UNIVERSITE DE CERGY-PONTOISE ECOLE DOCTORALE : SCIENCES ET INGENIERIE Spécialité : Sciences de la terre et de l’univers THESE Présentée pour l’obtention du diplôme de Docteur par Van Hung NGUYEN MANUSCRIT PROVISOIRE COMPACTION DES ROCHES RESERVOIRS PEU OU NON CONSOLIDEES : IMPACTS SUR LES PROPRIETES DE TRANSPORT Thèse réalisée à IFP Energies nouvelles et à l’Université Cergy-Pontoise Soutenue le vendredi 16 novembre 2012 devant le jury composé de : Yves GUEGUEN Pr. Ecole Normale Supérieure Paris Rapporteur Pierre BESUELLE CR CNRS Université Joseph Fourier, Grenoble Rapporteur Jean SULEM DR CNRS Ecole des Ponts ParisTech Examinateur Teng-fong WONG Pr. State University of New York at Stony Brook Examinateur Patrick EGERMANN Dr. STORENGY Examinateur Christian DAVID Pr. Université Cergy-Pontoise Directeur Nicolas GLAND Dr. Ex IFP Energies nouvelles Co-encadrant Jérémie DAUTRIAT Dr. IFP Energies nouvelles Co-encadrant  A mon père et à ma mère. A mon frère. A ma femme. Remerciements Mes remerciements personnels s’adressent tout d’abord à mon encadrant à l’IFPEN, Nicolas Gland, qui a suivi en détail l’avancement de ce travail. Sa disponibilité (y compris les soirées, week-ends et vacances) et son encouragement m’ont été d’un appui colossal au cours de cette thèse. Je souhaite également témoigner toute ma reconnaissance à Jérémie Dautriat qui a suivi de près le travail de ma thèse et qui m’a donné de précieux conseils. Je remercie très chaleureusement mon directeur de thèse, Christian David pour m’avoir accordé une grande disponibilité, ses encouragements et sa confiance. Son expérience, sa rigueur scientifique, sa pédagogie ont constitué un soutien indispensable à la réalisation de cette étude. Madame Olga Vizika-Kavvadias et Monsieur Jean-Marc Lombard ont soutenu ce projet au sein de la Direction Ingénieurie de Réservoir de l’IFPEN, je les en remercie sincèrement. Je souhaite remercier Yves Guéguen et Pierre Bésuelle qui ont accepté d’être rapporteurs de ma thèse, ainsi que Jean Sulem, Teng-fong Wong et Patrick Egermann, d’avoir accepté de faire partie de mon jury. Je remercie tout particulièrement à Jean Guélard et Jean-Marc Nez pour m’avoir formé à l’utilisation du dispositif de cellule triaxiale et pour leur aide à la réalisation de certaines expériences ; je les remercie aussi particulièrement pour avoir fait progresser ma maitrise du Français. Je remercie sincèrement Elizabeth Rosenberg, Marie-Claude Lynch, Corinne Fichen, Françoise Norrant, et Herman Ravelojaona pour les nombreuses analyses d’échantillons au scanner-RX, au microscanner-RX et pour la préparation de lames minces. Je souhaite adresser ma gratitude à Jérôme Wassermann pour son soutien amical, pour ses conseils pour les expériences et pour son aide pendant la deuxième année de ma thèse. Je remercie sincèrement Audrey Bonnelye pour son aide à réalisation de certaines expériences à Cergy. Mes plus vifs remerciements vont à l’équipe géomécanique, Jean François Nauroy, Elisabeth Bemer, Ludwig Monmusson, Minh Tuan Nguyen et Dinh Hong Doan pour leur soutien et leur bonne humeur. Un grand remerciement à Dr. Brian Crawford, Pr. David Muir Wood, Dr. Ian West, Pr. Mark D. Zoback, Pr. Alain Mascle, Mr. Tran Quang Ho, Dr. Anita Torabi et Pr. Modaressi Arezou pour les pour les échanges et les discussions très utiles par e-mails ou lors des conférences. Je remercie chaleureusement mon ami Clément Varloteaux qui j’ai partagé non seulement le travail pendant trois ans, avec des moments difficiles et d’autres joyeux. Un grand remerciement à tous les ingénieurs du département d’Ingénierie de Réservoir de l’IFPEN, et à mes amis, Louis Zinsmeister, Rezki Oughanem, Valentin Guillon, Baptiste Auffray, Clémentine Meiller, Gaelle Grundman, Noralid Azocar Serra, Guillaume Dupuis, Tinaig Kergozou De La Boessiere, Arthur Dartois, Alexandre Gravelle, Audrey Bonnelye, Vu Minh Ngoc, Vu Manh Huyen, Pham Viet Anh, Nguyen Duc Manh, Nguyen Duc Hanh, Nguyen Duc Cuong, Le Kim Ngan pour la bonne ambiance de travail et les moments de bonne humeur. Sans oublier un grand remerciement à Myriam Le Fur, Delphine Wiart, Meriem Jehl et Amel Boukraa pour m’avoir facilité certaines démarches administratives. Je remercie de tout cœur ma femme, Thi Thanh Huong Nguyen pour son amour et son soutien permanent. Merci d’être toujours à côté de moi. Enfin, je voudrais également remercier mes parents qui m’ont toujours encouragé et m’ont fait une confiance absolue. Titre: Compaction des roches réservoirs non ou peu consolidées: Impact sur les propriétés de transport directionnelles RESUME Au cours de la production d’hydrocarbures, l’extraction de fluides fait décroître la pression de pore dans les réservoirs (« depletion »). Ceci induit un changement du champ de contraintes qui résulte en une augmentation des contraintes effectives appliquées sur le réservoir. Les mesures in situ montrent que les variations de contraintes peuvent être décrites par un paramètre appelé chemin de chargement (stress path), défini comme le rapport entre la variation de contrainte effective horizontale et la variation de contrainte effective verticale par rapport aux conditions initiales dans le réservoir. La compaction induite par la production d’hydrocarbures peut avoir de graves conséquences dans le cas de roches faiblement consolidées car elle induit des variations des propriétés pétrophysiques des roches in situ, notamment de la perméabilité, un des paramètres les plus importants pour estimer la performance d’un réservoir mais aussi un des plus difficiles à mesurer. Pour compliquer encore les choses, la perméabilité est souvent anisotrope dans les réservoirs avec de forts contrastes entre la perméabilité horizontale k h et la perméabilité verticale k v . L’objectif de cette étude est de comprendre l’influence des chemins de chargement sur le comportement mécanique et les évolutions couplées de perméabilité pour un sable quartzeux (Sable de la Durance, DS) et un grès faiblement consolidé (grès d’Otter Sherwood, OSS, qui constitue la roche réservoir du champ pétrolier de Wytch Farm en Angleterre). Nos résultats montrent que le grès peu consolidé présente un comportement mécanique similaire à celui de roches consolidées. Au contraire, le sable présente un comportement différent, avec une transition plus graduelle entre les régimes de déformation qui nécessite d’utiliser un critère basé sur l’évolution du rayon de courbure des courbes contraintes-déformations pour déterminer les contraintes limites : cette méthode a été validée par une étude d’analyse des émissions acoustiques pour caractériser l’endommagement. Les domaines de déformation élastique et plastique ont été bien définis et les contraintes limites ont été comparées aux prédictions du modèle Cam-Clay modifié et du modèle d’enveloppe limite normalisée. Les perméabilités horizontale et verticale ont été mesurées sous contraintes. Pour analyser l’influence des effets de bord dans les essais mécaniques, les perméabilités mesurées soit classiquement sur toute la longueur de l’échantillon, soit entre deux points intermédiaires ont été comparées. Pour l’écoulement horizontal, les facteurs géométriques et facteurs d’anisotropie ont été déterminés par des simulations numériques en éléments finis afin de pouvoir déterminer les vraies valeurs de perméabilité horizontale. L’évolution de la perméabilité suit l’évolution de la déformation des matériaux et est contrôlée aussi bien par la déformation volumique que par la déformation en cisaillement. A partir de nos mesures il est possible de séparer l’effet de la pression moyenne de l’effet de la contrainte déviatorique sur l’évolution de la perméabilité en construisant des cartes d’isoperméabilités dans l’espace des contraintes. Enfin une modélisation élasto-plastique a été réalisée pour prédire le comportement hydro-mécanique du grès faiblement consolidé. L’approche utilisée permet de prédire de manière satisfaisante l’évolution de la perméabilité avec les contraintes, à partir d’une loi exponentielle fonction de la déformation effective. Au contraire, pour le sable de la Durance le lien entre l’évolution de la perméabilité et la déformation est loin d’être évidente, notamment aux faibles contraintes où la réduction de perméabilité est très rapide. Pour mieux comprendre ces évolutions de perméabilité, une analyse de l’endommagement a été réalisée par des mesures sur échantillons et en utilisant des techniques d’imagerie à plusieurs échelles. Mots-clés: chemin de chargement, compaction, perméabilité, anisotropie, géomécanique modélisation, couplage hydromécanique. Title: Compaction of unconsolidated or weakly consolidated reservoir rocks: impacts on transport properties ABSTRACT During hydrocarbon production, the extraction of fluid induces a decrease of pore pressure called depletion. This depletion causes a change in the stress field that results in an increased stress on the rock by enhancement of the effective stress in the reservoir. In situ measurements show that the stress variations can be described by the so-called stress path parameter, defined as the ratio of the change in effective horizontal stress by the change in effective overburden stress from initial reservoir conditions. This production induced compaction can have severe consequences in the case of poorly consolidated reservoirs. Compaction induces variations of petrophysical properties of in situ rocks and particularly permeability variations, one of the most important parameters controlling reservoir performance. Yet it is one of the most difficult properties to measure. To complicate matters further, permeability anisotropy is often found in reservoirs. Therefore the horizontal permeability k h , may be different from the vertical permeability k v . The aim of this study is to understand the influence of stress paths on the mechanical behavior and coupled permeability evolutions of a Quartz sand (Durance Sand, DS) and a weakly consolidated sandstone (Otter Sherwood Sandstone, OSS which is the reservoir rock of the Wytch Farm oil field, UK). We found that the weakly consolidated rock presents a mechanical behavior similar to that of consolidated rocks. However, the sand shows a different behavior, with a gradual transition regime which requires the use of a curvature criterion to peak yield stresses on the stress-strain evolution plot; this criterion has been validated on the basis of Acoustic Emission analysis. The elastic and plastic deformation regimes are well identified and the determined yield stresses are fitted using the modified Cam-Clay and Elliptic Cap models for all observed onsets of plastic yielding. Both vertical and horizontal permeability have been measured during loading. To analyze the influence of end effects during loading in the triaxial cell, permeabilities measured over the mid-section and over the total core length were compared. For the horizontal flow, the geometrical and anisotropy factors were determined using Finite Element simulations in order to calculate the correct horizontal permeability. Permeability evolution follows closely the material deformation and is controlled by both volumetric and shears strains. It is possible to infer the effect of the mean pressure and/or the deviatoric stress on the permeability evolution by building isopermeability maps in the stress space. Finally, an application of elasto-plastic modeling to predict the hydromechanical behavior of the weakly consolidated rock is presented. This approach allows a satisfying prediction of the permeability evolution with stresses, using an exponential function of an effective strain. Reversely for DS, the link between strain and permeability is not obvious as permeability reduction is pronounced at early stage of loading. To understand these permeability evolutions, a damage analysis has been performed using core analysis measurements and multi-scale imaging. Keywords: stress path, compaction, permeability, anisotropy, geomechanical modeling, hydromechanical coupling. Đề tài: Sự nén của các loại đá vỉa không cố kết hoặc kém cố kết : ảnh hưởng của cơ chế nén tới tính thấm TÓM TẮT Trong quá trình khai thác dầu khí, việc hút dầu trong đá vỉa tạo ra sự giảm áp lực lỗ rỗng, gọi là hiện tượng suy giảm « depletion ». Điều này gây ra sự thay đổi trường ứng suất trong đá vỉa, cụ thể là áp lực hữu hiệu tác dụng trực tiếp lên đá vỉa được gia tăng. Đo đạc hiện trường chỉ ra rằng : thay đổi của các ứng suất (đứng, ngang) có thể đặc trưng bởi một thông số gọi là lộ trình ứng suất « stress path », định nghĩa bằng tỉ lệ giữa thay thay đổi áp lực hữu hiệu ngang và áp lực hữu hiệu đứng từ điều kiện ứng suất ban đầu. Kết quả của quá trình khai thác dầu thường thấy rõ là sự nén lại của đá vỉa, hay là cả một vùng địa chất nơi diễn ra hoạt động này. Sự nén tạo ra bởi việc khai thác dầu có thể gây hậu quả nghiêm trọng đối với những loại đá vỉa cố kết kém bởi vì nó gây ra nhiều sự thay đổi tính địa vật lí của đá vỉa, đặc biệt là tính thấm, một trong những thông số quan trọng nhất để xác định năng suất của giếng dầu. Nhưng tính thấm thường là khó xác định bằng cách đo trực tiếp. Điều phức tạp hơn nữa là tính thấm thường không đồng đều đối với các loại đá vỉa và có sự khác nhau rất lớn giữa tính thấm ngang (k h ) và tính thấm dọc (k v ). Mục đích của nghiên cứu này là hiểu được ảnh hưởng của lộ trình ứng suất tới phản ứng cơ học và những thay đổi tương quan của nó tới độ thấm, áp dụng cho cát thạch anh (cát tự nhiên tên Durance, DS) và đá kém cố kết (đá có tên Otter Sherwood, OSS), loại đá này là thành phần đá vỉa dầu chủ đạo ở vùng Wytch Farm, thuộc Anh quốc. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng đá cố kết kém thể hiện tính cơ học hoàn toàn giống loại đá cố kết hoàn toàn. Trái lại, cát tự nhiên lại chỉ ra phản ứng hoàn toàn khác, với sự chuyển dần trong cơ chế biến dạng cái mà cần thiết phải dùng tiêu chuẩn bán kính đường cong của quan hệ : ứng suất – biến dạng để xác định những ứng suất giới hạn. Phương pháp xác định này được kiểm chứng bằng phân tích âm để phân tích sự phá hoại của vật liệu. Những vùng biến dạng đàn - dẻo được định nghĩa và những ứng suất giới hạn được so sánh với mô hình dự đoán Cam-Clay hiệu chỉnh và mô hình phát triển giới hạn chuẩn hóa. Để phân tích ảnh hưởng của những hiệu ứng biên trong thí nghiệm cơ học, độ thấm dọc được đo đồng thời và so sánh giữa phương pháp cổ điển trên toàn chiều dài mẫu và giữa hai điểm trung gian trên mẫu hình trụ. Đối với độ thấm ngang, hệ số hình học và hệ số không đồng đều được xác định bằng mô hình số dùng phần tử hữu hạn để xác định giá trị thay đổi của độ thấm ngang. Qui luật thay đổi của độ thấm là hàm số của biến dạng và bị khống chế bởi biến dạng thể tích cũng như biến dạng cắt. Từ các đo đạc tính thấm , chúng tôi thấy là có thể tách riêng biệt hiệu ứng của ứng suất hiệu trung bình và ứng suất lệch lên tính thấm bằng cách xây dựng đường đẳng thấm trong không gian của trường ứng suất. Cuối cùng, một mô hình đàn-dẻo được áp dụng để dự báo phản ứng cơ học-thấm của đá cố kết kém. Phương pháp tiếp cận này cho phép dự báo khá tốt sự gia tăng của độ thấm theo ứng suất từ luật hàm mũ theo biến dạng hữu hiệu. Ngược lại, với cát tự nhiên DS, mối liên kết giữa độ thấm và biến dạng là không thấy rõ, đặc biệt là giai đoạn áp lực tác dụng nhỏ, lúc đó thấy rõ là sự giảm của tính thấm là rất nhanh. Để hiểu hơn về những sự gia tăng tính thấm, một phân tích hình ảnh ở mức độ hạt (vài micromét) của mẫu sau khi bị phá hủy cũng đã được tiến hành. Kết quả và mô hình giới thiệu trong nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán chỉ số năng suất của giếng dầu, và dự báo lún cho vùng nơi diễn ra hoạt động khai thac dầu. Ngoài ra, việc sử dụng nghiên cứu này để cải thiện cho các phần mềm mô hình giếng dầu hiện nay, cái mà có nhiều nhược điểm trong việc mô phỏng điều kiện thực tế trong mô hình tính toán. Từ khóa : lộ trình ứng suất, sự nén, tính thấm, không đồng đều, địa-cơ học, mô hình hóa, tương quan thủy-cơ học. . tạp hơn nữa là tính thấm thường không đồng đều đối với các loại đá vỉa và có sự khác nhau rất lớn giữa tính thấm ngang (k h ) và tính thấm dọc (k v ). Mục đích của nghiên cứu này là hiểu. suất lệch lên tính thấm bằng cách xây dựng đường đẳng thấm trong không gian của trường ứng suất. Cuối cùng, một mô hình đàn-dẻo được áp dụng để dự báo phản ứng cơ học- thấm của đá cố kết kém. Phương. chủ đạo ở vùng Wytch Farm, thuộc Anh quốc. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng đá cố kết kém thể hiện tính cơ học hoàn toàn giống loại đá cố kết hoàn toàn. Trái lại, cát tự nhiên lại