De plus la densité de population est largement inférieure à celle d'Orgon (Tab. 6). Les notions de connectivité ou tortuosité permettront

Fig. 59: Distribution de rayons de pores équivalents sur les milieux R4 (Macroporosité) et Orgon.

Réseau Nombre de pores Volume total mesuré Densité porale (um3) (pores/mm3)

R4 Macro 1.8 10 4 4.9 10 8 3.710 4

Orgon Micro 5.3104 1.2 10 7 4.510 6

Tab. 6: Nombre de pores estimé par rapport au volume total mesuré et densité parafe.

Afin de se rendre compte rapidement du réalisme d'une telle analyse la densité porale est directement comparée à celle déduite de deux modèles simplifiées de perméabilité. Le premier modèle est composé d'un faisceau de tubes identiques entre eux, de même longueur et parallèles au sens d'écoulement. Si phi et K sont la porosité et la perméabilité et si N est le nombre de tubes par unité de section droite (soit la densité porale dans notre cas), la combinaison de la loi de Darcy et de celle de

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tubes cylindriques que précédemment mais considère que tous les tubes n'ont pas le même diamètre, et que chaque classe de diamètre est déterminée par la courbe de pression capillaire selon :

(

La Fig. 60 indique que la macroporosité pour le faciès R4 contribue majoritairement à la perméabilité totale (90% de la perméabilité est contrôlé par les 20 premiers pourcents envahis du réseau poreux par le mercure). Cela signifie que la même perméabilité peut être ainsi attribuée pour le milieu poreux R4 ou seulement pour sa fraction macroporeuse.

Fig. 60: Schéma représentant le deuxième modèle de réseau poreux. Contribution de la fraction envahie du milieu poreux (SHgv) à la perméabilité totale, K (carré: R4; cercles : Orgon).

Les densités porales entre celle détenninée par imagerie 3D et celle calculée à partir de 1 'Eq.1 0, sont largement différentes (Tab. 7). Ceci peut s'expliquer de deux manières: soit l'imagerie n'offre pas de résolution suffisante (0.7 um pour une taille de pore moyenne de 0.7 um pour la fraction microporeuse par exemple) soit le modèle simplifié du réseau poreux est inadéquat du fait de son hyper

Tab. 7: Nombre de tubes par unzté de sectwn drozte (N) obtenus d'après la loz de Darcy-Poiseuille et les caractéristiques pétrophysiques du faciès Orgon et R4; R4_M* correspond à la fraction macroporeuse du

faciès R4.

IV 6.4.2

Distribution des tailles de seuils de pores et surface de section de seuils de pores

Les surfaces de section de seuils de pores (Asp) sont décalées d un ordre de grandeur entre chaque faciès allant de quelques urn2 pour Orgon à une maximum de 1000 um2 pour R4. Les rayons effectifs de seuils de pores indiquent des valeurs moyennes de 13.5 um pour R4. Dans le cas du faciès Orgon, la résolution limitée à 0.7 um ne permet d'observer que la fraction la plus grossière de la microporosité (Fig. 62). De ce fait la moyenne est fixée à 1.4 um, cette valeur étant considérée comme une limite supérieure. Le Tab. 8 renseigne sur les rapports entre taille de pores et taille de seuils de pores. Ils sont estimés à des valeurs proches de quelques unités offrant toujours une asymétrie vers des valeurs plus grandes (S>O). Le réseau macroporeux R4 et le réseau microporeux Orgon ne sont donc pas distinguables par une différence liée au rapport tp-tsp.

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Du fait de la composition bimodale du faciès R4, le rapport tp-tsp issu du rapport rp-rsp R4 et rp-rsp Orgon, en considérant Orgon comme représentatif de la fraction microporeuse de R4, est estimé à 15.3 (mais il ne pourrait être indicateur d'une forme de piégeage, cf. Chap. VIII 2).

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n ,,'t'

,,

J

" ,, "

1 \ \_ ...

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Asp=

1 1 1 ' ....

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Fig. 61 : Obtention du rayon effectif des seuils de pores à partir de la labellisation de l'image 3D.

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...

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- R4

Orgon

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0.05 .

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0.5 5.0 50.0

rayon effectif de seuil de pore (um)

Fig. 62: Distribution de rayons de seuils de pores équivalents sur les milieux R4 (Macroporosité) et Orgon.

IV 6.4.3 Distribution de la connectivité

Premier facteur environnemental mettant en relation un pore avec ses voisins, la connectivité semble être sensiblement identique entre les différents squelettes observés. Une valeur moyenne de 3.3 a été estimée. Par comparaison entre le rayon moyen des pores et la résolution de l'imagerie il est probable que Z est sous estimé pour Orgon. Les connectivités du réseau microporeux du faciès R4 et de celui du faciès Orgon sont très proches de celle estimée sur les grès de Fontainebleau (3.7) par Ventkeragan et Lindquist (1999, Tab. 3). La relation déterminée par Jerauld et Salter (1990) mettant en évidence la diminution de la phase piégée en fonction de l'augmentation du nombre de coordinations (du fait de la plus grande probabilité de maintenir une continuité entre les phases) ne pourra être mise en évidence avec les résultats obtenus à partir de l'imagerie 3D. Chatzis et Dullien (1977), Dullien (1992), déterminent que dans un système à haute connectivité, le ratio du volume total de seuils de pores sur le volume total des pores est plus grand par rapport à un système à faible connectivité. Ceci amène à diminuer la fraction non-mouillante dans le système, celle-ci étant préférentiellement localisée dans

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les pores plus larges. A partir de cette analyse statistique, la relation soulevée par les auteurs entre la saturation maximale en gaz résiduel obtenue entre R4 et Orgon, respectivement 37 et 15% (Cf. Chap.

VIII 2), et le nombre de coordinations ne peut donc être mise en évidence.

Fig. 63: Obtention du nombre de coordinations entre les pores à partir de la labellisation de l'image 3D.

1.0000 L:.l

0

R4

0.1000 0 0

Orgon

0

8

•'!) 0

-

0.0100 0

....

-:E 0

..L ~

0 ... 0.0010 0

0.. 0

0.0001 lE-5

2 "'

·'

4 5 6 7 8 9 10

nombre de coordination, Z

Fig. 64: Distribution du nombre de coordinations. Z. sur les milieux R4 (Macroporosité) et Orgon.

IV 6.4.4 Distribution de la tortuosité et longueur de canaux d'isolement des pores

Notion

La longueur des canaux (L) reliant chaque centre de pore ainsi que la tortuosité de ces canaux (T), sont deux autres indicateurs environnementaux. Comme indiqué dans le Tab. 8 la longueur des canaux est naturellement plus importante pour le faciès R4 et la tortuosité est sensiblement égale à celle du faciès Orgon (Fig. 65). Afin de vérifier si la dispersion du réseau macroporeux R4 se reproduit à l'échelle du réseau microporeux d'Orgon (si la géométrie spatiale est identique) il faut s'absoudre de la différence d'échelle. Etudions les relations existant entre le diamètre des pores (rp) et la longueur moyenne des canaux (L) selon :

- L

1

= ---=-

(cf. Fig. 66) 2.rP

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-Nous n'intégrons pas la notion de tortuosité dans ce contexte puisque celle-ci est sensiblement égale entre les faciès et n'est pas de ce fait discriminante. D'après le Tab. 8, le facteur 1 nous indique qu'en moyenne, les pores du faciès Orgon sont coalescents (1<1) et ceux du faciès R4 sont plus isolés les uns par rapport aux autres (Fig. 66). Les géométries spatiales sont donc bien différentes entre le milieu macroporeux du faciès R4 et le milieu microporeux Orgon.

1.0000 1.0000

0 R4 o R4

0 0 Orgon

0.1000 o Orgon

·v ~ ~

~ c;:

c-....

0..

0.1000

\

c

~

0.0100

0.0100 :.0

'

0 ~ c::l

0 0.0010 ....

0 Q.

0.0010 Cljfb

~60

0.0001 IIIDD

0

0.0001 lE-5

l.O 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 5 50

tortuosité distance interporak L (mn)

Fig. 65: Distribution de la tortuosité et de la distance interporale, L, sur les milieux R4 (Macroporosité) et Orgon.

1 <1 1 = 0 1 >1

Fig. 66: Schéma explicatif de la notion d'isolement des pores, 1.

Réseau Moyenne Dev. Std Skewness Kurtosis Rayon de pore équivalent- rp (um)

1 R4 1 Macro 22 1 18.6 1 3.6 1 23.2

1 Orgon 1 Micro 2.4 1 1.2 1 0.7 1 1.6

Rayon de seuil de pore équivalent- r,P (um)

1 R4 1 Macro 13.5 1 12.3 1 3.6 1 20.7

1 Orgon 1 Micro 1.4 1 0.8 1 1.7 1 7

Surface de section de seuil de pore- Asp (um2)

1 R4 1 Macro 1055 1 3087 1 8 1 88.7

1 Orgon 1 Micro 7.7 1 9.7 1 3.8 1 27.5

500

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rp/rsp R4 Macro 1.63 (1-33) Orgon Micro 1.71 (1-8)

R4 Macro/Micro 15.3

Nombre de coordination -Z

1 R4 1 Macro 3.3 1 0.68 1 2.72 1 12.6

1 Orgon 1 Micro 3.3 1 0.71 1 2.27 1 7.25

Longuer des canaux- L (um)

1 R4 1 Macro 48.9 1 35.2 1 1.9 1 8.9

1 Orgon 1 Micro 4.2 1 2.5 1 3.2 1 26.5

Tortuosité- T

1 R4 1 Macro 1.24 1 0.3 1 5.1 1 36.1

1 Orgon 1 Micro 1.19 1 0.2 1 4.1 1 29.6

L/2rp- 1

l

R4 1 Macro 1.11

1 Orgon 1 Micro 0.58

Tab. 8: Caractérisation de la fraction macroporeuse du faciès R4 et du milieu microporeux Orgon par les paramètres mmphologiques suivants: rP, rsp,

A , "'

rJrsp• Z, T, 1. Le rapport Macro/Micro concernant rJrsppour

le faciès R 4 correspond au rapport entre le rayon de pore moyen de la fraction macroporeuse R 4 sur le rayon moyen de seuils de pores de la fraction microporeuse (rsp Orgon).

IV 6.5 Architecture des milieux poreux: une méthode d'investigation orientée image

Différentes techniques ont été évaluées ou développées au cours des chapitres précédents afin

Différentes techniques ont été évaluées ou développées au cours des chapitres précédents afin