Etude expérimentale des roches à très faible perméabilité par la

ACADEMIE DE MONTPELLIER
UNIVERSITE MONTPELLIER II
- SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC -
THESE
Présentée à l’Université Montpellier II Sciences et Techniques du Languedoc
pour obtenir le diplôme de DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE ET CHIMIE DE LA TERRE
Formation Doctorale : Structure et Evolution de la Lithosphère
Ecole Doctorale : Sciences de la Terre et de l'Eau
Etude expérimentale des roches à très
faible perméabilité par la mise en œuvre
d'un perméamètre de précision.
par
Elodie LARIVE
Soutenue le 08 juillet 2002, devant le jury composé de :
BERNABE Yves Professeur, E.O.S.T., Strasbourg Rapporteur
ZAMORA Maria Maître de Conférences, Université Paris 7 Rapporteur
MAINPRICE David Directeur de Recherche, CNRS, UM II Directeur de thèse
DAVID Christian Professeur, Université de Cergy-Pontoise Examinateur
NICOLAS Adolphe Professeur, Université Montpellier II Président
1

A mes amours,
merci d'avoir été là, toujours.
IL VAUT MIEUX POMPER MEME S'IL NE SE PASSE
RIEN QUE RISQUER QU'IL SE PASSE QUELQUE
CHOSE DE PIRE EN NE POMPANT PAS.
Les devises Shadok
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Remerciements
Cet travail a été réalisé sous la direction de David Mainprice, dans le laboratoire de
Tectonophysique, au sein de l’Institut des Sciences de la Terre, de l’Eau et de l’Espace de
l’Université Montpellier II. Il a été supporté par le Ministère de la Recherche, le CNRS et le
Groupement de Recherche ANDRA-CNRS "Formations Géologiques Profondes".
Je souhaite tout d'abord remercier Monsieur Eric Lorfèvre, Docteur en Electronique et
Ingénieur au CNES de Toulouse, pour m'avoir supportée humainement, scientifiquement et
financièrement, sans faille, depuis notre merveilleuse rencontre et à chaque étape de ce long
périple.
Au terme d'un travail de quatre ans, parfois éprouvant, mais infiniment enrichissant, je
tiens à remercier Monsieur David Mainprice, Directeur de Recherche à l'Université
Montpellier II, directeur du laboratoire de Tectonophysique et de cette thèse, à l'initiative de
ce projet innovant et ambitieux, pour m'avoir proposé d'en prendre la charge, m'avoir laissé
une autonomie complète, m'avoir fait confiance, avoir mis à ma disposition tous les crédits
nécessaires à sa réalisation et m'avoir aidée lorsque je le lui ai demandé.
Le perméamètre de précision n'aurait certainement pas pu voir le jour, ni les mesures
aboutir, sans le soutien permanent et complet de Messieurs les Ingénieurs Etienne de
Vautibault et Pierre Azaïs. Que leur humanité, leur motivation, leur dynamisme et leur
sérieux soient ici solennellement remerciés. J'associe à ces remerciements Monsieur Patrick
Nicol qui a contribué à la phase de réalisation .
Je tiens également à remercier Monsieur Jalal Khazanehdari, Ingénieur chez
WesternGeco, pour la pertinence de ses remarques et l'attention qu'il a toujours su porter à
nos discussions. Il a mis à ma disposition les échantillons de grés de Yorkshire, qu'il savait
intéressants et qui se sont avérés extrêmement précieux pour l'aboutissement de mon travail.
Je remercie sincèrement Madame Maria Zamora, Maître de conférences à l'Institut de
Physique du Globe de Paris, pour son soutien et pour avoir accepté de rapporter cette thèse
et d'examiner mon "Nouveau Chapitre". Je remercie également Monsieur Yves Bernabé,
Professeur à l'Institut de Physique du Globe de Strasbourg, pour l'honneur qu'il m'a fait en
acceptant d'être rapporteur de cette thèse. Ses observations et commentaires ont été essentiels
à l'aboutissement de ce mémoire. J'associe à ces remerciements Monsieur Christian David,
Professeur à l'Université de Cergy-Pontoise, pour m'avoir fait l'honneur d'examiner mon
travail ainsi que Monsieur Adolphe Nicolas, Professeur de l'Université Montpellier, pour
avoir soutenu le projet du perméamètre de précision, accepté d'examiner ce travail et de
présider le Jury de Thèse.
Je dois remercier également les différents fournisseurs cités dans le texte, Monsieur
Nicolas de R2N, Messieurs Topin et Venet de Top Industrie et Madame Taisch de Keller, pour
leurs nombreuses réponses à mes nombreuses questions, et pour les pièces indispensables à
l'aboutissement de ce projet.
Après neuf années passées au sein de l'ISTEEM, je tiens à en remercier tous les
membres pour les échanges humains et scientifiques qui ont contribués à ma formation et à
l'aboutissement de mon projet. Je remercie entre autres Christophe Nevado (lames minces),
Emmanuel Ball (dessin et chant), Suzanne Raynaud (microstructure), Bernadette Marie-
Hurson (ordres de mission et bons de commande), Frédéric Masson, Patrick Pinettes.
Merci aux Docteurs, Agnès Dubois, Isabelle Techer, Gwenaëlle Lamoureux, Walid Ben
Ismaïl, Yvonne Font, Florence Einaudi, Maggy Heintz et Benoît Gibert pour leur présence,
leur franchise, leur soutien. A tous mes amis, merci.
Je souhaite aussi remercier mes parents, frères, belle-sœur, et mon fils, pour tout ça.
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Table des matières
Etude expérimentale des roches à très faible perméabilité par la
mise en œuvre d'un perméamètre de précision
INTRODUCTION 9
CHAPITRE I 13
I MICROSTRUCTURE, POROSITE ET PERMEABILITE DES ROCHES 13
I.1 Introduction 14
I.2 Le milieu poreux 14
I.2.1 Minéraux 14
I.2.2 Roches 14
I.2.3 Microstructure 16
I.3 La porosité 17
I.3.1 Définition 17
I.3.2 Pores 17
I.3.3 Fissures 18
I.3.4 Connectivité du milieu poreux 20
I.3.5 Tortuosité et chemin d'écoulement préférentiel 21
I.4 La perméabilité 21
I.4.1 Définition 21
I.4.2 Ecoulement stationnaire des fluides dans un milieu poreux - Loi de Darcy 21
I.4.3 Perméabilité et conductivité hydraulique 23
I.4.4 Dimensions 23
I.4.5 Mesure de la perméabilité en laboratoire 24
I.4.6 Milieu anisotrope 24
I.4.7 Applications et limites de la loi de Darcy 25
I.4.8 Ecoulement transitoire des fluides dans un milieu poreux 26
I.4.9 Equation de diffusion 26
I.4.10 Diffusivité hydraulique 27
I.4.11 Emmagasinement et compressibilité 27
I.4.12 Emmagasinement spécifique 28
I.5 Modélisation des écoulements 28
I.5.1 Introduction 28
I.5.2 Potentiels et couplage 29
I.5.3 Apport de la mécanique des fluides 30
I.5.4 Ecoulement dans un tube et une fissure - Loi de Poiseuille 30
I.5.5 Modèles de rayon hydraulique - Relation de Kozeny-Carman 30
I.5.6 Théorie de la percolation 31
I.5.7 Modèles "statistiques" 32
I.5.8 Théorie des milieux effectifs 33
I.5.9 Modèles de réseaux 33
I.6 Détermination de la porosité 34
I.6.1 Introduction 34
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Table des matières
I.6.2 Mesure directe de la porosité 34
a) Mesure du volume d'un échantillon 34
b) Porosité totale après broyage 35
c) Porosité connectée par saturation 35
d) Porosité connectée par détente de gaz 35
e) Dimensions d'accès aux pores par la porosimétrie mercure 35
I.6.3 Evaluation de la porosité par mesures physiques 36
a) Porosité neutrons 36
b) Mesures acoustiques 36
c) Mesures électriques 37
I.6.4 Relation perméabilité – porosité 37
CHAPITRE II 39
II MESURES EN LABORATOIRE DE LA PERMEABILITE DES ROCHES 38
II.1 Introduction 39
II.2 Mesures et effet d'échelle 39
II.3 La méthode par écoulement stationnaire ("steady state flow method") 41
II.3.1 Principe 41
II.3.2 Mesure 41
II.3.3 Composante transitoire 43
II.4 La méthode par écoulement transitoire suite à une impulsion de pression ("transient
pulse method") 44
II.4.1 Principe 44
II.4.2 Modèle de Brace et al. (1968) 44
II.4.3 Solutions analytiques générales pour la méthode de pulse 47
a) Modèle mathématique 47
b) Solutions analytiques 48
c) Solutions particulières 49
d) Détermination de la perméabilité et de la capacité d'emmagasinement par unité de
volume à partir des abaques de Hsieh et al. (1981) 50
II.5 La méthode "harmonique" par écoulement alternatif sinusoïdal ("oscillating pore
pressure" technique) 51
II.5.1 Principe 51
II.5.2 Formulation mathématique 52
II.5.3 Résolution 55
II.5.4 Détermination des erreurs 56
II.6 Facteurs de variations de la perméabilité en laboratoire 58
II.6.1 Introduction 58
II.6.2 Perméabilité des roches 58
II.6.3 Perméabilité et pression effective 59
II.6.4 Perméabilité et pression de confinement 62
II.6.5 Cycles de pression et hystérésis 63
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