CARACTÉRISATION IN SITU DES MILIEUX FRACTURÉS À LAIDE DES DIAGRAPHIES GÉOPHYSIQUES
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval
pour l'obtention
du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
Département de géologie et de génie géologique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
AVRIL 2002
Dans le cadre du projet de cartographie hydrogéologique des aquifères fracturés des basses-terres du St-Laurent du sud-ouest du Québec (AFSOQ), la caractérisation in situ des milieux fracturés a été effectuée à l'aide de diagraphies géophysiques. L'analyse et l'interprétation de ces diagraphies géophysiques ont permis de lever les indéterminations lithologiques qui existaient dans les puits non échantillonnés. Les contacts lithoiogiques ont bien été identifiés entre les formations de compositions minéralogiques différentes. En outre, des corrélations lithologiques entre les puits à l'échelle régionale basées sur les mesures du rayonnement gamma naturel et de la résistivité électrique ont été possibles. Les discontinuités telles les fractures qui ont été identifiées dans les puits à l'aide des outils diagraphiques d'imagerie acoustique et optique peuvent l'être également à l'aide de la combinaison des diagraphies conventionnelles et acoustiques. Les familles de fractures identifiées et caractérisées dans les puits et celles décrites directement en surface sont semblables malgré des méthodes d'auscultation différentes. Les diagraphies géophysiques ont aussi permis de mettre en évidence les fractures perméables dans la plupart des puits sondés, Ces outils de caractérisation in situ des milieux fracturés devraient être davantage utilisés lors des études hydrogéologiques.
Marc Etienne, ing.
AVANT-PROPOS
Je désire remercier Richard Fortier, mon directeur de thèse, pour m'avoir permis de réaliser ce projet de recherche ainsi que de m'avoir donné le soutien et la confiance de le mener au mieux. Je le remercie également d'avoir mis à ma disposition l'équipement performant de diagraphies géophysique me permettant ainsi de développer une expertise dans ce domaine.
Je tiens à remercier Donna Kirkwood, ma co-directrice de thèse, pour ses conseils et son soutien. Je la remercie de m'avoir partagé ses connaissances de la géologie structurale.
Je remercie particulièrement Roger Morin, de l'LI.S. Geological Survey, pour sa participation au projet. Je le remercie de m'avoir donné l'opportunité de travailler avec lui et de m'avoir partagé ses connaissances avancées dans le domaine de la diagraphie géophysique.
Je tiens à remercier tout le personnel du projet AFSOQ avec qui j'ai eu la chance de travailler sur le terrain ainsi que le personnel du département de géologie et de génie géologique de l'Université Laval qui m'a apporté son aide depuis de nombreuses années. Merci à René Lefebvre, professeur à l'INRS-Géoressources, pour m'avoir orienté dans mes travaux.
Je tiens à remercier également Développement Économique Canada, Ressources Naturelles Canada, le Ministère de l'Environnement du Québec, le Ministère du Transport du Québec, le Conseil Régional de Développement-Laurentides et les MRC de Blainville, Deux-Montagnes, D'Argenteuil et de Mirabelle, partenaires financiers du projet AFSOQ, pour le financement de ce projet.
Je remercie profondément mes parents et mes frères qui m'ont toujours inconditionnellement épaulé dans toutes mes aventures qui m'ont finalement mené à la réalisation de ce mémoire. Je remercie tendrement mon épouse, Erika, pour m'avoir supporté dans les moments de faiblesse.
Merci à Fernand et Peter qui, malgré leur départ, ont, de part leurs expériences, inspiré les grands virages de ma vie.
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RÉSUMÉ...ii
AVANT-PROPOS... iii
TABLEDESMATIÈRES...iv
LISTE DES FIGURES...viii
LISTE DES TABLEAUX...x
DESCRIPTIONDES ANNEXES...xii
LISTE DES ANNEXES...xiii
LEXIQUE DES SYMBOLES ET DES ABRÉVIATIONS... xvi
INTRODUCTION...1
1.1 Problématique...2
1.2 Objectifs...3
1.3 Méthodologie...3
1.4 Localisation dusited’étude...4
1.5 Contexte géologique... 6
1.6 Fracturation des roches... ... 11
LES DIAGRAPHIESGÉOPHYSIQUES...13
2.1 Définition et historique...13
2.2 Description du matériel...13
2.2.1 Généralités...13
2.2.2 Les sondes...15
2.2.3 Le câble et le treuil...18
2.2.4 Le systèmed’acquisition dedonnées...20
2.2.5 Les accessoires...20
2.3 Lessondes et lesmesures associées... 20
2.4 Paramètresenregistrés etprocédures de mesure.....24
2.4.1.3 Température...27
2.4.1.4 Diamètre du puits... 27
2.4.1.5 Déviation de la verticale du puits... 28
2.4.2 Les phénomènes provoqués... 28
2.4.2.1 Résistivité électrique...28
2.4.2.2 Résistance électrique simple point...34
2.4.2.3 Porosité... 36
2.4.2.4 Densité... 38
2.4.2.5 Ondes acoustiques... 39
2.4.2.6 Imagerie... 46
2.4.3 Écoulement des fluides...49
ACQUISITION ET TRAITEMENTDES DONNÉES...52
3.1 Campagne de terrain...52
3.2 Les outils informatiques...55
3.3 Procédures d’enregistrementetd’étalonnage...56
3.3.1 Procédures d’enregistrement... 56 3.3.1.1 Configuration 1 : RTFG...58 3.3.1.2 Configuration 2 : S PR... 58 3.3.1.3 Configuration 3 : RESNG...58 3.3.1.4 Configuration 4 : CALG... 59 3.3.1.5 Configuration 5 : CONDG... 59
3.3.1.6 Configuration 6 : SON IC... 59
3.3.1.7 Utilisation du débitmètre à hélice... 60
3.3.2 Procédures d’étalonnage...60
3.4 Les corrections apportéesauxmesures... 65
3.4.1 Corrections de profondeuràl’aide de lamesure du rayonnementgamma naturel ...65
3.4.2 Correction desélévations despuits...67
3.4.3 Correction de décalage du point de mesure...70
3.4.4 Correction de l’influence du diamètre du trou... 72
ANALYSE DES DONNÉES 4.1 Analysedes diagraphies...83
4.1.1 Rayonnement gamma naturel... ...83
4.1.2 Résistance simple point...86
4.1.6 Résistivités électriques normales... 93
4.1.7 Conductivité électrique parinduction... 98
4.1.8 Diamètre du troude forage... 99
4.1.9 Signal acoustique... 100
4.1.9.1 Format des données de la sonde sonique... 101
4.1.9.2 Filtrage des signaux acoustiques... 101
4.1.9.3 Détermination des vitesses de propagation des ondes de compression et de cisaillement... 101
4.1.9.4 Calcul de l’atténuation des ondes de cisaillement et des ondes de Stoneley...107
4.1.10 Débitmètresà hélice et électromagnétique...111
4.1.11 Porosité neutron et densité gamma...113
4.1.12 Technique d’imagerie acoustique etoptique... 115
4.1.12.1 Identification des structures...116
4.1.12.2 Représentation graphique des structures... 117
4.2 Analyse desdonnées complémentaires... 120
4.3 Corrélation entre la résistivité électrique et le rayonnement gamma naturel.....121
4.4 Présentation en surimpression des mesures du rayonnement gamma naturel et de la résistivité électrique...122
4.5 Analyse de la déviationdes puits par rapport àla verticale...127
INTERPRÉTATION 128 5.1 Lithologie... 128
5.1.1 Signatures géophysiques des formations géologiques...129
5.1.1.1 Les formations dolomitiques...129
5.1.1.2 Les formations calcaires... 131
5.1.1.3 Les formations gréseuses... 132
5.1.2 Identification des contacts iithologiques... 132
5.1.3 Corrélations lithologiques entre les puits...136
5.1.3.1 Corrélations dans les formations dolomitiques... 136
5.1.3.2 Corrélations entre les formations gréseuses... 139
5.1.3.3 Corrélations entre les formations calcaires... 141
5.2 Structure...143
5.2.1 Signatures géophysiquesdes discontinuités...143
5.2.1.1 Identification des fractures fermées... 144
5.2.1.2 Identification des fractures ouvertes... 149
5.2.2 Relation entre la déviation des puitset le pendagedes couches...156
5.2.3 Relations entre les observations de la fracturation en surface et les données diagraphiques... 156
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS...163
6.1 Conclusions 163 6.2 Recommandations... 165
6.2.1 Avant la réalisation des diagraphies géophysiques...165
6.2.2 Lorsde la réalisation des diagraphies géophysiques...166
6.2.3 Échelle de l’étude... 167
6.2.4 Travauxsupplémentaires... 167
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Figure 1 : Localisation de la région d'étude et des MRC impliquées dans le projet...5
Figure 2: Coupe schématique de la séquence sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent... 7
Figure 3: Carte géologique et structurale de la région d'étude...10
Figure 4 : Schéma d'un système de diagraphies géophysiques... 14
Figure 5: Les sondes du système de diagraphies géophysiques de l'UL... 17
Figure 6: (A) Caméra acoustique OTV. (B) Caméra optique ATV...17
Figure 7: Le débitmètre et son hélice (Modèle FLP-2492 de MSI)... 19
Figure 8: Le treuil et ses composantes... 19
Figure 9: Assemblage de la sonde gamma, de la sonde poly-électrique et de la sonde de fluide. ..23
Figure 10: Principe de la mesure du potentiel spontané (PS)... 26
Figure 11 : Schéma d'un diamétreur à trois bras... 29
Figure 12: Représentation schématique de l'invasion dans une formation poreuse perméable. (modifiée de Chapellier, 1987)... 31
Figure 13: Principe de mesure de la résistivité en ohm-m ( modifié de Keys, 1997)... 31
Figure 14: Schéma du dispositif normal ( modifié de Serra, 1979)... 33
Figure 15: Principe de mesure de la conductivité électrique à l'aide de la sonde à induction (Serra , 1979)... 35
Figure 16: Les différents trajets sismiques (modifiée de Chapellier, 1987)...41
Figure 17: Principe de fonctionnement de la sonde sonique...43
Figure 18: Trains d'ondes acoustiques complets reçus par deux récepteurs distancés de 30,48 cm (Keys 1997)...45
Figure 19: A) Intersection d'un puits avec une fracture. B) Image développée et orientée obtenue de l'ATV (modifiée de Keys, 1997)... 48
Figure 20: Centralisateur monté sur l'OTV...50
Figure 21 : Principe du comptage optique de la rotation de l'hélice d'un débitmètre à hélice... 50
Figure 22: Localisation des puits sondés à l'aide des diagraphies géophysiques... 53
Figure 23: Installation du système de diagraphies géophysiques avec le débitmètre et le système de pompage...61
Figure 24: Système de diagraphies géophysiques et de pompage installé sur le site du puits 00_HAM-Fl...61
Figure 25: A) Schéma d'une sonde et des points de mesure et de référence. B) Position d'une sonde dans un puits lors de l'initialisation du point de référence...66
gamma naturel...74 Figure 28: Diagraphies géophysiques du puits 00_LAV-Fl... 82 Figure 29: Correction de l'influence du diamètre du trou sur la mesure de la résistivité électrique
normale 16 pouces (Schlumberger, 1989)... 95 Figure 30:A) Différentes présentations des signaux acoustiques. B) Format numérique de l'amplitude
des signaux acoustiques en fonction du temps et de la profondeur de mesure pour les dix premiers échantillons aux 4 /js...102
Figure 31 : Détermination des lenteurs des ondes P, S et dans le fluide. Comparaison entre les résultats de l'algorithme de corrélation et des temps d'arrivées des ondes P définis manuellement...104 Figure 32: Images développées de la paroi d'un puits... 118 Figure 33: Représentations graphiques des éléments de structure identifiés sur les images acoustique
et optique...119 Figure 34: Graphiques de corrélation entre la résistivité électrique et le rayonnement gamma naturel
pour le puits 99 RIV-F1... 123 Figure 35: Graphiques de corrélation entre la résistivité électrique et le rayonnement gamma naturel
des formations dolomitiques... 124 Figure 36: Graphiques de corrélation entre la résistivité électrique et le rayonnement gamma naturel
des formations calcaires et gréseuses... 125 Figure 37: Présentation graphique en surimpression de la mesure du rayonnement gamma naturel et
de la résistivité électrique...126 Figure 38: Graphique de corrélation entre la résistivité électrique et le rayonnement gamma naturel.
...130 Figure 39: Image optique de la paroi du puits 00_LAV-Fl. Contact lithologique entre les formations de Thérèsa et de Cairnside... 135 Figure 40: Corrélations lithologiques entre les puits qui traversent les formations dolomitiques de Carillon et de Beauharnois en considérant que les couches sont horizontales...137 Figure 41: Corrélations lithologiques des courbes du rayonnement gamma naturel des puits qui traversent la Formation de Cairnside... 140 Figure 42: Corrélations lithologiques des courbes du rayonnement gamma naturel entre les puits qui traversent la Formation de Covey-Hill en respectant les différences d'élévation relatives entre les puits... 142 Figure 43: Localisation de l'anticlinal d'orientation nord-sud entre les puits étudiés... 157 Figure 44: Relations entre les observations de surface et celles dans les puits... 160
Tableau 2: Caractéristiques des sondes utilisées pour le projet... 16
Tableau 3: Paramètres physiques mesurés en fonction des sondes utilisées...21
Tableau 4: Mesures associées au pilote sélectionné... 23
Tableau 5: Caractéristiques des puits sondés... 54
Tableau 6: Configurations des enregistrements...57
Tableau 7: Corrections de profondeur en mètres à l’aide de la sonde du rayonnement gamma naturel... 68
Tableau 8: Diagraphies géophysiques effectuées dans les vingt-trois puits de la région d'étude dans le cadre du projet AFSOQ... 69
Tableau 9: Validité des mesures réalisées sur l’ensemble des puits sondés... 77
Tableau 10: Identification des diagraphies aux annexes... 78
Tableau 11 : Rayonnement gamma naturel des formations et des argiles présentes dans les formations...85
Tableau 12: Température du fluide dans les puits sondés de la région d’étude... 90
Tableau 13: Résistivités électriques des fluides Rw et Rm mesurées lors d'un pompage intensif et des diagraphies géophysiques respectivement...92
Tableau 14: Correction de la mesure de la résistivité normale RI 6 en fonction de la résistivité électrique du fluide Rm et du diamètre du trou... 97
Tableau 15: Comparaison entre les résistivités électriques normales RI 6 et R64 et celle par induction Ri pour la détermination de Rt... 97
Tableau 16: Vitesses de propagation des ondes de compression et de cisaillement calculées à l’aide de l’algorithme de corrélation...106
Tableau 17: Temps d’arrivée approximatifs calculés...110
Tableau 18: Fenêtres de temps moyen des ondes de cisaillement et de Stoneley en fonction du diamètre du trou...110
Tableau 19: Identification des ruptures des courbes diagraphiques liées aux changements de lithologie... 134
Tableau 20: Influence des fractures fermées sur les courbes diagraphiques... 148
Tableau 21 : influence des fractures ouvertes sur les courbes diagraphiques... 151
Tableau 22: Influence des DHA sur les courbes diagraphiques... 153
puits sondés avec l'ATV et l'OTV...159 Tableau 26: Description des formations traversées par les puits dont les images acoustique et optique
Chapitre I :
Annexe I.A : Tableau de synthèse des caractéristiques des familles de joints observés dans les carrières en surface.
Chapitre H
Annexe II.A : Liste des accessoires du système de diagraphie géophysique.
Chapitre III
Annexe III.A : Localisation des puits en fonction des routes et des agglomérations. Annexe III.B : Fréquences de calibration de la sonde à induction.
Chapitre IV
(*) Annexes IV.A1 à A22 : Diagraphies classiques corrigées.
Annexes IV.B1 à B8 : Histogrammes du rayonnement gamma naturel pour les puits et les formations. Annexes IV.C : Diagraphies SP et Rw calculée versus Rw mesurée.
Annexes IV.D : Diagraphies de la résistivité du fluide (Rm). (
*
) Annexes IV.El à E22 : Diagraphies soniques.
Annexes IV.Fl à F6 : Diagrammes de la déviation verticale des puits. (*) Annexes IV.G1 à G8 : Compilation des images optique et acoustique.
Annexes IV.H1 à H8 : Compilation des éléments de structure (Tadpole, rosaces, polaire).
Chapitre V
Annexes V.A1 à V.A22 : Compilation complète des diagraphies utilisées pour l'interprétation.
Remarque :
- (*) : Annexes uniquement présentées sous la forme de fichiers informatiques. Ces fichiers nécessitent l'utilisation du logiciel WelICAD pour être visualisés. Une version gratuite de WelICAD est disponible sur le CD_ROM. Suivre les instructions du fichier « Installation de WellCAD.txt » pour installer WelICAD sur un ordinateur de type PC.
LISTE DES ANNEXES
ANNEXE I.A...174
ANNEXE II A...175
ANNEXE III.A... 176
ANNEXE III.B... 177
ANNEXE IV .Al à A22...1 78 ANNEXE IV.B1...1 79 ANNEXE IV.B2... 180 ANNEXE IV. B3... 181 ANNEXE IV.B4... 182 ANNEXE IV.B5... 183 ANNEXE IV.B6...184 ANNEXE IV.B7...1 85 ANNEXE IV.B8... 186 ANNEXE IV.C... 187 ANNEXE IV.D...188
ANNEXE IV.E1 à E22... 189
ANNEXE IV.F1 ... 190 ANNEXE IV,F2... 191 ANNEXE IV.F3...192 ANNEXE IV.F4...193 ANNEXE IV.F5... 194 ANNEXE IV.F6...195 ANNEXE IV.G1 à G8...196 ANNEXE IV.H1... 197 ANNEXE IV.H2...198 ANNEXE IV.H3...199 ANNEXE IV.H4... 200 ANNEXE IV.H5... 201 ANNEXE IV.H6... 202 ANNEXE IV.H7... 203 ANNEXE IV.H8... 204 ANNEXE V.A1... 205 ANNEXE V.A2... 206
ANNEXE V.A5...209 ANNEXE V.A6... 210 ANNEXE V.A7... 211 ANNEXE V.A8... 212 ANNEXE V.A9... 213 ANNEXE V.A10... 214 ANNEXE V.A11... 215 ANNEXE V.A12... 216 ANNEXE V.A13... 217 ANNEXE V.A14... 218 ANNEXE V.A15... 219 ANNEXE V.A16... 220 ANNEXE V.A1 7... 221 ANNEXE V.A18... 222 ANNEXE V.A19... 223 ANNEXE V.A20... 224 ANNEXE V.A21... 225 ANNEXE V.A22... 226
TABLEAU DE CORRESPONDANCE DES ANNEXES
(entre le nom des annexes et le nom des puits)
Noms des puits Annexes IV Annexes V
99_CGQ-F1 A1 E1 - - - A1 99_FRO A2 E2 F1 G1 H1 A2 99_MTB-F1 A3 E3 - - - A3 99-P9 A4 E4 - - - A4 99_RIV-F1 A5 E5 - - - A5 99_STH-F1 A6 E6 - - - A6 00_CSL-F1 A7 E7 F2 G2 H2 A7 00_HAM-F1 A8 E8 - - - A8 00_LAV-F1 A9 E9 F3 G3 H3 A9
00_SIN-F3 A10 E10 - - - A10
00_STB-F1 A11 El 1 F4 G4 H4 A11
00_STB-F4 A12 E12 F5 G5 H5 A12
00_ERA A13 E13 A13
PE-2 A14 - A14
R-3 A15 E15 A15
R-13 A16 E16 A16
R-14 A17 E17 A17
R-15 A18 - - - A18
R-2-70 A19 E19 - - A19
SE-4 A20 E20 F6 G6 H6 A20
SE-5 A21 E21 - G7 H7 A21
SE-6 A22 E22 - G8 H8 A22
Remarque : Le symbole (-) signifie qu'il n'y a pas d'annexe pour le puits concerné soit par manque de données, soit à cause de la mauvaise qualité des données ou encore, parce que ce type d'annexe ne s'applique pas à ce puits.
Liste des acronymes
AFSOQ : Aquifères Fracturés du Sud-Ouest du Québec; CGC : Commission Géologique du Canada;
UL: Université Laval;
USGS : United States Geological Survey;
ATV: Acoustic televiewer - outil d'imagerie acoustique des parois du puits; OTV: Optic televiewer - outil d'imagerie optique des parois du puits; MRC: Municipalité Régionale de Comté;
MSI : Mount Sopris Instrument; Fém : Force électromotrice; PSV : Profile Sismique Vertical; et
DHA : Discontinuité hydrauliquement active.
Procédures et mesures considérées
RTFG: température et résistivité électrique du fluide, gamma naturel; SPR: résistance simple point et polarisation spontanée;
RESNG: résistivité normale et gamma naturel; CALG: diamétreur et gamma naturel;
CONDG: conductivité électrique et gamma naturel; et SONIC: signaux acoustiques.
Liste des symboles
a : angle de pendage (degré); 0 : porosité (%);
Y : rayonnement gamma; p : micro (10 6);
0 : direction de pendage (degré); pb : densité de la formation (g/cm3); P™ : densité de la matrice (g/cm3); pf : densité du fluide (g/cm3); Rm : résistivité de la boue (ohm-m); Rmc : résistivité du mud cake (ohm-m);
Rmf : résistivité du filtrat (ohm-m);
Rw ; résistivité de l'eau d'imbibition (ohm-m);
Rt : résistivité vraie de la formation dans la zone vierge (ohm-m); Ro : résistivité vraie d'une formation saturée en eau (ohm-m); Rx0 : résistivité de la zone lavée (ohm-m);
F : facteur de formation; cps : coups par seconde; p : résistivité électrique (ohm-m);
cr : conductivité électrique (Siemens ou mhos/m); AV : différence de potentiel (V);
i : courant électrique (A); L : distance (m);
S : surface (m2);
GBq: Giga Bequerelles;
Vsh: volume d'argile dans une roche (%); tf : température de la formation (°C);
te : temps de transit de l'onde P de l'émetteur au receveur; ts : temps de transit de l'onde S de l'émetteur au receveur;
tf : temps de transit de l'onde de fluide de l'émetteur au receveur; dtc = tf - te;
dts = ts - te; et dtf = tf-ts.
INTRODUCTION
Le présent projet de maîtrise a été réalisé dans le cadre d'un projet multidisciplinaire qui a débuté en 1999 sur la cartographie hydrogéologique régionale des Aquifères Fracturés du Sud-Ouest du Québec (AFSOQ). Il s'agit d'un projet conjoint entre la Commission Géologique du Canada (CGC), l'INRS-Géoressources, [Université Laval (UL), Environnement Canada et [Université de Queens. Les principaux objectifs du projet AFSOQ portent sur la délimitation et la caractérisation des aquifères de cette région, la quantification et la protection des eaux souterraines ainsi que le développement d'un protocole de cartographie hydrogéologique (Nastev, 2001). Pour permettre la gestion efficace des ressources en eaux souterraines, il est nécessaire de développer un modèle de la dynamique des eaux souterraines. Ce modèle nécessite une caractérisation détaillée des propriétés hydrauliques des milieux fracturés. Une approche multidisciplinaire a été préconisée afin de répondre au besoin de caractérisation physique des milieux fracturés. Les essais hydrogéologiques, les études stratigraphiques, lithologiques, structurales et géochimiques et finalement les diagraphies géophysiques dans les puits de forage font partie des méthodes utilisées pour l'étude des aquifères fracturés de la région.
Le projet AFSOQ est supporté financièrement par Développement Économique du Canada, le Conseil Régional de Développement-Laurentides, le Ministère de [Environnement du Québec, [Association des Professionnels de Développement Économique des Laurentides et les Municipalités Régionales de Contés (M.R.C.) d'Argenteuil, de Deux-Montagnes, de Mirabel et de Thérèse-de- Blainville.
Dans le cadre du projet AFSOQ, une entente a permis d'entreprendre une collaboration scientifique entre le département de diagraphies géophysiques de l'U.S.G.S. (United States Geological Survey) à Denver, Colorado, et l'UL. Dans le cadre de cette entente, l'USGS a réalisé des diagraphies géophysiques dans certains puits à l'aide de leur propre système de diagraphies géophysiques afin de compléter celles réalisées avec le système de l'UL, En outre, un stage de recherche d'une période d'un mois en novembre 2000 à l'USGS a été réalisé par le présent auteur pour l'analyse et l'interprétation des données recueillies par l'USGS.
1.1
Problématique
Au Sud-Ouest du Québec, l'eau souterraine est une ressource naturelle essentielle exploitée depuis plusieurs années par les agriculteurs, les producteurs maraîchers et les embouteilleurs. Cette exploitation des eaux souterraines a généré certaines préoccupations chez la population québécoise, tant au niveau de la durabilité de cette ressource qu'au niveau du changement de sa qualité, Les représentants des différents paliers de gouvernement sont ainsi confrontés à un conflit d'intérêt entre la population et les utilisateurs commerciaux de la ressource en eau potable, et à un manque de connaissance pour la prise de décisions éclairées sur l'exploitation des eaux souterraines. Est-il possible d'exploiter commercialement la ressource en eau sans en compromettre la pérennité? Afin de répondre aux besoins de connaissance sur la ressource en eau des autorités régionales et locales, il était donc nécessaire d'entreprendre une étude hydrogéologique complète. Les études préalables réalisées par le Ministère de ('Environnement du Québec, les entreprises d'embouteillage et les municipalités étaient insuffisantes pour caractériser à l'échelle régionale ce qui s'avère être des aquifères fracturés complexes. La Commission Géologique du Canada et ses collaborateurs scientifiques ont donc obtenu le mandat des différents intervenants gouvernementaux pour entreprendre le projet multidisciplinaire de cartographie hydrogéologique régionale «AFSOQ ». Une partie de l'étude porte sur la caractérisation des lithologies et des structures des formations qui constituent les aquifères rocheux fracturés de la région. Étant donné que les affleurements sont peu nombreux dans cette région, il est donc impossible d'extrapoler les observations de surface des lithologies et des structures aux formations profondes recouvertes par une couche épaisse de sédiments.
Les diagraphies géophysiques réalisées dans des puits de forage apparaissent donc comme un outil géophysique qui présente un bon potentiel pour la caractérisation des unités lithologiques et les structures cassantes de la région d'étude. En effet, les diagraphies géophysiques permettent d'identifier et de différencier la plupart des matériaux géologiques. Elles permettent également dans certains cas d'identifier les structures cassantes qui affectent les formations rencontrées. Bien que les diagraphies géophysiques appliquées à l'hydrogéologie sont couramment utilisées pour des études
Le premier objectif du présent mémoire consiste à caractériser à l'aide des diagraphies géophysiques les différentes unités lithologiques qui constituent les formations des Basses-Terres du Saint-Laurent. C'est à dire de définir les caractéristiques physiques propres à chaque formation (porosité, densité, résistivité, etc.) à partir de diagraphies réalisées avec les sondes géophysiques disponibles à l'UL. Le second objectif porte sur la caractérisation détaillée des discontinuités physiques et des éléments structuraux de la déformation cassante telles les fractures et les failles toujours à l'aide des diagraphies géophysiques. Cette caractérisation inclut les composantes géométriques des discontinuités (pendage, direction du pendage, ouverture des fractures) et les caractéristiques hydrauliques (conductivité hydraulique, débit, etc.). Le présent projet vise également à vérifier l'applicabilité de chaque outil diagraphique dans le contexte du projet de cartographie hydrogéologique AFSOQ.
Les objectifs spécifiques du projet sont de ;
1. réaliser des diagraphies géophysiques appliquées à l'hydrogéologie; 2. traiter et analyser ces diagraphies géophysiques;
3. définir la signature géophysique des formations géologiques de la région étudiée; 4. réaliser des corrélations lithologiques entre les puits;
5. définir la signature géophysique des différentes structures cassantes qui affectent les formations; et
6. corréler les résultats structuraux des puits de forage avec les observations de surface
1.3
Méthodologie
L'acquisition des données a été réalisée lors d'une seule campagne de terrain à l'été 2000 à l'aide des systèmes de diagraphies géophysiques de l'UL et de l'USGS. Le système de l'USGS est complémentaire à celui de l'UL. Toutes les sondes du système de diagraphies géophysiques de l'UL ont été systématiquement utilisées dans tous les puits étudiés. Il s'agit du diamétreur, de la sonde poiy-électrique, de la sonde gamma naturel, de la sonde à induction et de la sonde sonique. Parmi tous les puits étudiés, seulement huit ont été sondés à l'aide du système de diagraphies géophysiques de l'USGS. En effet, le séjour de seulement une semaine de l'équipe de l'USGS dans la
région d'étude ne permettait pas de sonder plus de huit puits. Les sondes suivantes de l'USGS ont été systématiquement employées dans ces huit puits : la sonde de porosité-neutron, la caméra numérique acoustique et la caméra numérique optique. Occasionnellement, les sondes suivantes de l'USGS ont été utilisées : la sonde poly-électrique, le diamétreur, la sonde à densité-gamma et le débitmètre électromagnétique. Le système de diagraphies géophysiques de l'UL a été installé dans un véhicule de type fourgonnette permettant l'accès au puits, le transport et l'installation de l'équipement. Au total, lors de la campagne de terrain, 23 puits ont été sondés pour une longueur totale de puits sondés d'environ 1600 m.
L'utilisation du logiciel WelICAD de ALT sàrl. a permis le traitement et l'analyse des données. Pour la réalisation de cette étape, les données des diagraphies ont été préalablement validées. En effet, les corrections et les filtres nécessaires ont été appliqués.
L'identification des signatures géophysiques des lithologies a nécessité des informations complémentaires extraites de diverses bases de données (Ministère des Transports, Environnement Canada) ou encore des rapports réalisés par les municipalités concernées par le projet AFSOQ. Ces informations ont permis de connaître la stratigraphie des puits sondés. Les graphiques de corrélation Résistivités normales - Gamma ainsi que l'évaluation de la porosité à l'aide de plusieurs diagraphies ont permis d'identifier les différentes lithologies traversées.
Lors du traitement des données, la représentation graphique des diagraphies géophysiques a été normalisée. Afin de faciliter la corrélation entre les puits sondés pour l'identification de l'extension latérale des lithologies. Les diagraphies classiques et auxiliaires ainsi que la description détaillée d'échantillons de carottage ont été nécessaires pour l'identification des signatures géophysiques des structures cassantes qui affectent les formations.
Pour les corrélations entre les structures observées en surface et celles observées dans les puits de forage, des projections stéréographiques ont été produites à partir des résultats de l'analyse structurale des images optique et acoustiques. Ensuite, ces projections ont été comparées à celles obtenues des observations de surface effectuées par J.-M. Lemieux (2000).
1.4
Localisation
du
site
d’étude
La région d'étude, dont la superficie fait environ 1500 km2, se situe à l'ouest de Montréal et couvre principalement les M.R.C. d'Argenteuil, de Deux-Montagnes, de Mirabel et de Thérèse de Blainville (Figure l).
Les frontières naturelles de la région d'étude sont :
au nord : les hauts reliefs des Laurentides représentés par la barrière géologique du contact entre les roches sédimentaires des Basses-Terres du Saint-Laurent et les roches précambriennes du Bouclier Canadien;
au sud-ouest : la rivière Ottawa;
au sud : le lac des Deux-Montagnes; et au sud-est : la rivières des Mille-Iles.
1.5
Contexte
géologique
Dans le sud du Québec, les terrains situés au sud du Bouclier canadien sont constitués principalement de roches sédimentaires paléozoïques (-570 à -245 Ma) (Marquis, 1994). Les terrains paléozoïques du sud du Québec sont divisés en deux provinces qui regroupent chacune des terrains dont les caractéristiques lithologiques et structurales sont semblables : la Plate-Forme du Saint-Laurent et les Appalaches. La Plate-Forme du Saint-Laurent regroupe les strates sédimentaires peu déformées en bordure du Bouclier Canadien. Les Appalaches regroupent les roches plissées et taillées au sud-est de la plate-forme. La limite entre les deux provinces est une faille de chevauchement appelée la faille Logan. La Plate-Forme du Saint-Laurent est divisée en deux sous- provinces. La sous-province de la plate-forme des Basses-Terres du Saint-Laurent est à l'est tandis que la plate-forme d'Anticosti est à l'ouest.
Les formations rencontrées dans la région d'étude font partie de la séquence sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent. La figure 2a est une coupe schématique Nord-Sud qui montre les différents domaines appartenant à un cycle orogénique complexe qui a affecté modérément les strates de la séquence sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent. Cette séquence fait partie du domaine autochtone (Marquis, 1994). Les colonnes stratigraphiques de la figure 2b représentent la séquence des groupes de la Plate Forme des Basses-Terres du Saint-Laurent rencontrées respectivement dans la région de Montréal et de Québec. Les formations présentes dans la région d'étude sont représentés par la colonne stratigraphique de Montréal. Les groupes de Potsdam et de Beekmantown n'affleurent pas dans la région de Québec.
Bien que la colonne stratigraphique de la région de Montréal soit la plus représentative des formations rencontrées dans la région d'étude, les flyschs et molasses n'ont pas été observées dans la région. Les roches sédimentaires rencontrées sont composées de grès, de dolomies et de
---•+
b)
ÉCAILLES AU FRONT
DES NAPPES (CAMBRO-ORDOVICIEN)NAPPES EXTERNES Beekmantown, Chazy
Black River, Trenton
0 5 10 15 20 Échelles approximatives
FL FailleLogan Faille normale Faille inverse
MONTRÉAL (groupes) QUÉBEC LITHOLOGIES (groupes) Molasse Flysch Calcaire Dolomie Grès Queenston Lorraine Utlca Trenton Black River Chazy Beekmantown Potsdam Grenville Shale rouge Shale, siltstone Shale noir Queenston Lorraine Utica Trenton Calcaire Black River Calcaire
Sédimentation absente Grenville Socle métamorphique Discordance d'érosion O
Ordovicien ■€ Cambrien P£ Précambrien
Figure 2: Coupe schématique de la séquence sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent A) Profil structural schématique de la Plate-Forme des Basses-Terres du Saint-Laurent au sud-est de
Montréal. B) Colonnes stratigraphiques dans le domaine autochtone des Basses-Terres du Saint- Laurent (Tiré de Marquis, 1994).
calcaires. Les grès du Groupe de Potsdam reposent en discordance d'érosion sur le socle précambrien. Les dolomies du Groupe de Beekmantown sont en concordance avec les grès du Potsdam, mais à certains endroits ils sont en discordance sur le socle précambrien. La puissance maximale de la séquence sédimentaire des Basses-Terres du Saint-Laurent d'âge Cambrien supérieur à Ordovicien moyen varie entre 1500 et 3000 m (Globensky, 1987). Deux intrusions carbonatiques d'âge crétacé forment les hauts reliefs de la région; ce sont les collines d'Oka et de Saint-André. Le tableau 1 présente une description des unités lithologiques caractéristiques des groupes et formations qui affleurent dans la région d'étude.
La carte géologique et structurale de la région détude (figure 3) est le résultat de la compilation des données géologiques et structurales mise à jour par Rocher, Salad-Hersi, Castonguay (2001). En terme de superficie, ce sont les dolomies, les grès et finalement les calcaires qui prédominent. Sur la figure 3, plusieurs structures majeures sont représentées : l'axe d'un synclinal est-ouest qui affecte toute la région d'étude et trois anticlinaux plus modestes d'orientation nord-est sud-ouest. De nombreuses failles probables sont identifiées sur cette carte. Les affleurements sont peu nombreux dans la région d'étude. Les auteurs de cette carte géologique et structurale n'ont donc pas encore pu confirmer la présence de la plupart de ces discontinuités majeures. Globensky (1987) avait tracé un anticlinal de direction nord-nord-ouest et sud-sud-ouest dans la partie centrale de la région. Le pendage maximum mesuré sur les flancs de cet anticlinal ne dépassait pas 8 degrés. Bien que de nouvelles structures ont été identifiées, les auteurs de la nouvelle carte géologique n'ont pas tenu compte de cet anticlinal dans leur interprétation structurale.
Ces informations sur la géologie de la région d'étude sont fondamentales pour l'interprétation des diagraphies géophysiques réalisées dans le cadre du projet AFSOQ principalement au niveau de l'identification des signatures géophysiques des formations et des corrélations lithologiques entre les puits. En outre, les informations en profondeur sur les formations traversées obtenues de l'interprétation des diagraphies géophysiques permettront de compléter la géologie de la région d'étude. En effet, il manque toujours au géologue cette information sur la troisième dimension qu'est la profondeur que peuvent lui apporter les diagraphies géophysiques. Et, finalement, les puits de forage non échantillonnés, qui ne sont d'aucune utilité pour le géologue, sont mis en valeur par les diagraphies géophysiques.
Les aquifères fracturés de la région d'étude sont situés dans les formations des Basses-terres du Saint- Laurent. L'aquifère régional confiné et non-confiné est composé de roches sédimentaires fracturées
Âge Groupe Formation &
Puissance (m) Composition (dans l’ordre stratigraphique)
Ordovicien moyen
Trenton Deschambault (30)* & Mile End (10)*
- Bancs de calcaire argileux gris foncé ; d'épaisseur variant entre 0,05 à 0,15 m
- Bancs de calcarénite pure d'épaisseur variant entre 0,2 à 1 m
Black River Indifférenciées (30)*
- Calcaires gris foncés à grains fins (interiits de shale) - Cdlcaires pâles à grains fins (calcilutlte)
- Dolomies grises à grains très fins (contenant grès, argile et calcaire)
Chazy Laval (100)* - Calcarénite, calcisilite, shale
(Partie sup. argileuse; Partie inf. gréseuse)
Ordovicien inférieur Beekmantown
Carillon (35 à 240)**
Dolomies laminées à grains fins au sommet. Shales dolomitiques et lits de calcaires à la base.
Beauharnois (83 à 242)**
Dolomie massive et laminée de couleur grise à altération beige. Grain de 0,01 à 0,04 mm de diamètre. La base est représentée par un banc épais (> 1 m) de dolomie quartzeuse. Discordance sur Thérésa.
Thérésa (10 à 30)**
Interstratification de dolomie, grès dolomitique, et grès quartzite à la base
Cambrien supérieur Potsdam
Caimside (244) *
Grès quartzite pâle à grain fin, bien cimenté (91 à 99% SiO2)
Covey-Hill (518) *
Grès feldspathiques rougeâtre à grains grossiers mal cimentés (80 à 99% de quartz, 3 à 10% de plagioclases et microlines, 1 à 3% de minéraux accessoires), intercalation de dolomie microcristalline silteuse.
* D'après Globensky, 1987. ** D'après Bernstein, 1992.
Légende
Crétacé
I I Intrusion alcaline
FORMATION DE BEAUHARNOIS
j MembredeHuntington
j ^i| Membre de Ogdensberg
| |FORMATION DE THÉRÈSA Coupe 4 Coupe 1 Coupe 3 Coupe 5 Symboles Coupe 2 Ordovicien I :IFORMATIONDE TRENTON
inc.ueles Icrmahcne de Deccr«nt>akJl et Montreal
LJ| GROUPEDE BLACKRIVER
□ GROUPEDE CHAZY GROUPE DE BEEKMANTOWN
Cambrien Supérieur ?
GROUPEDE POTSDAM { | FORMATION DE CAIRNSIDE
□ FORMATIONDE COVEY HILL
Protérozoïque Socle grenvilten
Coupes géologiques
Coupe 4
Exagération verticale 5X
Figure 3: Carte géologique et structurale de la région d'étude. (compilée et mise à jour par Rocher, Salad-Hersi et Castonguay, 2001 ).
confiné, sur une grande partie de la superficie étudiée, par une épaisse couche d'argile à très faible perméabilité. L'aquifère régional est non-confiné sur les hauteurs topographiques qui ont été également identifiées comme des zones de recharge (Nastev, 2001). Sur ces hauteurs topographiques, le socle rocheux est recouvert par des matériaux glaciaires tel que du till.
Les puits d'exploitation sont généralement entubés de la surface jusqu'au contact avec la roche. La zone d'altération de la roche au contact avec les sédiments est mal définie. La profondeur à laquelle le tubage s'enfonce n'est donc pas un indicateur fiable de la profondeur du contact avec le socle rocheux. En outre, la présence de ce tubage en acier n'a pas permis l'étude détaillée de la zone d'altération avec les diagraphies géophysiques.
1.6
Fracturation
des
roches
Une étude de la fracturation des roches a été réalisée dans le cadre d'un projet de fin d'étude (Lemieux, 2000). L'objectif principal de ce mémoire consistait en la caractérisation de la fracturation des aquifères fracturés du projet AFSOQ. Les objectifs spécifiques de ce mémoire étaient de discriminer les différentes familles de joints et d'évaluer leur variabilité spatiale sur l'ensemble du territoire, de déterminer les caractéristiques physiques et géométriques de chaque famille (espacement, longueur, connectivité), d'établir un lien entre la fracturation et la circulation de l'eau souterraine et d'évaluer l'effet des structures secondaires (plis et failles) sur l'écoulement. La méthode utilisée était basée sur les observations en surface, autant dans les carrières que sur les affleurements. Dans les carrières et sur les affleurements de bonne qualité, la collecte de données a été réalisée à l'aide de la méthode linéaire systématique qui consiste en une collecte de données le long d'un plan d'observation gradué sur lequel l'orientation, la direction et le pendage de tous les joints sont mesurées. De plus, cette méthode tient compte de caractéristiques particulières telles que la longueur, l'espacement et la continuité des joints. De retour en laboratoire, des statistiques ont été réalisées sur les données recueillies.
Suite aux observations de surface de la région d'étude et à l'analyse des données recueillies, les conclusions suivantes ont été tirées :
■ Les fractures qui sont généralement verticales ont été regroupées en familles dont les orientations sont relativement constantes sur chaque site;
■ Dans les carrières, chaque famille de fractures conserve un espacement moyen constant de 1 à 2 m;
■ Puisque l'espacement des joints de chaque famille est constant dans les carrières, le degré de fracturation dépend du nombre de familles de joints. Pour les formations étudiées dans les carrières, la formation de Beauharnois exploitée dans la carrière de St-Eustache est la plus fracturée. La formation de Thérésa est moins fracturée que celle de Beauharnois. Cependant, elle est plus fracturée que la formation de Cairnside.
■ Dans chaque carrière, Il n'y a pas de variation verticale de l'espacement des joints. ■ Le degré de fracturation augmente à proximité des failles.
■ Les joints de litages jouent un rôle prépondérant dans la circulation des eaux souterraines. ■ La zone de contact, d'une épaisseur de 1 à 2 m, entre les formations rocheuses et les
sédiments est représentative d'un roc altéré dans laquelle l'eau circule abondamment. ■ À l'échelle régionale, les joints ne semblent pas avoir d'orientation préférentielle à l'intérieur
d'une même formation.
■ Il semble que les joints d'orientation nord-ouest sud-est dans le nord-ouest de la région possèdent la même orientation que les failles relevées dans la carrière Lafarge (voir annexe LA), c'est-à-dire entre 140 et 155°.
Ces conclusions sont particulièrement intéressantes dans la mesure où elles pourront être comparées directement aux données obtenues sur la fracturation des formations à l'aide des diagraphies. Le site de la carrière de Saint-Eustache, qui est bien documenté par J-M. Lemieux (2000), a été davantage étudié. En effet, ce site a fait l'objet d'une étude hydrogéologique locale dans le cadre d'un projet de maîtrise qui a nécessité la réalisation de 3 forages, avec échantillonnage, séparés de moins de 15 mètres les uns des autres. Des essais hydrauliques ont permis d'obtenir des valeurs de transmissivité en fonction de la profondeur par intervalle de 2 m. Ces essais hydrauliques sont aussi considérés comme une diagraphie puisqu'il donne la transmissivité en fonction de la profondeur. Ils ont donc été intégrés dans l'étape d'analyse des diagraphies. Des diagraphies géophysiques ont également été réalisées dans ces trois puits durant la campagne de terrain de 2001.
La synthèse des caractéristiques des différentes familles de joints est présentée au tableau de l'annexe I.A.
LES DIAGRAPHIES GÉOPHYSIQUES
2.1
Définition
et historique
Une diagraphie dont le terme anglais consacré est « log » est un enregistrement continu des variations d'une caractéristique physique donnée en fonction de la profondeur dans un puits. La première diagraphie a été réalisée par Marcel et Conrad Schlumberger en 1927 pour l'exploration pétrolière (Serra, 1979). Cette méthode géophysique développée à l'origine pour le milieu pétrolier a été adaptée dans les années 50 aux besoins des études hydrogéologiques.
2.2 Description
du
matériel
2.2.1 Généralités
Deux systèmes de diagraphies géophysiques ont été utilisés dans le cadre du présent projet : le système de l'Université Laval (UL) et celui du département de diagraphies géophysiques de l'USGS. Le système de l'UL est compact et facilement transportable à bord d'un véhicule léger, Le système a été mis au point et est vendu par la compagnie Mount Sopris Instrument MSI à Golden au Colorado. Le système de l'USGS est composé d'un véhicule spécialement aménagé à cet effet.
Les principaux éléments qui composent un système de diagraphies géophysiques sont des sondes, un câble, un treuil, une console d'acquisition de données, un ordinateur de type PC et une alimentation électrique. Une représentation schématique d'un système de diagraphies géophysiques est donnée à la figure 4.
Génératrice Console d'acquisition Ordinateur Sonde immergée dans un puits Électrode de surface
7
—
caractéristiques techniques des composantes du système de diagraphies géophysiques sont données dans les manuels d'opération fournis par MSI, certaines particularités du système seront présentées dans le présent chapitre,
2.2.2Les sondes
Les sondes, également nommées outils diagraphiques, sont les instruments descendus dans les puits au bout du câble. Elles permettent de mesurer des paramètres physiques des formations traversées ou du fluide présent dans le puits. Les sondes sont généralement composées de récepteurs ou détecteurs, et certaines sont aussi équipées d'émetteurs. Ces émetteurs qui sont très variés peuvent être la source d'une radioactivité, d'un champ électromagnétique, de courants continus ou alternatifs ou encore d'un signal acoustique de basses à très hautes fréquences. La fonction commune à toutes les sondes est de mesurer un ou plusieurs paramètres en fonction de la profondeur et de transmettre le signal à la surface par l'intermédiaire du câble.
Le tableau 2 présente les sondes qui ont été utilisées dans le cadre du présent projet ainsi qu'une description succincte de certaines particularités techniques. Le lecteur est référé aux manuels d'opération de MSI pour de plus amples informations.
Plusieurs combinaisons d'assemblage sont possibles entre les sondes. La section 2.4 sur les paramètres enregistrés et les procédures de mesure décrit les assemblages et les mesures associées à chaque combinaison de sondes. La figure 5 présente les différentes sondes du système de diagraphies géophysiques de l'UL.
La figure 6a montre le détail de la capsule de la caméra acoustique (ATV). Cette capsule est remplie de liquide pour permettre la transmission des ondes acoustiques de l'émetteur/récepteur à la paroi de la capsule. La figure 6b montre le détail de la capsule de la caméra optique (OTV) de technologie très récente. Les petits tubes cylindriques visibles à la base de la partie métallique de la sonde sont les projecteurs de lumière dont l'intensité s'ajuste en fonction du diamètre du puits. Ces deux sondes nécessitent d'être centrées très précisément dans le puits lors du sondage.
Tableau 2: Caractéristiques des sondes utilisées pour le projet.
Sondes (Nom générique
de MSI)
Système Type
d'enregistrement Résolution Précision Particularités techniques
Induction
(2PIA-1000) UL
Conductivité
(mhos/m) 0,02 % 5%
Conçue par Geonix Ltd, et adaptée par MSI. Un dipôle émetteur et un
dipôle récepteur. Sonique (2SAA-1000) UL Signal acoustique (MS/m) 2 us ...
Conçue par A.L.T. et adaptée par MSI : 1 émetteur, 2 récepteurs à une distance de 91,5 et 121,9 cm de l'émetteur Radioactive : Neutron-neutron USGS Neutron (cps) — ... Source : Am O2 Be Conçue par Century Inc Radioactive :
Gamma-gamma USGS
Gamma-gamma (cps)
... ... Source : ,37Cs Conçue par Century Inc
Poiy-électrique
(2PEA-1000) UL
Gamma naturel (2PGA-1000)
(cps)
— ... Détecteur gamma : Nal de 22,22 mm de diamètre et 76,2 mm de longueur Potentiel spontané
(mv) 0,04 % 1 % Même électrode que RN 64" Résistance simple point (ohm) 0,02 % 1 % Courant DC Résistivités électriques normales (ohm-m) 0,02 % 1 % Espacements : 8 (20,32), 16 (40,64), 32 (81,28) et 64 (162,56) pouces (cm) Courant AC Fluide (2SFA-1000) UL Température (°C) 0,1 °C 1 %
La mesure se fait à l'aide d'un senseur sur un périphérique semi-conducteur à
réponse rapide Résistivité
(ohm-m) 0,05 % 1 %
Résistivité mesurée à l'aide de la configuration de Wenner à sept
électrodes Caméra acoustique
(ATV) USGS Image acoustique
H : 1,5°
V : 5 mm ...
Fréquence d'émission de 500 kHz, Rotation de 3 tours par seconde,
Conçue par Century Inc Caméra optique
[21Y) USGS Image optique
H : 0,5°
V : 2 mm ... Conçue par ALT Diamétreur
(2PCA-1000) UL
Mécanique : Diamètre
(cm)
0,1 mm ... 3 bras solidaires fixés à un potentiomètre linéaire Débitmètre à hélice (FLP-2492) UL Vitesse verticale du fluide (m/min) 2 m/min 0,3 m/min
Comptage des rotations à l'aide d'un système optique Débitmètre électromagnétique USGS Vitesse verticale du fluide (m/min)
30ml/min 5% Adaptée par Century Inc.
Figure 5: Les sondes du système de diagraphies géophysiques de l'UL.
De l'arrière à l'avant plan et de gauche à droite : la bobine d'étalonnage de la sonde à induction, le débitmètre à hélice FLP-2492, la sonde à induction 2PIA-1000, un adaptateur 2ADP-1000 et le diamétreur 2PCA-1000, la sonde gamma 2PGA-1000 et la sonde poly-électrique 2PEA-1000 fixées
ensemble et la sonde sonique 2SAA-1000 avec ses deux centralisateurs.
(A) (B)
Le débitmètre à hélice est la plus petite des sondes du système de diagraphies géophysiques de l'UL (120 cm de longueur et un diamètre de 2 cm). Sa petite taille limite les perturbations créées par les mouvements descendants ou ascendants de la sonde lors d'un sondage. La figure 7 montre l'extrémité inférieure du débitmètre avec l'hélice dans la cage protectrice.
La plupart de ces sondes sont prévues pour résister à des pressions correspondant au poids d'une colonne d'eau d'une hauteur de plus de 1400 m. Puisque le câble fait une longueur totale de 1000 m, il n'y a donc pas de possibilités d'endommager les sondes lors de leur utilisation par des pressions hydrostatiques trop importantes.
2.2.3 Le câbleetle treuil
Le câble a trois fonctions importantes : il assure la descente et la remonté des sondes; il assure la liaison électrique entre la sonde attachée à son extrémité et le système d'acquisition de données en surface; et, finalement, il est la référence pour la mesure des profondeurs associées aux mesures des paramètres physiques des sondes.
Le câble est composé d'un treillis d'acier inoxydable à l'intérieur duquel se trouvent des connecteurs électriques qui assurent la liaison électrique. Ce câble a un diamètre de 3,175 mm (1/8") et une longueur de 1000 m. Il est enroulé autour d'un treuil commandé par un moteur électrique. Une poulie numérique permet de mesurer le déplacement relatif du câble avec une précision de l'ordre du millimètre (Figure 8). Lorsque le niveau de référence est choisi, c'est-à-dire lorsque la partie supérieure du connecteur qui relie le câble à la sonde est au niveau du rebord du tubage, la profondeur indiquée sur les diagraphies est alors celle du point de mesure de chaque enregistrement par rapport au rebord du tubage.
Un panneau de commande monté sur le châssis du treuil permet de contrôler le moteur électrique. Il est possible de choisir le sens de rotation du tambour du treuil pour la descente ou la montée des sondes dans le puits ainsi que la vitesse de déroulement du câble. Cette vitesse apparaît sur l'écran de l'ordinateur. Le câble a une capacité de charge de 40 kg. Lors de la remontée, la manipulation doit être faite avec prudence car si la sonde reste coincée, la charge maximale peut être rapidement dépassée et conduire à la rupture du câble.
Le poids du treuil et du câble de 1000 mètres est d'environ 84 kg. Il est fixé sur un fond de caisse qui, une fois fermée, assure une bonne protection contre les chocs et l'humidité. Son entretien se limite au nettoyage occasionnel du câble et à la lubrification des éléments mécaniques mobiles.
Figure 7: Le débitmètre et son hélice (Modèle FLP-2492 de MSI).
2.2.4 Le systèmed’acquisitiondedonnées
Le système d'acquisition de données est composé d'une console et d'un ordinateur de type PC. La console est le modèle MGXII de MSI située physiquement au-dessus du treuil (figure 8). Elle contient les composantes électroniques d'émission et de réception des signaux électriques. Elle contient également les données informatiques nécessaires à la transmission et la réception des signaux digitaux et des commandes. Afin de répondre aux exigences de certaines sondes (l'ATV, l'OTV ainsi que la sonde sonique), la console est munie d'un modem pour la transmission rapide des signaux digitaux. L'ordinateur qui fait objet d'interface machine-humain permet de choisir les configurations d'enregistrement adéquates en fonction des sondes utilisées et des paramètres mesurés. Le logiciel MSLog de MSI installé sur l'ordinateur permet d'opérer le système. Ce logiciel utilise les pilotes sélectionnés par l'opérateur pour démarrer les sous-programmes relatifs à chaque configuration des sondes et des mesures. Le lecteur est référé au manuel d'utilisation de MSLog version 7 pour les informations complémentaires à son utilisation et son fonctionnement (MSI, 1999).
2.2.5 Les accessoires
Les accessoires les plus importants sont le système d'alimentation électrique, le trépied, les outils d'étalonnage indispensables à certaines sondes, la bride isolante du câble et les électrodes de surface. L'annexe II.A contient une liste de tous les accessoires qui font partie du système de diagraphies géophysiques de l'UL.
2.3
Les
sondes et
les
mesures
associées
Une sonde ou une association de sondes peut fournir plusieurs types de diagraphie. Le tableau 3 donne les paramètres physiques mesurés par les sondes. Des procédures ont été développées et appliquées afin que les mesures n'interfèrent pas entre elles lors d'un même enregistrement comme c'est le cas plus particulièrement de la sonde poly-électrique.
Au tableau 3, une distinction est faite entre les sondes volumétriques et les sondes auxiliaires. Les sondes volumétriques sont celles dont les paramètres physiques mesurés sont relatifs à un volume de roche. La sonde de fluide (2SFA-1000) est une sonde auxiliaire de mesure de la température et de la résistivité électrique du fluide dans le puits. Cette sonde est fixée en permanence sur la sonde poly- électrique (2PEA-1000).
Sondes Type d'enregistrements Paramètres mesurés V O L U M É T R IQ U E S Induction
(2PIA-1000) Conductivité électrique
Conductivité/Résistivité de la roche et du fluide de saturation
Sonde sonique
(2SAA-1000) Signal acoustique
Signai acoustique complet de la pression du fluide dans le puits
Radiactive: Neutron-Neutron Porosité - neutron Atténuation du flux de neutron
Radioactive: Gamma-Gamma Densité -gamma Atténuation du flux de rayonnement gamma
Poly-électrique (2PEA/F-1000+2PGA-1000)
Gamma naturel Radiation gamma naturel des formations
Potentiel spontané (PS) Effet naturel de membrane des shales
Résistance simple point (RSP) Résistance électrique de la roche, du fluide de formation et du fluide présent dans le puits Résistivités normales (RN) à 8, 16,
32 et 64 pouces Résistivité électrique des formations
A U X IL IA IR E S
Température du fluide (TempF) Température du fluide présent dans le puits
Résistivité du fluide (ResF) Résistivité du fluide présent dans le puits Caméra numérique acoustique
ATV Image acoustique Réflexion acoustique de la paroi du puits Caméra numérique optique OTV Image optique Contraste des couleurs de la paroi du puits
Diamétreur (Caliper)
(2PCA-1000) Diamètre Diamètre moyen du puits Débitmètres (Flowmeter) Mouvement du fluide relatif au
La sonde gamma naturel (2PGA-1000) doit être fixée au-dessus de l'assemblage des deux sondes poly-électrique (2PEA-1000) et de fluide (2SFA-1000), appelé 2PEA/F-1000 afin de pouvoir mesurer l'ensemble des paramètres physiques, En effet, lorsque ces trois sondes sont assemblées, neuf paramètres physiques peuvent être enregistrés à l'occasion d'un passage de la sonde,
La figure 9 illustre l'assemblage des trois sondes ainsi que la fonction de chaque électrode.
Les neuf mesures associées à cet assemblage sont les suivantes :
1. Potentiel spontané (PS) 2. Résistance simple point (RSP) 3. Gamma naturel (Gamma)
4. Résistivité Normale de 8 pouces (20,32 cm) (RN8) 5. Résistivité Normale de 16 pouces (40,64 cm) (RN16) 6. Résistivité Normale de 32 pouces (81,28 cm) (RN32) 7. Résistivité Normale de 64 pouces (162,56 cm) (RN64) 8. Température du fluide (TempF)
9. Résistivité du fluide (ResF)
Les électrodes A et B sont les électrodes de courant pour la mesure de la résistivité électrique, L'électrode A sert également à la mesure de la résistance simple point. Les valeurs de résistivités normales de 8, 16, 32 et 64 pouces sont respectivement déduites des mesures des différences de potentiels entre les électrodes M8, Ml 6, M32 et M64 d'une part et l'armure du câble d'autre part qui est l'électrode de référence N, La deuxième fonction de l'électrode M64 est de mesurer le potentiel spontané. L'électrode de référence pour la mesure de la résistance simple point (électrode A) et le potentiel spontané (électrode M64) est l'électrode de surface B. Les mesures de la température et de la résistivité électrique du fluide sont réalisées à l'aide d'un dispositif situé à l'extrémité de la sonde SFA. La bride est un câble isolant installé entre la sonde et le câble d'acier afin d'optimiser la mesure des résistivités normales.
Le tableau 4 montre les différents paramètres mesurés en fonction des configurations et des assemblages des sondes. Lorsque les sondes ont été assemblées, le logiciel MSLog permet de choisir un pilote donné en fonction de l'assemblage des sondes de la configuration désirée. Certains pilotes ne diffèrent entre eux que par l'échelle des valeurs mesurées, En effet, un pilote est nécessaire pour optimiser la résolution des mesures pour des formations dont la résistivité électrique n'excède pas 250 ohm-m et un autre doit être sélectionné si la résistivité attendue dépasse 250 ohm-m.
Figure 9: Assemblage de la sonde gamma, de la sonde poly-électrique et de la sonde de fluide, Description de la fonction de chaque électrode de cet assemblage.
Tableau 4: Mesures associées au pilote sélectionné.
| Sondes Choix du pilote Mesures associées
Gamma naturel PGA Gamma
PGA Mode passif PS + RSP
Induction
PIA : 0 - 100 ms
Conductivité Susceptibilité magnétique PIA : 0 -1000 ms
Induction + Gamma naturel
PIA + PGA : 0-100 ms Conductivité Gamma PA + PGA : 0-1000 ms PA + PGA Mode passif PS + RSP
Diamétreur PCA Diamètre moyen du trou
Diamétreur + Gamma naturel
PCA + PGA (Uniquement en montée)
Diamètre moyen du trou Gamma PCA + PGA
Mode passif PS + RSP
Gamma + Poly-électrique + Fluide
PEA/F + PGA : 0-250 ohm-m
PS + RSP + Gamma + R(8,16,32,64) + TempF + ResF
PEA/F + PGA : 0-2500 ohm-m PEA/F + PGA
La sonde gamma est fixée systématiquement sur la sonde poly-électrique, la sonde à induction et le diamétreur. Le pilote qui gère la communication entre un assemblage de sondes et la console d'acquisition est particulier à cet assemblage. Ce pilote est différent de celui utilisé si l'une de ces sondes était en mode de fonctionnement individuel. En effet, la transmission des signaux de la sonde ou d'un assemblage de sondes vers la console est alors différente.
2.4
Paramètres
enregistrés
et
procédures de mesure
Un bref rappel théorique sera fait dans cette section sur les paramètres physiques enregistrés et les mesures associées. Ces notions sont extraites principalement de quatre ouvrages (Chapellier, 1987; Hearst et Nelson, 1985; Keys, 1997; Serra, 1979) qui sont recommandés au lecteur pour obtenir davantage d'informations sur les paramètres physiques mesurés et sur les phénomènes qui affectent les mesures des diagraphies géophysiques.
Une distinction est faite entre les phénomènes naturels (potentiel spontané, radioactivité naturelle, température du fluide, diamètre et déviation de la verticale du puits) et les phénomènes provoqués (résistivité électrique, résistance électrique, porosité, densité, ondes acoustiques, imagerie acoustique et optique, écoulement des fluides). Les premiers phénomènes sont engendrés naturellement par les formations rencontrées dans un puits. Ils sont mesurés à l'aide de récepteurs passifs adéquats. Les phénomènes provoqués sont mesurés seulement lorsqu'un signal est transmis par l'intermédiaire d'un émetteur d'une sonde donnée dans les formations rencontrées dans un puits. Le ou les receveur(s) de cette sonde mesure alors le champ de potentiel du signal transmis.
2.4.1 Les phénomènes naturels
2.4.1.1 Potentiel spontané
Le potentiel spontané (PS), également appelé potentiel naturel, est causé par des forces électromotrices naturelles d'origine électrochimique et électrocinétique (Chapellier, 1987). L'origine de ces forces électromotrices est due principalement aux phénomènes suivants :
• Potentiel de membrane : c'est une force électromotrice (fém) qui se développe lorsque deux électrolytes de concentration différente en sels dissous sont séparés par de l'argile.
de forage.
• Potentiels parasites : le potentiel d'oxydoréduction créé par la présence de sulfures métalliques et le potentiel d'électrofiltration qui est produit par le mouvement d'un électrolyte à travers un milieu poreux.
La mesure d'un potentiel spontané est faite à l'aide d'un voltmètre. Il s'agit d'une différence de potentiel mesuré entre une électrode de référence placée en surface et une électrode mobile dans le puits.
L'électrode M64 de la combinaison des sondes 2PEA/F-1000 et 2PGA-1000 est l'électrode mobile tandis que l'électrode B est l'électrode de référence en surface (figure 9). La figure 10 illustre le principe de mesure du PS dans un contexte géologique simple. La mesure relative obtenue s'exprime en Volt (V) ou encore en millivolt (mV). Dans un contexte hydrogéologique normal les valeurs relatives positives indiquent des formations poreuses et dépourvues d'argile. Par contre, les valeurs relatives négatives indiquent la présence d'argile ou de shale. Ce phénomène s'inverse si la résistivité de la boue de forage est inférieure à celle de l'eau de formation (Chapellier, 1987).
2.4.1.2 Radioactivité naturelle
La radioactivité naturelle est la transformation spontanée d'un noyau atomique radioactif au cours de laquelle celui-ci émet un rayonnement. Trois types de rayonnements sont possibles : alpha (a), bêta (P) et gamma (y). Le rayonnement y est le plus pénétrant et il joue donc un rôle prépondérant dans la mesure de la radioactivité naturelle (Serra, 1979). Trois éléments radioactifs sont dominants dans les roches sédimentaires : l'uranium 238U, le thorium 232Th et le potassium 40K. La diagraphie du rayonnement gamma naturel à comptage total (« Gamma Ray » en anglais) ne différencie pas les rayonnements émis par ces trois isotopes radioactifs. Dans le contexte géologique des Basses-Terres du St-Laurent, comme pour la plupart des roches sédimentaires, c'est le potassium 40K présent dans les feldspaths alcalins, les micas et les minéraux argileux, comme l'illite potassique, qui est la source principale de la radioactivité naturelle.
La mesure est réalisée à l'aide d'un compteur à scintillation, composé d'un cristal scintillant tel qu'un iodure de sodium activé au thallium qui émet un photon lumineux lorsqu'il est atteint par un rayonnement gamma. L'énergie du photon est ensuite amplifiée par un photomultiplicateur qui la
Figure 10: Principe de la mesure du potentiel spontané (PS). - (mV) + Prof, (m) - 2 -- 2 -- 3 -- 3
-relative des radio-isotopes dans des shales (Keys, 1997). Au Canada, des fosses d'étalonnage sont disponibles au Nouveau-Brunswick et en Saskatchewan (Killeen, 1986). Pour les études hydrogéologiques, l'unité de mesure relative est habituellement en coups par seconde (cps) (Chapellier, 1987). Dans la plupart des contextes géologiques, 90% des radiations détectées proviennent d'une épaisseur de 15 à 30 cm des formations traversées par le trou de forage (Keys, 1997). La mesure du rayonnement gamma des formations rencontrées dans les puits étudiés dans le cadre du présent projet a été réalisée à l'aide de la sonde 2PGA-1000.
2.4.1.3 Température
La température du fluide présent dans le trou de forage peut dépendre de phénomènes physiques tel que le gradient géothermique et la perte ou la venue de fluide dans le puits (Chapellier, 1987). Le gradient géothermique varie en fonction des propriétés thermiques des roches et du flux de chaleur. Aux États-Unis, le gradient géothermique varie normalement entre 8 et 50 °C/Km, c'est-à-dire entre 0,25 et 1,5 °C par 30 m (Hearst et Nelson, 1985) et environ de 1 °C par 30 m en Europe (Chapellier,
1987).
La mesure de la température est réalisée à l'aide d'une thermistance dont la résistance électrique varie en fonction de la température. Cette thermistance est fixée à l'intérieur d'une cellule ouverte qui laisse circuler le fluide présent dans le puits lors du déplacement de la sonde. L'enregistrement se fait normalement en descendant dans le puits à vitesse lente d'environ 2 m/min afin que les températures ne soient pas modifiées par le mouvement de la sonde. La diagraphie de température est interprétée directement. Elle est surtout utilisée pour corriger les diagraphies de résistivités et identifier des pertes ou des venues de fluide. La mesure de la température du fluide a été réalisée dans le cadre du présent projet à l'aide de la sonde 2SFA-1000 fixée en permanence à la sonde 2PEA-1000.
2.4.1.4 Diamètre du puits
Le diamètre du puits dépend non seulement du diamètre de l'outil de forage, mais également de la technique utilisée et de la lithologie (Keys, 1997). En effet, les méthodes destructives de types battage, tricônique et marteau de fond de trou auront des impacts plus importants sur les variations
