Hydraulique: Les essais d'eau
Les essais d’eau
Types d’essai
Les "essais d'eau" réalisés pour déterminer la perméabilité des différentes couches géologiques traversées par les forages.
Les essais sont classés par domaine de perméabilité. L’essai Lefranc est le plus connu et le plus utilisé parce qu’il s’intéresse aux terrains très perméables (perméabilité de l'ordre de 1.10-3 à 1.10-5 m/s). On l’utilise classiquement pour mesurer la perméabilité d'interstices de roches meubles. L’essai Lugeon est plutôt réservé pour les terrains de perméabilité moyenne à faible (perméabilité de l'ordre de 1.10-5 à 1.10-8 m/s). On utilisera la méthode Lugeon pour mesurer la perméabilité de fissures dans les roches compactes.
Une catégorie d'essai n'entre pas dans le domaine des essais Lefranc ou Lugeon, ce sont les essais pour déterminer l'imperméabilité ou plutôt les très faibles perméabilités (il n'existe pas d'imperméabilité à l'échelle géologique). La différence essentielle avec les essais précédents est que l'on exploite la phase transitoire de la remise à l'équilibre de la nappe. On utilise alors des essais dérivés de ceux utilisés par les pétroliers, le "slug-test" et le "pulse-test".
Le matériel utilisé pour ces essais de faible perméabilité est l’hydrotest que l’on équipe de plus ou moins d’accessoires suivant les essais demandés.
1. Essai LEFRANC
1.
Cet essai est le plus simple à mettre en œuvre, tant pour le matériel que pour l'interprétation des données de l'essai. L'essai Lefranc consiste à injecter de l'eau dans des couches perméables et à mesurer le volume d'eau absorbé sous une charge hydraulique donnée.
2. calcul de la perméabilité
Connaissant le volume injecté, le diamètre du forage et la charge hydraulique appliquée, on peut aisément calculer le coefficient de perméabilité qui est donné par l'équation :
Q = m.K.H.D d'où K= Q/(m.H.D)
Avec K : coefficient de perméabilité de la formation en m/s
D : diamètre du forage (de la chambre) en mètre
L : hauteur de la chambre en mètre
H : charge hydraulique en mètres d'eau
m : coefficient de forme de la chambre donné par la relation approchée
m = ( 2p L/D )/ln ( 2L/D)
Cette méthode donne des résultats relativement précis pour des terrains de bonne perméabilité c'est à dire K >= 10 E-4 m/s.
On peut ainsi, pour une couche donnée, calculer un coefficient de perméabilité correspondant à une charge hydraulique donnée; il faut toutefois opérer de telle sorte que la loi de Darcy soit applicable, c'est à dire de ne pas utiliser des charges trop élevées.
On reporte ensuite sur un graphique les résultats obtenus avec, en abscisse, les différents débits injectés et en ordonnée les valeurs des différentes charges hydrauliques.
L'essai n'est valable que lorsque la loi de Darcy est respectée et que les points s'alignent sur une droite. On obtient alors la relation :
K = 1/ (C.a ) où a est la pente de la droite
L'intersection de la droite et l'axe des ordonnées est la cote du niveau piézométrique
3. Exécution de l'essai
L'essai classique consiste à injecter 200 litres d'eau dans un temps constant, généralement 4 litres par minutes.
Il peut se présenter 3 cas de figures :
1. l'eau injectée est totalement absorbée par le terrain;
2. l'eau injectée est partiellement absorbée par le terrain;
3. presque toute l'eau injectée ressort par l'annulaire.
Dans les deux premiers cas, on mesure le volume de l'eau absorbée et on utilise les données recueillies pour calculer le coefficient de perméabilité comme défini dans le chapitre précédent, dans le dernier cas, le volume d'eau recueilli donne une idée de la valeur relative de la perméabilité d'un terrain peu perméable et nous verrons dans les chapitres suivants des essais mieux adaptés à ce type de terrain.
2. Essai LUGEON
1.
L'essai Lugeon, est essentiellement destiné à évaluer les possibilités de circulation de l'eau dans une roche (il ne s'applique pas aux sols meubles de faible cohésion). Il consiste à injecter de l'eau dans un forage sous différents paliers de pression, pendant un temps constant afin de déduire la perméabilité de la formation géologique.
2. Calcul de la perméabilité
Les différents paramètres, volume d'eau injecté, pression appliquée‚ différents pour chaque palier (seul le temps est constant), doivent être convertis en "absorption unitaire" qui s'exprime en unité Lugeon.
Par définition :
1 Lugeon = débit de 1 litre par minute injecté dans un tronçon de forage de 1,00m sous une pression de 1 MPa (10 bars), maintenue constante pendant 10 minutes.
Si le débit ramené à 1m de forage est de n litres/minute, on dira que la perméabilité de la roche est de n Lugeons.
Si c'est une droite, on peut alors appliquer l'équation :
K = (1/p ).Q.(ln R/r)/LH
Si c'est une courbe, la formule sera :
K = (1/2p ).(Q/L).Ö 1/r.H)
K est exprimé en m/s avec :
Q : débit en m3/s
R : rayon d'action de l'essai, estimé à 200 mètres
r : rayon du forage (de la chambre) en mètre
L : hauteur de la chambre en mètre
H : charge hydraulique en mètres d'eau
3. Exécution de l'essai
Les essais se font généralement pendant la foration, cela permet de n'utiliser qu'un obturateur que l'on gonfle à la cote choisie, pour ménager une chambre de mesure entre le fond (provisoire) du forage et l'obturateur. La hauteur de la chambre est généralement comprise entre 3 et 5 mètres. Il arrive cependant que l'on soit amené à faire un essai le forage terminé, il faut alors utiliser un double obturateur pour ménager une chambre aux cotes choisies. La mise en œuvre de l'essai, dans ce cas, est bien entendu bien plus lourde et onéreuse.
Quelle que soit la méthode utilisée, l'essai classique se fait en 5 temps :
1. injection sous 2 Bars pendant 10 minutes, mesure du volume injecté;
2. injection sous 5 Bars pendant 10 minutes, mesure du volume injecté;
3. injection sous 10 Bars pendant 10 minutes, mesure du volume injecté;
4. injection sous 5 Bars pendant 10 minutes, mesure du volume injecté;
5. injection sous 2 Bars pendant 10 minutes, mesure du volume injecté;
Il est bien évident que la gamme des pressions utilisées dépend de la fissuration, toutefois, on dépasse rarement 10 Bars afin de ne pas créer de fissures artificielles ou des soulèvements de couches; c'est ce qu'on vérifie en faisant des injections avec des pressions décroissantes (cela permet également de s'assurer si les fissures sont délavées ou non).
3. SLUG-TEST
1.
Le Slug-test aussi nommé "essai d'injection-Relaxation" consiste à injecter de l'eau à débit constant pendant un temps déterminé, puis à stopper l'injection et à mesurer la relaxation de pression après fermeture. Cette méthode est fortement dépendante des moyens de mesures de pression et de débit, ce qui limite ce type d'essai à des zones de perméabilités de l'ordre de 10E-10 m/s à 10E-11 m/s pour du matériel conventionnel.
2. Calcul de la perméabilité
Durant tout le temps de l'essai, tous les paramètres sont enregistrés, pression d'injection, temps de l'injection (Tinj), volume injecté, puis mesure de la chute de pression en fonction du temps.
L'interprétation des mesures est effectuée en régime transitoire à l'aide de la méthode de Horner :
P(dt) = f[ 1+(inj/dt)]
où dt est le temps de mesure à partir de la fermeture.
Des logiciels provenant du monde pétrolier et mis en œuvre par ME2i permettent l'interprétation de ces essais. Ils permettent de déterminer :
§ Si l'essai s'est déroulé dans de bonnes conditions;
§ Si la paroi et éventuellement la boue de forage jouent un rôle dans la perméabilité mesurée;
§ Si des conditions aux limites apparaissent, présence d'une interface, d'un deuxième régime de perméabilité, etc...
3. Exécution de l'essai
L'utilisation d'un obturateur ou de deux se fait dans les mêmes conditions que pour l'essai Lugeon, mais pour le slug-test, on établit une pression, préalablement déterminée, par injection d'eau pendant un temps donné. On note la quantité d'eau injectée en fonction du temps en maintenant la pression constante, puis on coupe l'injection et on note la chute de pression en tête et au niveau de la chambre formée par l'obturateur.
4. PULSE-TEST
1.
L'évaluation de la faible perméabilité de certaines formations, pose quelques difficultés avec les méthodes classiques d'injection-relaxation, en effet, il existe plusieurs limitations à ce type d'essai, telles que :
§ la nécessité de faire d'autant plus de mesures que la perméabilité est faible;
§ l'obligation d'utiliser des appareils de mesure de pression et de débit plus précis et un enregistrement automatique (durée de l'essai nettement augmentée).
d'où un coût de l'opération plus élevé.
C'est pour cette raison qu'une nouvelle méthode, appelée "pulse-test" a été introduite par Bredehoeft et al. en 1980.
La méthode du "pulse-test" est essentiellement une dérivation du test d'injection conventionnel, la différence majeure étant l'absence de débit pendant la phase d'impulsion (fermeture quasi-instantanée du puits après ouverture) :
L'interprétation mise en œuvre par ME2i s'effectue avec le même groupe de logiciels que ceux utilisés pour le slug-test.
2. Exécution de l'essai
Le même dispositif que pour le slug-test est mis en place avec simple ou double obturateur. Chambre isolée, on établit une pression d'eau de 10 Bars puis on ouvre la liaison avec la chambre pendant 10 à 15 secondes (attention de bien maintenir la pression constante pendant l'injection), on isole à nouveau la chambre puis on mesure la chute de pression. Il est indispensable d'utiliser un enregistrement automatique des mesures pendant les différentes phases, aussi bien en tête qu'au niveau de la chambre car il faut pouvoir mesurer la pression effective d'injection (et sa constance) et il faut pouvoir noter la pression dans les premières secondes qui suivent la fermeture des vannes et l'isolement de la chambre.
5. ESSAIS
Les essais en transitoire (pulse-test et slug-tests) peuvent être mis en œuvre sans difficultés majeures. Il faut toutefois :
· que le matériel soit bien adapté aux exigences de faible perméabilité;
· que le personnel qui réalise les essais soit compétent et qu'il y ait une réelle complémentarité entre foreurs et mesureurs;
· que les logiciels d'exploitation soient bien adaptés;
· Tenir compte de l'augmentation du volume des chambres de mesure;
· Tenir compte également de l'augmentation des devis d'essais lorsque l'on mesure des très faibles perméabilités (temps, matériels et personnels mis en œuvre).