Vitesse acoustique en forage

L‟approche acoustique représente un autre moyen d‟investiguer la structure des roches d‟un forage. Elle permet d‟obtenir des données sur des hétérogénéités du milieu (mesures de vitesse et d‟atténuation). Le caractère du signal acoustique détecté dépend, entre autres, des propriétés mécaniques de la roche.

Principe

Les ondes acoustiques de compression (ondes P) sont caractérisées par des oscillations de pression parallèles à la direction de la propagation de l'onde. Les ondes de cisaillement (ondes S) sont caractérisées par des oscillations perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Un solide transmet des ondes P et S alors qu‟un liquide ne transmet que des ondes P.

La mise en œuvre d‟une mesure acoustique repose sur un transmetteur émettant une impulsion d'énergie mécanique dans le forage, dont le retour est enregistré par un ou plusieurs récepteurs situés à une certaine distance du transmetteur. Cette impulsion sous forme d‟onde de compression (onde P) est propagée dans le fluide du forage et s'éloigne de l'émetteur dans toutes les directions. Au contact de la l'interface rocheuse, grâce à la propagation du front d'ondes (principe de Huygens), une partie de l'énergie acoustique est réfléchie vers le trou de forage et une partie est réfractée vers la roche. Les solides pouvant transmettre à la fois les ondes de compression P et les ondes de cisaillement S, une certaine quantité de l'énergie acoustique réfractée est transformée en ondes S. Une partie de l'énergie frappe la paroi à l'angle critique des ondes P (l'angle critique est déterminé par la vitesse des ondes P dans la roche et dans le fluide) et se propage le long de la paroi du trou sous la forme d'une onde P. De la même façon, une partie de l'énergie qui frappe la paroi à l'angle critique pour les ondes S (déterminée par la vitesse des ondes S dans la roche et par la vitesse des ondes P dans le fluide) se propage sous la forme d'un « S » le long de la paroi du trou. L'onde P arrive la première au récepteur, d'où son nom de « première arrivée ». Sa vitesse est plus élevée que celle de l‟onde S. Lorsque l'énergie est retransmise au niveau d'un récepteur, celui-ci capture le signal, l'amplifie et le numérise. Les ondes sont donc traduites dans les domaines temporel et fréquentiel.

100 Outil de mesure

Une sonde acoustique multifréquence et multimodal (Full Waveform Sonic, 2PSA-1000) confectionnée par Mountsopris Ltd. est utilisée. Les enregistrements de la sonde donnent un oscillogramme acoustique complet de chaque impulsion pour chaque récepteur. Cet oscillogramme est composé de trois ondes (P, S et de surface appelées Stoneley) spécifiques à la roche investiguée. La sonde possède deux récepteurs qui enregistrent chacun un oscillogramme.

Les paramètres découlant de l‟oscillogramme sont le temps de propagation et l‟amplitude du signal acoustique. Les temps de trajet de l'onde acoustique sont appelés les temps d'arrivées. L‟oscillogramme acoustique est analysé par pointage des temps d'arrivés (picking) de chaque récepteur. Le pointé détermine à quel moment le signal dépasse un seuil fixé par l'opérateur. Les vitesses d'onde de compression Vp et de cisaillement Vs dans la formation sont évaluées à partir des temps d‟arrivées, de la distance entre les récepteurs, de la vitesse d'onde dans le fluide et du diamètre du forage (Source: Mountsopris).

Deux modes d‟acquisition, monopole et dipôle, permettent d‟affiner le type d‟onde acoustique reçue. En mode monopole, la bande de fréquence optimale pour produire des ondes de tête encadre de près la fréquence des modes normaux de compression et de cisaillement de premier ordre. De cette manière, les modes non désirés ne sont pas excités et les ondes de tête captées sont fortes. Les arrivés d'ondes de cisaillement n'apparaissent pas dans les mesures en monopole lorsque Vs est inferieure à la vitesse des ondes dans le fluide de forage. En mode dipôle, le système peut exciter une onde flexurale dans le forage. Les ondes flexurales ont une vitesse inferieure ou égale a celle des ondes de cisaillement. Les ondes flexurales sont dispersives, mais à basse fréquence (1 à 3 KHz), la vitesse du mode flexural est très proche de la vitesse des ondes de cisaillement (Vs).

Applications

La mesure nécessite que le forage soit ouvert ou tubé PVC et s‟effectue en zone saturée afin d'obtenir un bon contact avec la roche et ainsi une bonne propagation de l‟onde P. La fréquence centrale de l'impulsion varie entre 1 et 20 kHz. Les mesures ont été réalisées sous la pression ambiante seulement. La précision de la vitesse mesurée est dans environ 5%. La mesure est réalisée avec une résolution verticale de 5 cm. La profondeur d‟investigation est d'environ une longueur d'onde, ce qui varie en fonction de la fréquence de la source et de la vitesse des ondes. Les fréquences sources issues de notre sonde varient de 1 à 20 kHz et les vitesses de compression dans les roches varient de 2 à 7 km/s.

La vitesse de propagation et l‟amplitude du signal acoustique sont influencées par de nombreux facteurs (Serra et Serra, 2000). La vitesse dépend de la nature des minéraux composant la roche et les ciments. Les minéraux interviennent sur la propagation par leur densité. En cas de matrice complexe,

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chaque minéral constitutif intervient en fonction de son pourcentage volumique. L‟arrangement des grains (texture) a une influence sur la vitesse. Par exemple, plus la texture est cimentée, plus la vitesse augmente. Par conséquent, la vitesse dépend pareillement de la porosité (Hornby et al., 1989) et des fluides interstitiels. Plus la vitesse croît, plus la porosité décroît. La porosité dans les roches poreuses peut être déterminée à partir de l‟équation de Wyllie et al. (1956).

De même, plus l‟eau interstitielle est salée (effet de densité), plus la vitesse augmente. L‟augmentation de la température fait diminuer la vitesse (environ 10 m/s pour une eau de 20°C passant à 30°C). Quant à l‟augmentation de la pression, elle accroît exponentiellement la vitesse. Dans notre cas d‟étude, les variations de température sont négligeables : une variation maximale de 3°C. Par contre, la variation de pression est de 6 Bar. Enfin, l‟anisotropie des formations (fractures, laminations…) affecte la vitesse.

La détermination in situ des vitesses des ondes P et S est utilisée dans l'interprétation des données sismiques de surface et de tomographie puits-à-puits. Les vitesses sont également utiles pour corréler la lithologie d'un forage à l'autre.

Cas du réservoir karstique

La forme de l'oscillogramme se détermine par le contenu des ondes qui dépend de facteurs comme les propriétés mécaniques de la roche mais aussi de la vitesse de l'onde de compression dans le fluide, de la fréquence de la source et du diamètre du forage. La présence de cavités et de karsts altèrent la qualité des ondes réfractées et atténuent fortement le signal.

Lors de l‟analyse des données, le pointage des temps d‟arrivées influence considérablement l‟estimation de la vitesse. Ce pointage peut être effectué de manière automatique par le logiciel de traitement WellCad (ALT) ou bien de façon manuelle par un opérateur. Cette source d'erreur est alimentée par la présence de bruit, causé par les vibrations de la sonde au cours de son déplacement le long du trou. Si ce bruit est assez fort pour dépasser le seuil de détection de l'un des récepteurs (ou des deux), le pointé n‟est pas représentatif.

3.2.1.3 Images de paroi de puits

Le principe des outils et mesures a été décrit précédemment dans la section 3.1.1.2.

Applications

Les images de paroi de puits permettent d‟identifier finement les structures et les textures de la formation rocheuse traversée par un forage. Du point de vue géologique, l‟outil OBI40 est le plus intéressant. Les hétérogénéités sédimentaires peuvent être directement observées à partir de son image. Quant aux images acoustiques, elles facilitent l‟étude structurale de la roche permettant d‟effectuer les analyses de fractures et de tout espace poreux détectable.

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En effet, l‟image de paroi de puits est une image déroulée 2D de la structure millimétrique de la roche et offre ainsi une cartographie de la porosité macro- et méso-échelle (métrique à millimétrique) de la paroi du forage. Une méthode de calibration et traitement d‟images a été développée afin d‟évaluer cette porosité et hétérogénéités. Cette porosité inclut les vacuoles à petite échelle et les megapores, chenaux et karsts à grande échelle. Le traitement d‟images est principalement réalisé par le biais du logiciel ImageJ (Noesis) pour extraire les propriétés physiques des hétérogénéités (Figure 3-6). Tout d'abord, l'image de paroi de puits est analysée pour extraire la macro- méso-porosité de la formation selon la résolution de l'image (Figure 3-7). Deuxièmement, les paramètres géométriques (facteur de forme, distribution multi-échelle de la porosité et de taille des pores) sont extraits et permettent de déterminer des paramètres associés comme l‟anisotropie.

Figure 3-6 : Etapes de traitement des images de paroi de puits et d’extraction de la porosité.

Les résultats peuvent être comparés aux autres mesures géophysiques en forage, aux descriptions sédimentologiques et sont complémentaires aux mesures pétrophysiques sur carottes. Enfin, les paramètres hydrauliques déduits des propriétés géométriques de la roche et du réseau de connectivité sont confrontés à la perméabilité des plugs mesurée en laboratoire et aux mesures de débitmètre en forage afin de relier la macro- et méso-porosité avec le comportement hydrodynamique du réservoir.

Binary image Detected porels TT image Segmented image Image treatment • Noise Filtering • Calibration • Segmentation • Test

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Figure 3-7: A) Extraction de la porosité vacuolaire des trois images de paroi de puits, et représentation des trois zones de porosité caractérisables à cette échelle ; B) Quantification de la porosité image: profil en

fonction de la profondeur.

Dans la Figure 3-7, nous montrons la contribution de l‟analyse d‟images à l‟étude pétrophysique du réservoir. Nos résultats du traitement sur les images acoustiques et optiques de paroi de puits donnent des profils de porosité tout au long du puits avec un échantillonnage vertical millimétrique. Ils fournissent des informations supplémentaires : les plans sédimentaires, les fractures, les karsts, les cavités, les vacuoles et les variations de texture.

L‟intégration de ces données aux mesures géophysiques en forage et pétrophysiques des carottes affine la définition des hétérogénéités. Les données d‟images offre une complémentarité des mesures sur carottes aux intervalles non carottées. Inversement, les données issues des carottes peuvent être extrapolées sur l‟ensemble des bancs sédimentaires délimités par les images de paroi.

3.2.2 Laboratoire

Les méthodes de caractérisation pétrophysique en laboratoire sont décrites ci-dessous par ordre croissant de résolution. Elles sont destinées à l‟analyse de la structure, principalement poreuse. Dans un premier temps, sont présentées les techniques conventionnelles, qui prennent en compte l‟ensemble du réseau poreux connecté dans un échantillon. Puis, est exposée la méthode d‟analyse d‟image de lame mince, à plus haute résolution mais seulement sur des objets deux-dimensions (2D). Enfin, les nouvelles méthodes d‟imagerie par tomographie récemment utilisées (dernière décennie) sont engagées dans l‟investigation des structures de l‟échantillon, soit à différentes échelles en trois-dimensions (3D).

La porosité est définie comme le volume cumulé des pores par unité de volume de milieu poreux. Sa détermination est généralement une technique destructive mais récemment des méthodes non

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destructives sont développées. Les techniques les plus usuelles et utilisées dans cette étude sont présentées ci-dessous.