Diagraphie Aquifere Bon

MINISTÈRE DE L'INDUSTRIE, DU COMMERCE ET DE L'ARTISANAT

BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES

SERVICE G É O L O G I Q U E N A T I O N A L B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.80.01

RECONNAISSANCE DES AQUIFÈRES PAR FORAGES ESTIMATION DES CARACTÉRISTIQUES DES TERRAINS ET DES FLUIDES EN PARTICULIER A L'AIDE DES DIAGRAPHIES par

M. BOURGEOIS

Département hydrogéologie B.P. 6009 - 45018 Orléans Cedex - Tél.: (38) 63.80.01

77 SGN 487 HYD

Novembre 1976

RESUME

Ce rapport traite des méthodes d'identification des terrains au cours de leur reconnaissance par sondage et de l'évaluation de leurs possibilités en eau de bonne qualité. Parmi ces méthodes, les mesures des paramètres physiques des terrains et des fluides emmagasinés tiennent une place prédominante. C'est pourquoi, le texte originel, devenu la première partie de ce rapport, a été complété par une deuxième et troisième parties concernant uniquement les diagraphies. La première partie est tirée d'un manuel américain "Water Well Technology" (W.W.T.). Il y est rappelé qu'après de bonnes études géologiques et géophysiques préalables, la reconnaissance du sous-sol passe obligatoirement par le sondage. Les auteurs indiquent alors les conditions d'un bon échantillonnage des cuttings, la nécessité éventuelle et la manière de carotter certaines couches, les procédés de prélèvement d'eau à la soupape et l'utilisation d'un testeur sélectif d'un horizon particulier. Une grande part de ce chapitre 9 du manuel est consacrée à la description des diagraphies effectuées en général - quoique trop rarementsur les forages d'eau : - la mesure des potentiels de courant d'origine électrochimique, qui naissent spontanément entre le terrain et la boue remplissant le sondage, c'est la polarisation spontanée - l'enregistrement de la résistivité à distance variable de la paroi du trou avec divers types de sondes - la mesure du rayonnement gamma émis naturellement par les roches.

Ces diagraphies courantes permettent une assez bonne distinction des couches traversées par le forage, l'individualisation des imperméables et des .aquifères, le calcul de la résistivité de l'eau - donc sa qualité chimique - et l'approche de la porosité de ceux-ci. D'autres diagraphies, également décrites sont destinées à préciser les caractéristiques de construction, de fonctionnement et de conservation de l'ouvrage : le diamétrage, l'adhérence de la gaine de ciment autour du tubage, la température, la résistivité et la vitesse de circulation dans le puits exploité. Les auteurs de W.W.T. exposent les remarques faites par les praticiens lors des opérations d'enregistrement et au stade de l'interprétation, laquelle est basée sur des formules parfois différentes de celles qu'utilisent nos collègues pétroliers. En conclusion, ils mettent l'accent sur l'intérêt que l'on pourrait trouver à court et long termes à développer l'exécution des diagraphies sur les forages d'eau ; car on en fait encore très peu aux Etats Unis, entre autres, parce que les maîtres d'ouvrages veulent limiter les dépenses et parce que les hydrogéologues connaissent souvent assez mal les diagraphies. Et en France ? ....

Une publication de R.P. ALGER, ingénieur à la Société Schlumberger à Houston, Texas, constitue la deuxième partie du rapport. Cette note sur l'interprétation des carottages électriques en aquifères sableux à eau douce est abondamment citée par le W.W.T., pour plusieurs raisons : - l'auteur montre que les formules devenues classiques dans le pétrole ne s'appliquent pas sans aménagement en eau douce - il étudie sur le plan méthodologique l'influence de certaines variables des équations utilisées pour déterminer la résistivité de l'eau et le fac^ teur de formation - il présente des exercices pratiques de calcul des paramètres à partir de diagraphies réelles diverses pour illustrer son exposé. Pour familiariser davantage certains lecteurs avec ces questions, la troisième partie résume le principe de la plupart des diagraphies d'identification réalisables sur les forages d'eau, sur les forages de recherche de pétrole et autres substances minérales d'origine sédimentaire : sel gemme, potasse charbon, phosphates, etc ... dont 1'hydrogéologue doit exploiter les résultats à l'occasion de ses études. Une quarantaine de figures, tableaux ou abaques illustrent cette description et permettront l'interprétation qualitative et quantitative des diagrammes dans bon nombre de cas. Il est rappelé en conclusion que la représentativité des résultats obtenus par 1'interprétateur dépendra entre autres : - de l'éventail de diagraphies disponibles sur le forage et de leur qualité, donc de la compétence et de la conscience professionnelle de l'opérateur utilisant un appareillage parfaitement au point - de la connaissance de certains facteurs locaux du terrain ou des fluides, connaissance qui augmentera avec la multiplication des enregistrements dans la région concernée.

Ce rapport a été rédigé dans le cadre des études méthodologiques du département Hydrogéologie, sur crédits du Ministère de l'Industrie, du Commerce et de l'Artisanat.

AVERTISSEMENT

Le présent rapport comprend trois parties : - La première est une traduction du chapitre 9 du manuel américain "Technologie du forage d'eau" (= Water Well Technology, ou W.W.T. en citation abrégée], dont le titre, relativement concis, ne souligne pas suffisamment la part importante de ce texte consacrée aux diagraphies. - La deuxième est une note de R.P. ALGER, fréquemment citée par les auteurs du W.W.T., qui s'intitule : Interprétation des logs électriques sur les forages d'eau douce en terrains meubles. La traduction partielle de cette note ajoute à la première partie des exemples concrets d'application intéressants au point de vue pédagogique. - La troisième donne une Analyse sommaire des diagraphies utilisables en forages d'eau ; elle est conçue comme un cours élémentaire d'initiation à l'interprétation des logs * que 1' hy^rogéologue pourra approfondir en consultant les manuels spécialisés et les publications des sociétés de services. C'est la première partie, pleine d'enseignements qui est à l'origine de ce rapport.

à elle seule.

Nos collègues américains qui ont écrit leur texte vers 1970-1971, parlent d'expérience puisqu'ils citent, pour ce chapitre 9 seulement, quelques 130 références bibliographiques. Leur conception de l'évaluation des terrains en forage et les réflexions qu'ils énoncent en introduction et au 1er chapitre méritent d'être soulignées. Les trois quarts du chapitre traitent de l'étude des sondages par des procédés géophysiques simples, susceptibles d'améliorer l'information du géologue dans trois domaines : - la connaissance lithostratigraphique des aquifères et de leurs épontes - les caractéristiques de l'eau emmagasinée dans les terrains - les conditions d'équipement (ou completion] des puits pour réussir un bon captage, ou vérifier le fonctionnement ou l'état de conservation d'un forage. La fin du rapport traite des procédés plus classiques de reconnaissance du terrain par échantillonnage soigné des cuttings, mesure de la vitesse d'avancement, carottage mécanique, et de l'identification des fluides, en particulier par les essais aux tiges effectués avec un testeur au fur et à mesure de la traversée des aquifères. En ce qui concerne les diagraphies géophysiques, les auteurs du manuel W.W.T. font plusieurs constatations : - On fait beaucoup de diagraphies en recherche de pétrole et encore très peu en recherche d'eau : sur les 440.000 nouveaux forages d'eau exécutés * — ———— — log = diagramme, enregistrement graphique, et par extension : coupe géologique - C'est l'abréviation de logging = inscription, notation, enregistrement (d'une observation, d'une remarque sur un carnet].

"en 1964 aux Etats Unis, 1 % d'entre eux peut-être, ont été diagraphiés. - La cause principale de cet état de fait est que le prix du pétrole est très supérieur à celui de l'eau *. Le "producteur" d'eau investira beaucoup moins que son homologue pétrolier et c'est donc le coût relatif des diagraphiés - par rapport à la faible valeur de l'eau - qui limite le plus leurexpansion . - Parmi les centaines de milliers de puits exécutés chaque année aux Etats Unis, il y a prédominance des petits forages bon marché réalisés pour des particuliers dans l'Est du Pays. Dans l'Ouest, où les puits de captages ou de rejets d'effluents sont parfois très profonds, les diagraphiés enregistrées avec des appareils peu encombrants utilisables par un seul opérateur apparaissent fréquemment justifiées aux yeux du Maître d'ouvrage. - La deuxième raison de l'application restreinte des diagraphies aux forages d'eau est que beaucoup de ces ouvrages se font sans intervention de géologues, hydrogéologues ou ingénieurs-conseils. Lorsque les spécialistes sont consultés, une bonne partie d'antre eux n'a pas les connaissances ou l'expérience de l'interprétation des diagraphies. Ce double frein à l'expansion des diagraphies : dépense jugée élevée et non indispensable au Maître d'ouvrage et manque d'empressement de 1'hydrogéologue, quand il est consulté, à proposer ce type d'intervention,dont il ne tire pas toujours le maximum, se retrouve également en France. Les auteurs de W.W.T. sont assez réalistes en considérant qu'il est nécessaire en premier lieu de mieux connaître les diagraphies à la fois faciles à mettre en oeuvre et peu coûteuses. Dans ce chapitre, ils développent donc essentiellement le carottage électrique (P.S et résistivité) le gamma ray, les logs de diamétrage, de température, de vitesse et de conductivité de l'eau. Si les hydrogéologues préconisant systématiquement ces opérations simples étaient écoutés, on connaîtrait beaucoup mieux les aquifères, les horizons à crépiner sur les nouveaux forages, le fonctionnement des puits existants. L'étude des nombreux logs réalisés en terrains variés permettrait de faire progresser les méthodes d'interprétation qui sont différentes de celles utilisées par les pétroliers et les meilleurs résultats obtenus sur les captages, s'avéreraient vite très rentables économiquement. Les Maîtres d'ouvrages comprendraient alors mieux les demandes occasionnelles de diagraphies moins classiques : log neutron, log de densité, log d'adhérence du ciment, e t c . , dont la nécessité serait justifiée. Ces logs sont évoqués plus brièvement de même que ceux dont l'avenir est promettaur lorsqu'ils seront parfaitement fiables et pratiqués en routine à des prix plus abordables qu'actuellement : les logs du temps de relaxation neutronique (thermal neutron decay-time = TDT), les diverses diagraphies multispectrales, les diagraphies de résonance magnétique nucléaire.

De l'ordre de 1000 fois, en estimant en novembre 1976 le prix du brut au départ à 11 dollars le baril, soit approximativement 400 Francs le m 3 (1 baril = 159 litres), et le prix de l'eau à la sortie du puits à 40 centimes/m3 (Prix calculé pour un forage avec pompe débitant 500 000 m-Van ; niveau dynamique = 50 m ¡ investissement initial supposé 1 MF amortissable en 20 ans à 10 % = 118 000 F/an. Energie : KWh à 0,2 F ^ 20 000 F/an ¡ surveillance, provision pour remplacement de la pompe et petit entretien = 62 000 F/an TOTAL

-

200 000 F/an/500 000 m 3 = 0,40 F/m3.

La note de R.P ALGER, donnée en deuxième partie, précise l'interprétation des carottages électriques en forage d'eau douce avec des exemples de calcul des caractéristiques de l'eau des aquifères sableux. Il montre que les formules utilisées par les pétroliers sur leurs réservoirs envahis par des saumures riches en Na Cl sont inapplicables, et étudie expérimentalement les causes d'influence du facteur de formation F. Enfin la troisième partie rappelle d'une façon plus didactique le principe des divers enregistrements, le schéma de l'appareillage de mesure et les "réponses" des diverses formations ¡ elle précise les domaines propres à chaque diagraphie, leurs zones de recouvrement éventuel, les paramètres de terrain qu'elles permettent de dégager et les procédés de détermination de ces paramètres par le calcul ou par utilisation de nomogrammes ou abaques, certains devant être parfois élaborés par 1'interprétateur. Une mention spéciale est faite pour les terrains poreux mélangés d'argile disséminée ou en fines alternances. Ne sont pas du tout traitées ici : les opérations auxiliaires pendagemétrie, inclinométrie, e t c . . les diagraphies d'avancement ou de contrôle du train de sonde, les mesures d'essais de fluide, les carottages latéraux, les perforations, les diagraphies sur la boue du forage et les diagraphies de production. Les lecteurs pourront consulter [plus ou moins facilement] les nombreuses références bibliographiques des deux premières parties. Au préalable il est bon de signaler quelques ouvrages généraux, le plus souvent en français, énumérés à la fin de cet avertissement : ils sont cités dans le texte avec leur numéro de liste précédé de la lettre A. Remarques : a] Les principaux termes des tableaux et figures des publications en langue anglaise sont traduits mais il est utile de rappeler : - les différences d'écriture des nombres en anglais et français, ex : .001 = 0,001 en français ; 4,713 = 4.713 en français

- pour trouver l'équivalent des unités anglo-saxonnes, consulter en particulier ["All et ["A7]

b] Les géologues parlent de formation argileuse, sableuse, etc.... En forage le terme formation est équivalent de terrain en particulier dans les expressions : eau de formation, pression de formation,résistivité de formation, température de formation, facteur de formation, etc .... c] On emploie souvent diagraphie géophysique, aussi bien pour l'opération d'enregistrement elle-même que pour le résultat (qui est exactement un diagramme = log). En français on écrit indifféremment diagraphie nucléaire, ou de rayonnement, ou de radiation, ou ray (rayon en anglais) Ex : rayonnement gamma = gamma ray. d] En première et deuxième parties, des notes infrapaginales expliquent ou complètent certaines notions. Elles sont précédées de la mention N.T. = note du traducteur.

Références bibliographiques, d'ouvrages généraux

[A 1J -

B.R.G.M. (1975) . - Facteurs de conversion d'unités.- rapport 75 SGN 412 AME.

[A 2] - CAMBEFORT (H.) 1963 .- Forages et sondages . - 4ème édition, Eyrolles, Paris. [A 33 - CASTANY

(G.) 1968 .- Prospection et exploitation des eaux souterraines .- Dunod, Paris.

fÄ 4J - Chambre syndicale de la Recherche et de la production du Pétrole et du gaz naturel (1972) .- Contrôle géologique des Forages .Technip, 2 vol. [A 5] - DESBRANDES (R.) 1968 .- Théorie et interprétation des diagraphies .Technip. [A 6] - GARCIA (C.) et PARIGOT (P.) 1968 .- Boues de Forages. Technip. (A 7] - I.F.P. 1974 .- Formulaire du foreur .- Technip. JA S] - I.F.P. 1970 .- Le forage aujourd'hui .- 3 vol. Technip. [A 9] - J. NOUGARO 1964 .- Le forage rotary . ~ 2 vol . - Technip. [A 10]' Sté Schlumberger(1972) .- Log interpretation : vol.1 .- Principles ; Charts .- Edition en anglais. [A 11]- ASTIER (J.L.) 1971 . - Géophysique appliquée à 1 ' hydrogéologie .Masson, Paris.

S O M M A I R E

1ÈRE

PARTIE : IDENTIFICATION

ET EVALUATION DU TERRAIN (EN FORAGE D'EAU)

TRADUCTION DU CHAPITRE 9 DU MANUEL AMERICAIN WATER WELL TECHNOLOGY par Michael D. CAMPBELL, Jay H. LEHR

2ÈME

PARTIE : INTERPRETATION

DES LOGS ÉLECTRIQUES SUR LES FORAGES D'EAU DOUCE EN TERRAINS MEUBLES par R.P. ALGER

3ÈME

p. 7

PARTIE : ANALYSE

p. 81

SOMMAIRE DES DIAGRAPHIES UTILISABLES EN FORAGE D'EAU p.

ni

1 ÈRE P A R T I E

IDENTIFICATION ET ÉVALUATION DU TERRAIN (EN FORAGE D'EAU)

TRADUCTION DU CHAPITRE 9 DU MANUEL AMERICAIN WATER WELL TECHNOLOGY

par Michael D. CAMPBELL, Jay H.LEHR

Mac GRAW-HILL

BOOK COMPANY,

copyright 1973, National Water Well Association

LG travail nécessaire à la réalisation de cet ouvrage a été subventionné partiellement par des fonds provenant du Ministère de l'Intérieur des Etats Unis .

SOMMAIRE Pages INTRODUCTION 1. PROCEDES GEOPHYSIQUES EN FORAGE

9 12

11. Caractéristiques des aquifères et diagraphie de puits

18

12. Caractéristiques des fluides à partir des diagraphies

21

12.1.Diagraphie de polarisation spontanée 12.1.1. Détermination de la rësistivité du terrain 12.1.2. Détermination du résidu sec et de la teneur en chlorures 12.1.3. Applications du log de P.S.

22 36

12.2.Diagraphie de résistivité 12.2.1. Détermination de la granulométrie 12.2.2. Détermination de la perméabilité 12.2.3. Applications du log de résistivité

29 44 44 44

12.3.Diagraphie gamma 12.3.1. Application du log gamma 12.3.2. Diagraphie d'exploration des ressources minérales

45 46

13. Construction du puits et diagraphies

24 20

48 48

13.1.Diagraphie de diamétrage

53

13.2.Logs de vitesse et de conductivité du fluide

53

13.3.Diagramme de température

55

13.4.Log acoustique

57

2. NOUVEAUTES DANS LES DIAGRAPHIES

58

3. ECHANTILLONS REPRESENTATIFS DU TERRAIN (FLUIDES)

60

31. Fluides de forage et essai aux tiges 4. ECHANTILLONS REPRESENTATIFS DU TERRAIN (LITHOLOGIE) 41. Les carottes

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

64 66 68

73

INTRODUCTION Les principaux points relatifs à la recherche et à la technologie d'évaluation et d'identification du terrain seront traités dans ce chapitre en mettant l'accent sur les techniques et connaissances développées par les recherches minières et pétrolières. Les techniques courantes de completion et développement des forages d'eau seront également traitées (422,522] On accordera une attention spéciale à certains sujets, qui ne sont pas forcément les plus importants, mais pour souligner ce qui ne l'a pas été suffisamment dans la littérature ou sur le terrain. On donnera toutes les références des sujets bien connus pour étude plus approfondie, tandis que l'on s'étendra davantage sur ceux qui le sont moins en raison de leur importance pratique (287,288,544). Bien que l'industrie pétrolière ait fourni une bonne partie des connaissances générales actuelles sur les techniques d'évaluation d'une formation applicables à la recherche de l'eau, certains aspects tels que le programme détaillé des forages, l'évaluation de productivité d'un aquifère, les méthodes de pompages d'essai, e t c . . découlent presque tous de l'industrie des forages d'eau et de ses travaux d'application sur le terrain au cours des 25 dernières années (223,288,551). Il y a cependant beaucoup de points communs entre les technologies de production du pétrole et de l'eau souterraine toutes deux concernant l'écoulement de fluides en terrains poreux profonds (voir figure 54, p. 11) .* Les lois physiques régissant les écoulements sont identiques, (quoique les expressions mathématiques pour les écoulements d'huile soient plus compliquées), les forages sont presque les mêmes dans les deux cas et ils sont réalisés par des méthodes similaires. Avec l'accroissement de la récupération d'huile par injection d'eau (161,490,558,578,604,620), la recherche pétrolière peut s'inspirer de la technologie de la recherche d'eau, à la fois pour les équipements principaux et auxiliaires. En fait les deux industries peuvent gagner à travailler ensemble et bénéficier des transferts réciproques de technologie. Le domaine technologique le plus important, qui a fait l'objet d'un développement considérable de recherche et d'application dans les industries minières et pétrolières, est celui de l'évaluation de la formation, par exemple les mesures géophysiques dans les sondages, les essais aux

La numérotation originale des figures du W W T a été conservée.

10

tiges , e t c . . D'autres domaines tels que les techniques de cimentation, les programmes de tubages, les techniques de stimulation de la formation, e t c . . ont aussi fortement progressé au cours des 15 dernières années.

L'impossibilité de prélever des échantillons du fluide de formation ou de faire des essais de production en cours de forage, a retardé longtemps l'adoption du forage à la rotation. Il était admis que le forage à la rotation était rapide, mais il était tout aussi évident qu'avec ce procédé on pouvait traverser des zones productives sans remarquer l'existence d'huile, de gaz ou d'eau.

L'introduction des carottiers en 1921, des essais aux tiges en 1926 et de la diagraphie électrique en 1933 changea complètement l'aspect du forage à la rotation. Ces innovations et d'autres qui suivirent permirent d'obtenir des renseignements détaillés sur les indices de gaz et d'huile quand on an rencantrait-Quoique le carottage classique ait été suivi du carottage au câble, tous deux furent presque complètement supplantés par les techniques de diagraphies. Les essais aux tiges et les analyses de diagraphies ont progressé à un tel niveau dans l'industrie pétrolière que l'évaluation de la formation peut se faire sans pose de tubage (289].

*

N.T. : L'essai aux tiges est celui qui est effectué en cours de forage, au moyen d'un testeur, sans modifier la suite du programme. L'essai a pour but de reconnaître la nature du fluide imprégnant une formation, sa pression (de formation] et théoriquement la perméabilité de celle-ci. On le réalise en trou découvert en isolant une tranche verticale entre le fond et un obturateur expansible (packer), ou entre deux packers. Dans certains cas le packer est placé dans un tubage pour essayer la tranche découverte juste au-dessous j parfois l'essai est effectué sur une couche préalablement tubée après perforation du tube. Le testeur, descendu à la profondeur voulue au pied du train de tiges, est un appareil relativement complexe schématisé par les figures 74, dont la mise en oeuvre est décrite au souschapitre 3, p. 60 et suivantes.

11 2000

0.02 SG = Specific grovity ot 6 0 F relative to woter ot 6 0 F

(000 800

600 500 400 300 200

i 00

0.001 0.0008

60

60 50

S 0.0006 L. 0.0005 S 0.0004

40 30 '.

20

10 8

6 5 4

•XL

2

3 2

(.0 0.8

r

o.ooooi

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

01

~

0.000.001 10

20

30 40

60 80(00

Temperoture, F

200 300400 600 1000 1

.312 Figure 54 - Viscosités des liquides courants 1

températures en °F : 32°F = 0°C ; 212°F = 100°C

2

viscosité cinématique en centistoke : 1 stoke = 10

m2/s ;

1 centistoke = 10~6 m 2 / s = 0,93 x 10"^ square foot par seconde 3

specific gravity = densité à 60°F comparée à celle de l'eau à 60°F = 15,55°C

4 7

mercure ; 5 essence ; 6 saumure vapeur d'eau surchauffée à 150 psia (pound square inch absolute) = pression absolue en livres par pouce carré ; pression absolue = pression du manomètre + pression atmosphérique ; 1 psi = 0,0689476 bar ; 1 bar = 14,5038 psi ; 150 psi = 10,342 bars.

Le même abaque en unités du système métrique figure dans : LENCASTRE A. (1963) . -

Manuel d'hydraulique générale - Eyrolles, Paris.

12

1 - PROCEDES GEOPHYSIQUES EN FORAGE Les forages d'exploration sont les seuls moyens d'accès direct aux terrains profonds pour savoir s'ils peuvent produire ou emmagasiner un fluide. Les forages sont des moyens d'accès coûteux à la lithosphère et les techniques telles que les diagraphies sont rentables du fait que les renseignements qu'elles donnent sur chaque trou permettent une extrapolation aux alentours de chacun. Les mesures géophysiques en sondage, ou diagraphies de puits, incluent toutes les techniques d'enregistrement dans les puits interprétables en ce qui concerne les caractéristiques des roches, les fluides qu'elles contiennent et la construction du puits (217]. Quoique le principal objectif de cette étude soit d'explorer l'utilisation de la géophysique en forages de recherche d'eau, ces méthodes sont applicables à d'autres domaines de l'exploitation des ressources minérales. On fait plus de trous pour l'eau que pour tous les autres objectifs réunis . Cependant, dans le nombre des puits d'exploration des ressources du sous-sol un total (partiel] significatif apparaît croissant dans l'ouest des U.S.A., particulièrement dans les petits bassins sédimentaires du Nouveau Mexique, de l'Arizona, du Wyoming, du Colorado, e t c . . ; c'est celui qui résulte de l'activité de recherche d'uranium à partir de 1960, qui est-en constant progrès, et qui peut s'étendre encore davantage si l'on se repère à l'expansion du marché de l'uranium à la mi-1970. De précieux aquifères d'eau douce, actuellement situés dans des zones éloignées, pourraient indirectement souffrir de cette activité de forage, ce qui pourrait poser de sérieux problèmes d'approvisionnement en eau douce au cours du développement futur de ces régions. Toutefois, chaque trou donne un échantillonnage géologique précieux susceptible d'apporterune aide au développement rationnel des ressources en eau j il peut faciliter également la connaissance des accumulations de sable et gravier,des gisements d' autres substances métalliques ou non, du pétrole, des réservoirs potentiels pour élimination de déchets ou le stockage de liquides et de gaz e t c . . Il apporte également des données géotechniques utiles pour les futures constructions. On doit à la recherche pétrolière le développement de presque tout l'équipement de diagraphies et techniques d'interprétation utilisées aujourd'hui. Il est peu probable que les diagraphies géophysiques auraient atteint leur actuel état d'avancement sans l'impulsion économique apportée par la recherche du pétrole. La recherche d'eau dans le monde ne-pourra jamais atteindre un tel niveau économique, mais son industrie peut bénéficier des techniques financées par les compagnies pétrolières.

* N.T. :. Ce qui supposerait qu'il existe aux Etats-Unis plus de puits et forages d'eau que de forages de recherche ou exploitation de pétrole, de charbon, de minerais métalliques ou substances utiles, de forages géotechniques e t c . . D'après la revue World Oil (avril et août 1976] les Etats-Unis ont déjà fait plus de 2,2 millions de forages pétroliers sur leur territoire, soit le double de ce qui a été fait dans le reste du monde. Sur 52 016 forages prévus en 1976 (non compris la Chine et l'Europe de l'Est] l'Amérique du Nord en fera 47 145 dont 41 451 aux Etats Unis et 5 245 au Canada. Le Moyen-Orient (qui a produit plus de 37 % du pétrole extrait dans le monde en 1975] en fera 759 et la France 36.

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Une très bonne connaissance des possibilités offertes par les diagraphies utilisées par les pétroliers évitera la répétition des recherches fondamentales faites par ceux-ci dans le domaine de la technique des diagraphies qui sont applicables aux autres secteurs de l'exploration des ressources du sous-sol,y compris l'eau j on adaptera seulement les coûts d'équipement et d'intervention à la valeur du produit (499,500]. La Division des Ressources en eau du Service Géologique des Etats Unis dirige la recherche des techniques géophysiques en forage appliquée à 1'hydrogéologie. Un projet de recherche avec un ou deux chercheurs a été mise en route pour 8 ans (depuis 1964] au Centre Fédéral de Denver, Denver, Colorado, sous la direction de W. SCOTT KEYS. Les objectifs du projet sont de rechercher et d'apprécier les applications courantes et possibles des diagraphies géophysiques au point de vue qualitatif et quantitatif en hydrogéologie souterraine et de rendre compte de la valeur de ces techniques dans les conditions variables de terrains aquifères à travers les Etats Unis. Les autres objectifs sont le développement et l'adaptation de l'appareillage de mesure pour résoudre les problèmes spécifiques de 1' eau souterraine, pour améliorer les méthodes d'interprétation qualitative et quantitative et pour adapter ces méthodes aux études d'eau. Une discussion complète de toutes les méthodes de diagraphies, avec application actuelle ou potentielle en hydrogéologie, dépasse la portée de ce texte. KEYS (356,357,358]et d'autres (196,388] ont d'ailleurs publié divers compte rendu qui passent en revue ces méthodes. Des notes complémentaires mettent l'accent sur des interprétations et applications spécifiques telles que : aquifères basaltiques, formations meubles, e t c . . (8,168,292,294,401,500, 508,615,668]. L'application des diagraphies géophysiques est aussi restreinte aujourd'hui en hydrogéologie qu' elle l'était en 1930 en recherche pétrolière. En 1964, environ 440 000 nouveaux forages d'eau ont été exécutés aux Etats Unis. Il est douteux que l'on ait effectué des diagraphies géophysiques sur plus de 1 % d'entre-eux. La traditionnelle coupe du foreur est faite à partir des cuttings sur la plupart des puits, mais ces coupes n'ont pas de valeur réelle. Des diagraphies géophysiques correctes sont des documents objectifs, utilisables dans de grandes zones géographiques, pendant longtemps sans modification de leur signification. Le prix est le seul facteur très important expliquant l'utilisation actuellement faible des diagraphies dans le domaine des forages d'eau. En 1966, l'investissement annuel des Etats Unis en forages d'eau était estimé entre 500 et 750 millions de dollars, non compris les pompes et les conduites (356]. Bien que le coût total des forages soit très élevé, la valeur unitaire de l'eau est rarement égale à celle de l'huile. Le coût du matériel d'équipement pour diagraphies et celui des prestations de service doivent être compatibles avec ceux des puits et avec la valeur du produit. Aux Etats Unis, en 1961, on estimait le prix moyen d'un forage d'eau à 1 500 dollars ; ceci montre, du reste, la prépondérance des forages courts de petit diamètre exécutés dans l'Est pour des particuliers (356]. Dans l'Ouest, les forages communaux, les puits d'irrigation et de rejets d'effluents atteignent des prix comparables à certains puits pétroliers. Comme on a dû généralement s'orienter vers des puits plus profonds, donc plus coûteux, il devenait rentable de mieux connaître les terrains et d'améliorer les techniques d'exécution et de completion. Par suite des progrès ré'

14

cents en électronique, des appareils peu encombrants et relativement bon marché, utilisables par un seul opérateur, sont maintenant largement répandus, et les dépenses qu'ils entraînent sont incontestablement justifiées dans beaucoup de cas. Une deuxième raison limitant l'expansion des diagraphies en hydrogéologie, c'est que peu de géologues, d'hydrogéologues ou d'ingénieurs travaillent sur les projets de forages d'eau, et que beaucoup n'ont pas les connaissances ou l'expérience nécessaires à l'interprétation détaillée des diagraphies géophysiques. Cependant les sociétés de services fournissent habituellement l'interprétation en même temps que les diagraphies. Si l'on veut que les diagraphies soient effectivement appliquées à la solution des problèmes hydrogéologiques, il faut non seulement que l'idée de leur utilité soit acceptée par les entrepreneurs, mais il faut aussi que les géologues praticiens, les hydrogéologues, e t c . . connaissent mieux leur interprétation.

CAUMI LOO MCll DUMITII

» T I M M»» FMCIOT MCIOT STOMÎifiïOUS POTIMYUU. 100

Figure 55

356

ei

ÎSa&T5âB°" a&T5âB°"

Perméabilité et porosité d u granite d ' a p r è s le s o n d a g e g é o p h y sique CX111, Clear Creek C o . , Colorado.

1 3 5 6 8

log de diamétrage ; diamètre du trou 2 Potentiel spontané = P . S . résistivité monoélectrode 4 log neutrons - neutrons épithermiques pourcentage d'argile d'altération estimé d'après les carottes zone de faille 7 débit 750 à 1000 G P M (gallon par minute) ; 1 U . S . gallon = 3,785 1 principal aquifère 9 carotte perdue

15

On disposerait d'une masse considérable de documents géologiques si des renseignements corrects étaient recueillis sur la multitude de forages d'eau réalisés dans le monde. En interprétant les diagraphies avec un seul objectif, tel que l'eau ou l'huile, on peut laisser échapper des accumulations d'autres substances minérales intéressantes. Ainsi, dans le Sud-Est des Etats Unis et en Australie des diagraphies gamma sur de petits forages domestiques ont fourni de précieuses informations pour la recherche du phosphate. La recherche de l'uranium aussi bien que celle des phosphates, sulfures, etc.... qui sont des amas stratiformes,se traduisent nettement en diagraphie électrique. Les logs donnés à la figure 55 par exemple, ont été faits pour une étude hydrogéologique. De plus, l'étude de l'argile d'une carotte comparée au log neutron permet d'évaluer le degré d'altération du granite, ce qui constitue une indicationfavorable au dépôt de minerai dans certaines régions. Dans certaines régions, des forages d'eau ont été diagraphiées pour préciser les données stratigraphiques et structurales en vue de la prospection pétrolière. Il est fréquent que les diagraphies des forages d'eau apportent des renseignements complémentaires susceptibles d'améliorer la connaissance géologique du sous-sol et de favoriser la recherche de toutes sortes de substances minérales (515). Le tableau 18 passe en revue les diagraphies actuellement disponibles ainsi que leur utilisation. Les appareils de géophysique utilisés par l'industrie des eaux souterraines sont pour la plupart moins encombrantes, plus légers et moins chers que ceux dont se servent les pétroliers. Ces équipements peuvent être fixés sur un véhicule tous terrains léger ou sur une voiture de tourisme. L'appareillage simplifié de diagraphies utilise un câble mono-conducteur, un stylet à plume-et-encre, et il est manipulé par un seul homme. Les mêmes types de techniques de diagraphies sont mises en oeuvre pour la recherche de l'eau et du pétrole ; cependant, l'équipement, l'objet des diagraphies et leur interprétation sont généralement différents. La plupart de ces différences, dictées par un souci d'économie, sont possibles en raison des faibles profondeurs températures et pressions rencontrées. Les différences dans les techniques d'interprétation des diagraphies proviennent des différences de conditions de trou : température, pression, etc... Les méthodes d'interprétation mises au point par les pétroliers ne sont pas toujours directement applicables aux forages d'eau. En outre, certaines informations sur la lithologie et autres données physiques sont spécifiques des problèmes d'hydrogéologie (293,341]. Le but de ce chapitre n'est pas de décrire un détail les procédés d'interprétation, mais plutôt de résumer quelques unes des techniques pétrolières les plus importantes qui s'appliquent à la recherche des eaux souterraines (16G,346,347] . Généralement, les effets des hautes températures, pressions, e t c . . sur l'eau intersticielle impose une modification d'interprétation des diagraphies pétrolières pour la rendre applicable à l'eau souterraine ; par exemple, la modification portera sur la différence de composition ionique de l'eau douce et sur le fait que la résistivité de celle-ci est environ 100 fois plus élevée que celle de l'eau qui accompagne habituellement les formations imprégnées d'huile et de gaz. De plus, la recherche d'eau s'intéresse à l'évaluation de paramètres différents de ceux recherchés par les pétroliers. L'hydrogéologue cherche à évaluer l'eau qualitativement et quantitativement et l'entrepreneur désire savoir, parmi les différents horizons sableux, quel est le

16

TABLEAU

18

(356)

Techniques de diagraphie proposées en recherche d'eau souterraine

Renseignement souhaité sur les caractéristiques des roches, des fluides, des puits ou des réseaux souterrains aquifères Lithologie des aquifères et de leurs épontes (terrains associés)

Corrélations stratigraphiques entre aquifères et épontes Porosité totale ou densité apparente

Diagraphies classiques susceptibles d'être effectuées Logs électrique, sonique ou de diamétrage en trous découverts. Log de rayonnement en trous ouverts ou tubes idem ]og sonique étalonné ou log gammagamma en trou ouvert log neutron étalonné en trou ouvert ou tube

Porosité réelle ou résistivité vraie

logs de résistivité étalonnés

Teneur en argile

log de rayons gamma naturels

Perméabilité

Pas de mesure directe par diagraphie. Peut avoir un rapport avec la porositt 1'injectivité (absorption) 1'amplitud! sonique.

Perméabilité secondaire - localisation de fractures et de cavités

résistivité monoélectrode, ou diamétreur, log acoustique, télévision du trou.

Porosité efficace en nappe libre

log neutron étalonné en % d'humidité

Granulométrie

Relation possible avec le facteur de formation déduit des logs électriques Teneur en argile tirée du gamma ray.

Localisation d'un niveau d'eau ou d'eau suspendue à l'extérieur du tubage.

logs électrique, gamma, résistivité du fluide à l'intérieur du tubage ou en trou ouvert- logs neutrons ou gamma à l'extérieur du tubage.

Teneur en eau en terrain non saturé

logs neutron étalonnés en % d'humidité

Taux d'humidité en zone d'infiltration

Diagraphies neutrons ou de traceurs radioactifs effectuées à plusieurs périodes. Température.

17

T A B L E A U

Renseignement souhaité sur les caractéristiques des roches, des fluides, des puits ou des réseaux souterrains aquifères

18

(356)

(Suite!

Diagraphies classiques susceptibles d'être effectuées

Circulations d'eau souterraine, directions et vitesses

Techniques de traçage en simple puits - dilution ponctuelle et "bouffée" en simple puits. Techniques de traçage en puits multiples.

Dispersion, dilution et mouvement d'effluents

Logs de résistivité et de températures, log gamma pour effluents radioactifs, Echantillonnage.

Zone de venue d'eau dans un puits et déplacement.

Profil d'injectivité (absorption], mesure de vitesse ; ou traçage en pompage ou injection. Logs de températures différentielles. Diagraphies périodiques de neutrons ou gamma.

Caractéristiques physico-chimiques de l'eau ; minéralisation, température, densité et viscosité.

Logs étalonnés de résistivité et de température du fluide dans le forage Chlorinolog (gamma de capture dus au chlore] en trous tubes.

Caractéristiques de construction des puits existants, diamètres et position des tubages des zones détériorées, des crépines.

Logs gamma, diamétrage, détecteurs de joints et de perforation. Télévision du trou.

Détermination de la position et de la longueur optimale des crépines.

Tous les logs donnant des renseignements sur la lithologie, sur les caractéristiques, les corrélations et l'épaisseur des aquifères

Guide pour choisir la tranche à cimenter et le procédé de cimentation.

Logs de diamétrage, de température ou gamma-gamma.

Localisation de points de corrosion du tubage

Dans certaines conditions, diamétreur ou détecteur de joints

Localisation des fuites au tubage ou de crépines obstruées.

Traceurs et micromoulinet.

18

bon sable à crépiner, quelle est sa perméabilité, sa granulométrie, la qualité de l'eau ? Une revue d'ensemble des méthodes géophysiques et de leur application à la recherche de l'eau a été publiée (96). Pratiquement, les renseignements que l'on peut tirer des diagraphies peuvent s'appliquer à 3 domaines qui se recouvrent partiellement : 1°) Caractéristiques des aquifères 2°) Caractéristiques du fluide 3°) Exécution du forage.

11- CARACTERISTIQUES DES AQUIFERES ET DIAGRAPHIE DE PUITS Les caractéristiques lithologiques et les corrélations stratigraphiques entre les aquifères et horizons associés sont importantes pour 1'hydrogéologue et l'entrepreneur de forages [168,668]. On obtient habituellement ces renseignements à partir du gammay ray et du log électrique en monoélectrode (293). Plus récemment, les logs de diamétrage et parfois les logs neutron et gamma-gamma ont été utilisés pour identification et évaluation des aquifères. Les logs de rayonnement (neutron, gamma, e t c . . ) ont été réalisés dans des puits tubes au droit des terrains meubles. Ces logs constituent les seuls moyens sûrs pour obtenir une coupe lithologique détaillée. La porosité totale peut être déterminée à partir des logs neutron ou calculée à partir des logs gamma-gamma puisque la densité du fluide et celle du grain sont généralement connues ou supposées avec une bonne approximation (183). Le log gamma individualise les horizons fortement argileux qui entraînent une porosité effective relativement basse par rapport à la porosité totale. Dans certains aquifères on a pu établir une relation linéaire entre la porosité et la conductivité hydraulique ou perméabilité (139). La conductivité hydraulique est le terme hydrologique utilisé aujourd'hui en remplacement du coefficient de perméabilité ¡ il se définit comme le volume d'eau unitaire s'écoulant à travers une section unitaire de terrain par unité de temps sous un gradient unitaire, (perte de charge unitaire par unité de longueur d'écoulement). La transmissivité est le produit de la conductivité hydraulique par l'épaisseur de l'aquifère. La perméabilité est liée à la granulométrie de même que la porosité j une note récente, importante contribution à 1'hydrogéologie, démontre que dans les sables renfermant de l'eau douce, le facteur de formation * croît en fonction de la granulométrie (8). Bien que l'on ait récemment développé les techniques d'interprétation multiple ou composite, qui utilisent les logs neutron, gamma-gamma et sonique, celles-ci n'ont pas été adaptées à une pratique courante en hydrogéologie, à ce jour (618). Cependant, la recherche d'application de ces techniques est en projet et l'on devrait aboutir à de nouvelles méthodes susceptibles d'améliorer nettement la solution des problèmes posés par les aquifères.

* N.T. : Facteur de formation F : voir explication en 3ème partie p.115 à 118.

19

Aucun log ne peut donner à lui seul une image complète des caractéristiques d'un aquifère. Toutefois, il est possible d'en combiner plusieurs pour déterminer les conditions stratigraphiques locales susceptibles d'influencer le débit, la qualité, e t c . . de l'eau. Le potentiel spontané = [P.S), sur le côté gauche de la figure 56 est l'une des diagraphies de forage les plus répandues aujourd'hui. Les sections linéaires du log, correspondent à des zones où les terrains ont une granulométrie fine, des argiles par exemple. Quand la courbe se déplace vers la gauche, s'éloignant de cette "ligne des argiles", elle indique des zones sableuses. Normalement la courbe déviera vers la gauche (côté négatif], mais si l'eau imprégnant le sable est très douce il peut y avoir inversion vers la droite comme le montre la figure dans la plupart des petits horizons sableux. Les valeurs de la résistivité (figure 56 - 2ème colonne) croissent vers la droite. Les roches denses, telles que le granite et certains calcaires se traduisent par de fortes résistivités. Les valeurs moyennes correspondantes à des déviations négatives ou fortement positives de la P.S indiquent des sables saturés d'eau. Le log de résistivité, en ligne tiretée (appelée "Grande normale"], donne les valeurs de la résistivité à une certaine distance de la paroi du trou. On fait rarement des diagraphies de "Grande normale" aujourd'hui dans la recherche pétrolière. La courbe donnée figure 56 ressemble aussi à une diagraphie de résistivité par induction actuellement fréquente en recherche pétrolière. Ce log nécessite toutefois une opération plus complexe que ce que l'on fait habituellement en hydrogéologie. Le log de "petite normale" (courbe en trait continu sur la figure 56) peut également être intéressant pour déterminer l'extension du cake dans 1'aquifère aussi bien que pour déterminer des caractéristiques lithologiques. Le rayonnement gamma (naturel) est élevé normalement au droit des roches argileuses en raison du pourcentage faible, mais néanmoins significatif, de minéraux radioactifs dans de telles roches. Des sables et grès constitués de quartz et d'autres éléments mineurs donnent une radioactivité plus faible que celle des argiles, bien qu'il existe des exceptions que nous verrons plus loin. Les calcaires montrent en général de faibles valeurs de rayonnement gamma, tandis que les granites et arènes granitiques émettent un rayonnement gamma modéré. Le log neutron de la figure 56 apparaît souvent comme l'image dans un miroir du gamma ray et il est utile pour délimiter les différents types de roches. On obtient les diagraphies neutron par bombardement du terrain à partir d'une source radioactive et l'on enregistre le rayonnement émis en retour.La configuration du log dépend de la proportion d'hydrogène provenant des fluides contenus dans les interstices du terrain. Le microlog est à l'origine une diagraphie pétrolière. Il sert principalement à localiser les couches très minces, par exemple les fines intercalations sableuses dans les argiles (262). Il faut souligner que les diagraphies ont de multiples usages. En forage d'eau on les utilise le plus habituellement pour interpréter les terrains préalablement recoupés par un sondage, ce qui peut être indispensable pour prévoir ce que l'on rencontrera sur d'autres sondages futurs de la même zone géographique en supposant bien entendu que la géologie ne soit pas totalement différente.

20

Spontaneous potential

Resistivity

Hydrogeologie interpretation

Resistivity microlog

Homogeneous clay, impermeable

J

Unconsolidated sand, permeable, fresh water Homogeneous clay, impermeable 3

Jt

L

Gamma radiation

r

Dense rock, low porosity, impermeable

Neutron log radiation

Caiiper diameter

I

_ Shale, high g a m m a suggests dark shale, impermeable O

Sandstone, permeable, brakish water Shale, impermeable | Dense rock, low porovty, impermeable, probably limestone • Shale, streaks of sandstone, low permeability Shale, homogeneous, impermeable Shale, streaks of sandstone, low permeability

i Sandstone, streaks of shale, permeable, saline water

Shale, few sand streaks, impermeable Oense rock, weathered on Qjpper part, high g a m m a ^suggests granite, very low permeability

Figure 56

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

198

I

- Regroupement de six logs communs d'un forage d'essai hypothétique avec interprétation hydrogéologique.

argile homogène, imperméable sable meuble, perméable ; eau douce roche compacte, faible porosité ; imperméable ~ * " " argilite (roche argileuse s.l. , marne), la valeur élevée du gamma évoque une marne noire, imperméable grès, perméable, eau saumâtre roche compacte, faible porosité, imperméable, probablement du calcaire argilite, passées de grès, faible perméabilité grès, passées marneuses, perméable, eau salée marne, quelques passées sableuses, imperméable roche compacte, altérée à la partie supérieure ; le gamma élevé évoque un granite ; très faible perméabilité

21

12 - CARACTERISTIQUES DES FLUIDES A PARTIR DES DIARRAPHIES A partir des diagraphies, on peut obtenir de bonnes informations concernant la localisation, la quantité, les mouvements et les caractéristiques de l'eau du terrain. On utilise dans ce but les logs classiques de résistivité et de température du fluide, si le puits a eu le temps d'atteindre les conditions d'équilibre du réservoir, et si de ce fait il s'établit une bonne liaison hydraulique entre le puits et l'aquifère traversé. Le colmatage du terrain dû à un nettoyage incomplet des fluides de foration peut réduire sérieusement la productivité du puits (205,442). Cette question sera traitée plus en détail dans les chapitres suivants du manuel Water

Well Technology . La qualité de l'eau, aussi bien que sa température, conditionnent fortement ses possibilités d'utilisation. Les diagraphies de température, résistivité et rayonnement gamma ont toutes été utilisées pour déterminer le coefficient de dispersion et les déplacements de polluants chimiques et radioactifs dans le sous-sol. Des enregistrements continus sont plus rentables que des prises nombreuses d'échantillons ponctuels et l'on peut s'en servir pour déterminer les points de contrôle à échantillonner pour analyse en laboratoire. On utilisera les logs de résistivité et de température du fluide pour calculer la conductivité spécifique à prendre en compte pour déterminer la proportion des divers ions en solution si l'on dispose d'analyses chimiques d'étalonnage (115,626,628). La température influe notablement sur la circulation de l'eau puisqu'elle conditionne sa viscosité et la salure de l'eau modifie sa densité. On se sert des anomalies de température et de résistivité pour localiser une ou des sources d'eau en pompant ou en injectant dans un puits ; en outre, les appareillages récemment mis au point pour enregistrer des températures différentielles sont utilisables sur les puits où ils donnent une meilleure sensibilité que le log de gradient de température. Bien sûr, la position du niveau piézométrique dans un puits est facilement identifiée par les diagraphies électriques, résistivité de fluide, gamma-gamma et neutron.

ché)

La localisation du niveau piézométrique (ou d'un niveau d'eau perà l'extérieur du tubage peut se faire avec les diagraphies neutron.

La localisation de l'interface eau douce-eau salée à travers le tubage était un problème (357). L'emploi du neutron-neutron épithermique et du neutron-gamma a été couronné de succès dans certains cas. Ce type de diagraphie pourrait être mis en oeuvre pour déceler des changements de salure. La zone non saturée comprise entre la surface du sol et la zone saturée constitue un domaine important de l'application des diagraphies. Il s'agit de la zone à travers laquelle s'effectue l'essentiel de la recharge des nappes. La mesure de l'humidité et de ses variations spatiales en fonction du temps est très importante pour l'évaluation des ressources en eau. On utilise à cette fin diverses diagraphies neutron, dont i a plus commune et le log neutron d'humidité. L'appareil utilisé comporte un espacement faible entre le détecteur et la source émettrice de neutrons,de sorte que le taux de comptage croît en fonction de la teneur en eau.

22

La plupart de ces appareils ne font pas de diagrammes continus et ne conviennent pas pour des puits de grand diamètre ni pour les puits profonds. Gn a utilisé récemment un appareillage neutron classique du type de celui dont se servent les pétroliers. Sur la figure 57, par exemple, KEYS compare un log neutron-neutron épithermique et un log gamma-gamma effectués sur 2 puits contigüs dans un tuf volcanique,près de Los Alamos, Nouveau Mexique.

G A U W A - G A W M A LOGS

Figure 57

356

NCUTRON-NCUTRON LOGS

- Mesure de porosité et de teneur en eau en terrain non saturé (au-dessus du niveau piézométrique). Los Alamos, Nouveau Mexique.

23 "Les carottes montrent que les logs gamma-gamma de ces 2 puits reflètent correctement la porosité, avec des moyennes de 43 % dans les 100 premiers pieds et de 34 % entre 100 et 200 pieds. Le log neutron du puits LD 20 montre, de plus, un accroissement d'humidité de 50 à 200' qui est dû à l'eau introduite artificiellement près de ce puits. Sur le puits N-2 le log neutron montre que ces mêmes-tufs sont normalement secs sauf vers 250'. On a réussi par des diagraphies neutron effectuées à plusieurs reprises,à suivre le mouvement descendant de l'eau d'infiltration, qui commence après le dégel dans ces climats nordiques, et qui suivent les fortes pluies (356)". Une application importante des logs neutrons est la diminution du coefficient d'emmagasinnement, aijjsi que le décrit MEYER (441). Le coefficient d'emmagasinement se définit comme le rapport du volume d'eau qu'un sol ou un terrain peuvent céder par gravité au volume propre du terrain. Cette technique utilise une sonde à neutrons, étalonnée en pourcentage d'humidité, pour mesurer la différence d'humidité dans un terrain saturé avant et après drainage. La méthode donne des résultats tout à fait similaires à ceux qui découlent des essais de nappe. L'origine de l'eau dans un puits peut être déterminée par diagraphies périodiques neutron ou gamma-gamma(359). Pendant le développement, les essais et le nettoyage du puits, on peut évacuer une bonne quantité d'éléments fins. La plus grande partie de ces matériaux provient des zones de l'aquifère où les vitesses sont les plus élevées. Donc, puisque la porosité de ces horizons est fortement modifiée, il sera possible de localiser ceux-ci par comparaison des diagraphies neutron ou gamma-gamma effectuées avant et après le développement, bien que l'élargissement du trou consécutif au développement puisse compliquer la comparaison**. Sur un puits en pompage, ou dans lequel on injecte de l'eau, les circulations d'eau correspondantes aux différences naturelles de charge entre les divers aquifères sont mesurables au moyen d'un micromoulinet, ou par traçage chimique ou radioactif. On peut établir les classiques "profils d'absorption" pour localiser les zones de plus haute perméabilité. On peut également utiliser des traceurs radioactifs pour situer les zones perméables produisant ou absorbant l'eau a l'extérieur du tubage. La plupart des techniques du simple-puits et du puits-multiple emploie des traceurs radioactifs pour déterminer la direction et la vitesse des circulations d'eau dans les aquifères, sans faire appel aux outils classiques des diagraphies. On expérimente beaucoup, en ce moment, les techniques de traçage sur simple-puits. Dans la méthode de dilution ponctuelle on injecte une petite quantité de traceur radioactif au milieu du puits j la vitesse horizontale et la direction du déplacement sont mesurées sur une série de détecteurs situés à la périphérie du puits. Dans la technique de la "bouffée" en simple-puits, un "bouchon" de traceur est introduit dans un courant d'eau injecté dans le puits. Un certain temps après l'injection on pompe dans le puits, et le temps nécessaire pour récupérer le bouchon peut être fonction de la vitesse de l'eau souterraine. Si l'on utilise un traceur radioactif, la tranche de terrain absorbant et restituant le bouchon de traceur peut être localisée. Les expériences de traçage en puits-multiple se font généralement par échantillonnage physique. x N . T . : la définition plus précise du coefficient d'emmagasinement est : rapport entre la hauteur de la tranche d'eau immédiatement libérable par la roche aquifère, sous l'effet d'une dépression et la hauteur d'abaissement correspondant au niveau piézométrique. * * N . T . : en forage crépine et gravillonné correctement, un développement progressif adapté à la granulométrie et à la cohésion naturelle du terrain, se fera sans variation du diamètre ; néanmoins la désorganisation initiale par le développement augmentera le rayon efficace, donc la productivité du puits.

24

plutôt que par diagraphie, puisque le tritium habituellement utilisé n'est pas détectable par les appareils classiques de diagraphies. Certains radioisotopes gamma émetteurs ont, en outre, pu être localisés et diagraphies avec un appareillage classique de gamma ray. L'identification de radio-isotopes dans des effluents peut se faire avec un appareillage de diagraphiesophistiqué. La qualité de l'eau produite par un puits a une importance primordiale dans l'évaluation d'un aquifère [607]. Le Service de la Santé publique des Etats Unis a instauré des limites maximales pour les différents sels dissous dans l'eau de distribution publique. Parmi d'autres recommandations on demande habituellement que le résidu sec ne dépasse pas 500 mg/1 et la-teneur en chlorure 250 mg/1. L'eau d'irrigation ou l'eau industrielle ne sont pas soumises à des normes aussi rigoureuses. Ces normes seront révisées dans le futur dans le sens d'une réglementation plus stricte de la qualité de l'eau. L'Agence pour la Protection de l'Environnement [Environmental Protection Agency (EPA] a été récemment chargée d'uniformiser à l'échelon national les normes de qualité de l'eau. L'EPA, publiera très prochainement les modifications de normes les plus importantes.

12-1 Diagraphie de Polarisation spontanée Le log de P.S (polarisation spontanée] associé au log de résistivité permet en général d'obtenir une bonne approche de la qualité de l'eau. On a établi les relations entre P.S, résistivité, concentration ionique etc.... sur les saumures associées au pétrole. Ces relations basées sur des recherches théoriques ont été confirmées par l'expérimentation en recherche pétrolière (256,668]. Toutefois quand ces relations des gisements de pétrole sont appliquées aux sables à eau douce, les résultats peuvent être erronés. Dans le pétrole, on utilise la relation ci-après à titre d'approche : P.s

-

K

log

dans laquelle : P.S K Rmf

= = =

Potentiel spontané (en - millivolts] Constante en fonction de la température du terrain résistivité du filtrat

=

résistivité de l'eau du terrain,

R w

Ä R w

équation

43

-

Dans une eau douce, la chlorure de sodium ne prédomine généralement pas sur les autres sels comme c'est le cas dans la plupart des saumures pétrolières. En conséquence, la relation ci-dessous établie par les pétroliers à partir de solutions salines riches en Na Cl ne s'applique pas directement. Il devient alors indispensable de réexaminer la relation entre concentration ionique et résistivité, e t c . . pour tenir compte des ions autres que Na Cl.

25

++

++

Dans les eaux souterraines, les cations divalents (Ca , Mg , etc....) ont un effet beaucoup plus marqué sur la P.S que Na , ce qui donne une courbe de P.S représentative apparemment d'une solution beaucoup plus salée que ne l'indique la courbe de résistivité. GONDOUIN et alter(256),montrent que dans ce cas, la valeur de la P.S est la suivante : p S

=

-

K. log

[a Na + Va Ca + + ~ + a M g + + L w (a Na) mf

équation 44

dans laquelle : (a Na , a Ca

K

N.T.

=

, a Hg

) w

: activités magnésium

f

de la température du terrain

mf

=

des ions de sodium, calcium et de l'échantillon d'eau.

filtrat de boue.

Activité ionique La conductivité (donc son inverse, la résistivité) d'une solution électrolytique dépend théoriquement de la concentration C du sel dissous et du degré de dissociation a de celui-ci : seuls les ions dissociés sont conducteurs, les molécules étant électriquement neutres. Dans une solution électrolytique renfermant des anions (A) des cations CC) et des molécules neutres (AC), la constante de dissociation K s'exprime ainsi K

=

(A) x (C) r^pj

(les parenthèses expriment la concentration de A,C, e t c . . en ion-gramme par litre).

Si cette solution a une concentration C, elle contiendra Ca anions, Ca cations et C (1 - a) molécules neutres (non dissociées). Dn peut donc écrire _ 2 Ca x Ca C a l\ — ~ : (1 - a) 1-a K étant une constante (à température et pression données), a doit augmenter lorsque C diminue. Cette loi de dilution d'Dstwald se vérifie assez bien pour les electrolytes faibles (K í 10~4) et pour les electrolytes forts (KC1, Na Cl par exemple) très dilués. Avec un electrolyte fort qui ne serait pas très dilué la loi des gaz parfaits : pV = n RT n'est plus applicable. Pour rétablir l'application, on suppose alors que la molécule a dans ce cas une activité différente de celle de la molécule libre en solution très diluée ; cette activité exprimerait la concentration fictive de remplacement de la concentration réelle pour que la loi des gaz parfaits reste applicable.* * Sur la figure 58, la courbe est rectiligne pour les résistivités supérieures à 0,5 ohm-m, soit approximativement 11 000 ppm de Na Cl à 25°C. Pour des résistivités plus faibles, très fréquentes dans les saumures pétrolières, qui atteignent 200 000 à 300 000 ppm couramment, l'activité croît plus vite. Contrairement à la théorie d'ARRHENIUS sur la dissociation en ions d'un sel en solution, DEBYE considère que dans les electrolytes forts, la dissociation est totale (a = 1) quelle que soit la concentration C. Mais la conductivité de 1'electrolyte diminue par suite de phénomènes liés à la charge électrique des ions qui s'entoureraient d'ions de signe inverse réduisant leur mobilité, donc la conductivité.

26

Dans cette dernière équation, on considère que l'action du filtrat est celle d'une solution de Na Cl, bien que dans certains cas les ions divalents atteignent une concentration significative dans le filtrat. Les échanges de base dans les argiles de la boue et argiles naturelles tendent à réduire la concentration en éléments divalents de l'eau d'appoint de la boue. Il est possible que la concentration de l'anion ait une légère influence sur la P.S et un certain effet sur la résistivité de la solution. Pour les solutions de chlorure de sodium la relation entre "activité" et résistivité est donnée par la figure 58.

Res. of NaCI vs Na + Activity Temp. 77°F

*

9

' M ' ^«

Hard zone (no water)

Figure 72

198

- Logs de vitesse et de conductivité du fluide dans un forage artésien hypothétique. Les réductions de diamètre du trou, dans la tranche découverte, donnent une vitesse maximale à l'eau. Le log de conductivité indique que seuls les deux aquifères du milieu contiennent de l'eau douce.

terrain dur, sans eau

55 Le moulinet est placé juste au-dessous du niveau de la pompe. Puis on descend la pompe en prenant soin de ne pas coincer le câble du moulinet. Après mise en marche de la pompe à débit constant, on descend le moulinet et l'on compte le nombre d'impulsions à intervalle régulier dans un trou non tube, ou au-dessous de chaque tranche de crépine sur un forage au droit de plusieurs horizons aquifères. On peut utiliser la courbe de vitesse ainsi obtenue pour déterminer le niveau dynamique maximal que l'on puisse atteindre en toute sécurité et à partir de là le débit maximal exploitable dans ces mêmes conditions.

13-3 Diagramme de température La diagraphie thermique est l'un des moyens d'étude les plus utiles et les moins coûteux (1103. Si on l'effectue peu de temps après la cimentation d'un tubage.il est possible de déterminer la zone cimentée. La figure 73 montre la gaine de ciment entre deux tubages.

Inner casingOuter casings Ground surface

Temperature increase

Cemented zone

Hole filled with_ viscous m u d

Figure 73

198

- Diagramme schématique montrant la chaleur dégagée par le ciment au cours de sa prise.

56

Les thermographes pour forages très profonds coûtent plusieurs milliers de dollars. Mais une sonde thermique non-enregistreuse, avec 500' [/ 150 m] de câble, ne coûte que quelques cenctaines de dollars. Ce type de sonde est descendu à la profondeur désirée, on attend la température d'équilibre qui peut alors être lue sur le compteur. BIRD (124) et BLANKEIWAGEL (126) donnent des détails sur d'autres utilisations et sur les interprétations des diagraphies thermiques (343,503). On utilise couramment les logs de température aussi bien dans le domaine du forage que de la production. En raison de sa progression, essentiellement empirique et de nature semi-quantitative, le pétrole a été très lent à adopter cet instrument. Les applications spécifiques des logs de température apportent des renseignements comparables à ceux des autres procédés de diagraphies. Dans tous les cas cependant, les résultats qualitatifs, dépendent fortement de l'adaptation de l'équipement aux conditions de puits (avant et pendant la diagraphie) et aux méthodes de diagraphie en fond de trou. On admet que les mesures de température sont applicables dans les six cas suivants : 1) 2) 3) 4)

limite du ciment conduits d'arrivée de gaz diagraphie de production d'eau profil d'injection de fluide (profils thermiques de fermeture, puits d'injection d'eau) 5) logs d'évaluation de fracture 6) logs d'évaluation de l'action de l'acide.

Ces six sujets fournissent une bonne information sur les applications les plus courantes des mesures de température (343). En 1950, les pétroliers faisaient systématiquement un log de température après chaque circulation. A ce moment là un gros effort pour améliorer les outils, les techniques et les applications fut entrepris par des hommes tels que GLJYOD (290). Grâce à leur grande imagination et aux progrès de l'électronique se développèrent des études de gradient et de températures différentielles sensibles et précises. Ceci entraîna la naissance de nombreuses techniques telles que les profils de températures dans les puits d'injection d'eau (FIL *, les logs d'évaluation de fracture (FED, et des logs d'évaluation de l'acide (AEL). On a utilisé ces profils comme logs de production d'eau (pour localiser les anciennes limites des zones cimentées, les entrées de gaz, et les conduits aquifères), et pour déterminer les produits retardateurs de prise de ciment adéquats en forage pétrolier profond. Une technique élaborée d'étude de la température différentielle a été utilisée avec succès pour localiser avec précision une perte en fond-de trou, dans un puits d'injection d' eau,perte qui n'avait pu être détectée auparavant par aucun autre procédé.Le log de température différentielle fournit des mesures précises des anomalies de température fractionnée liées aux mouvements de fluide vers le fond du trou. Outre son utilisation pour détecter des échanges de fluides dans les puits d'injection d'eau, cette technique sert à repérer les fuites sur les tubages, les mesures de gaz, les zones productives, les zones de pertes de circulation, les profils de produc* N.T. : FIL = fluid-injection log AEL = acid-evaluation log

FEL = fracture-evaluation log

57

tion d'huile et d'eau, et les contacts gaz/huile/eau en plus d'autres applications aux forages d'eau (526].

13-4 Log acoustique Parmi les outils de diagraphie aujourdh'ui disponibles, le log acoustique est plein de promesse en ce qui concerne la détermination de la densité du ciment derrière un tubage, l'analyse du fluide de saturation, la localisation des limites des gaines de ciment, et la détermination de la présence et de l'extension des fractures d'un terrain (127,630,673]. La mise au point récente d'un appareil perfectionné de diagraphie acoustique permet d'obtenir des renseignements sur la porosité et la lithologie en forages tubes (460]. Les diagraphies ainsi enregistrées fournissent en même temps, de précieuses informations sur la gaine de ciment. C'est grâce aux récents progrès en technologie électronique et aux améliorations des transmetteurs acoustiques que cet appareil a pu être réalisé (106]. Dans la plupart des cas, il faut que le ciment remplisse l'annulaire au moins à 40 ou 50 % pour obtenir un bon enregistrement du temps de propagation dans le terrain. Dans certains terrains "rapides"on a pu obtenir de bonnes diagraphies du temps de propagation de l'onde même avec un plus petit pourcentage de remplissage. En raison de la souplesse des appareils de diagraphies acoustiques et nucléaires, on peut enregistrer simultanément les logs acoustique, gamma ray, neutron, diamétreur et détecteur de joints. Dn fait couramment ces logs aussi bien en trous ouverts que tubes. Lors des premières diagraphies acoustiques, on obtenait parfois de bonnes réponses des terrains, même en travaillant dans un forage tube. On en déduisit aussitôt qu'il s'agissait des passages où la gaine de ciment, remplissant bien l'annulaire, assurait une bonne liaison entre tubage et terrain. Au début de la diagraphie acoustique on travaillait parfois sur des forages dont certaines tranches étaient tubées. A partir de tels logs on pouvait tracer la réponse du terrain pour obtenir une bonne corrélation avec les logs des tranches découvertes. Ces logs, de type monorécepteur étaient inutilisables pour le calcul de la porosité. A partir du moment où l'on disposa du double récepteur, nombreux sont ceux qui tentèrent d'obtenir un log précis et continu à travers le tubage. Ces tentatives échouèrent pour l'une des deux raisons suivantes : premièrement, l'adhérence du ciment entre tubage et terrain était habituellement discontinue ; deuxièmement , les instruments acoustiques avaient un signal de rendement insuffisant et ne recevaient pas l'amplification du signal. Ainsi les premiers signaux de compression du terrain ne pouvaient-ils être correctement diagraphies. Lorsque les transmetteurs électro-acoustiques furent améliorés on obtint de gros progrès dans la mise au point des appareils de diagraphie acoustique. Dans un rapport soviétique, TITK.0V et alter (617] déclarent que la vitesse des ondes sonores indique à la fois l'augmentation de la résistance du ciment et la détérioration de sa structure. Le rapport souligne qu'un coefficient d'atténuation du son constitue un indice sensible, spécifique du développement de microfractures dans le ciment. A partir de cette constatation et des améliorations technologiques en électronique il fut possible de mettre au point un meilleur outil acoustique, outil capable de transmettre et

58 de recevoir une bonne réponse des terrains entourant le tubage et la gaine de ciment. Ces appareils ont été utilisés avec un plein succès au Texas occidental. Dans des nouveaux puits pétroliers qui étaient tubes et dans lesquels les conditions de trou étaient difficiles par suite de fortes pressions de gaz, on a obtenu de bons logs acoustique - gamma - neutron. On a également obtenu de très bons résultats sur des vieux puits pétroliers qui avaient été complétés avant la mise au point de l'outil acoustique de porosité (673]. En résumé, les logs d'amplitude acoustique enregistrent les changements d'amplitude des signaux soniques reçus, tandis qu'en diagraphie sonique on enregistre le temps de propagation de l'onde. On utilise l'atténuation d'amplitude sonique pour interpréter le degré d'adhérence du ciment dans l'annulaire et pour localiser des zones de porosité secondaire telles que cavités et fractures. Le rapport entre l'atténuation sonique et les caractéristiques lithologiques des aquifères, qui conditionnent la perméabilité, a un grand avenir en hydrogéologie (511).

2 - NOUVEAUTES DANS LES DIAGRAPHIES Plusieurs techniques de diagraphies et d'interprétation en cours d'expérimentation dans le pétrole ont un grand avenir en hydrogéologie (356). L'hydrogéologie n'utilisera ces outils sophistiqués et ceux qui seront mis au point ultérieurement qu'à partir du moment où ils conviendront parfaitement pour les opérations de routine, où leurs dimensions et leurs prix seront réduits. Les techniques qui semblent généralement les plus prometteurs sont : 1) 2) 3) 4)

les diagraphies de relaxation neutronique ; plusieurs espèces de diagraphies spectrales ¡ les diagraphies de résonance magnétique nucléaire j les traitements de diagraphies par ordinateur.

Les diagraphies du temps de relaxation neutronique ou du temps de ralentissement du neutron thermique utilisent une source émettrice de neutrons par impulsions et d'un détecteur de rayonnement gamma à ouverture synchronisée qui mesure le rayonnement gamma et également les neutrons dans certaines conditions. Avec ce système on mesure le champ gamma ou neutron à deux ou plus, temps présélectionnés après chaque pulsation d'émission de neutron. On a pu démontrer, d'après le diagramme de réponse aux neutrons émiSjqu'il y avait une relation cohérente entre la porosité et le fluide contenu dans une formation donnée. Le système a plusieurs avantages sur les logs de neutrons en continu : il est beaucoup moins influencé par les paramètres de trou et donne des résultats plus précis en forage tube ; en outre, les générateurs utilisés sont quelquefois capables d'envoyer des flux de neutrons plus élevés que ceux d'une source radioactive, et il n'est pas nécessaire d'utiliser des blindages protecteurs en dehors des périodes d'utilisation. Un émetteur de neutrons transportable de même type permet l'analyse de l'activation neutronique en forage. En diagraphie d'activation, on enregistre habituellement, avec quelques secondes de décalage, le rayonnement gamma émis par certains atomes sous l'effet d'un bombardement neutron. Ces rayons gamma proviennent du ralentissement de radioactivité d'éléments à demi-vies brèves. Ces éléments résultent de l'absorption d'un neutron thermique. Le rayonnement gamma, dont l'énergie est caractéristique de l'élément émetteur, est produit par le noyau après capture d'un neutron thermique.

59

Un analyseur multicanaux enregistre l'énergie de distribution des photons gamma qui atteignent le détecteur à scintillation. Bien que les effets de trou introduisent beaucoup de complications, on a utilisé cette technique pour l'analyse d'activation qualitative en forages. Les émetteurs actuels de neutrons sont trop encombrants, trop coûteux et trop exigeants en puissance électrique pour que leur emploi puisse se répandre en hydrogéologie. Les analysateurs multispectraux et l'équipement de diagraphie de différenciation d'énergie améliorent la qualité des informations données par les logs neutron et gamma. Le potassium 40 et les descendants de l'uranium et du thorium sont présents en quantités variables dans différentes roches ; on peut également utiliser leur abondance relative pour caractiser certaines unités lithrostratigraphiques. On a pu également utiliser l'analyse spectrale pour identifier et suivre des radioisotopes présents dans des déchets enfouis en profondeur et des traceurs radioactifs en réseaux Karstique aquifères (355). L'analyse spectrale et la differentiation d'énergie augmentent la qualité des logs neutron et gamma-gamma. Des séparateurs de limites supérieure et inférieure permettent d'éliminer la plus grande partie des radiations dont l'énergie est au-dessus et au-dessous de ces limites . La diagraphie de résonance magnétique nucléaire est une technique relativement nouvelle, inappliquée jusqu'ici en hydrogéologie, et les logs ne sont réalisables que par les sociétés de services. On a pu démontrer récemment qu'il existait un rapport entre les paramètres mesurés à partir de ces diagraphies et la perméabilité d'un certain nombre d'échantillons de grès. L'appareil de diagraphie mesure les propriétés magnétiques nucléaires de l'hydrogène des fluides de formation et fournit deux valeurs : le temps de relaxation thermique et l'indice de fluide libre, qui est fonction de la porosité effective et de la quantité de liquide déplaçable. La théorie et l'appareillage de diagraphie de résonance magnétique nucléaire sont tous deux trop complexes pour être décrits ici en détail. En bref, l'appareillage à descendre dans le trou consiste en une bobine alimentée depuis la surface qui créée un puissant champ magnétique. Le champ magnétique produit une modification du mouvement giratoire (spin) des noyaux d'atomes d'hydrogène qui auront tendance à se mettre en phase. La précession des prostons tournants, quand le champ est coupé, induit un faible voltage de courant alternatif dans les bobines de 1'électro-aimant inactif. Ce qui est important, dans ce type de diagraphie, c'est que l'on obtient uniquement la réponse de l'hydrogène contenu dans les fluides de faible viscosité. En outre les fluides fortement liés par tension superficielle aux éléments fins du terrain ne participent pas à la réponse. A l'inverse, le log neutron classique intègre la totalité de l'hydrogène, quelque soit la forme physique ou chimique sous laquelle il se trouve. L'interprétation par ordinateur et le collationnement des logs * géophysiques peuvent être réalisés actuellement par les sociétés de services et la Commission de l'énergie atomique des Etats Unis fait également l'interprétation des logs pour le calcul des réserves d'uranium. Un certain nom bre de facteurs tels que la porosité totale corrigée, la porosité efficace, la densité de matrice, la teneur en argile et la résistivité de l'eau peuvent être calculés à partir de logs digitalisés enregistrés sur bandes X N.T. : Le Service Géologique National du B.R.G.M. procède également à l'interprétation des diagraphies par ordinateur.

BO

magnétiques. Ces paramètres peuvent être rejoués en enregistrement continu et l'on peut choisir le mode de présentation graphique en fonction du problème. On peut également digitaliser d'anciens logs géophysiques et les enregistrer sur bande magnétique pour les analyser ensuite par ordinateur. Il faudrait disposer d'un grand nombre de logs de forages d'eau, sous présentation standardisée, à. collationner et interpréter, pour justifier le temps de programmation et de traitement à l'ordinateur. Les quelques logs standardisés actuellement disponibles ne méritent pas une telle dépense, sauf pour de rares applications où les coûts ont une importance secondaire. Toutefois, l'emploi de l'ordinateur peut être actuellement justifié pour calculer des coefficients de corrélation en vue d'étalonner des logs géophysiques à certaines profondeurs à partir des valeurs déterminées sur carotte ou échantillon de terrain. En recherche minière et pétrolière, on poursuivra dans l'avenir le perfectionnement des divers procédés d'étude des forages par la géophysique. La recherche d'eau de plus en plus informée bénéficiera de ces progrès, et les modifications qu'elle pourra apporter seront éventuellement bénéfiques à la recherche pétrolière elle-même (203,291,310,352,514,5153.

3 - ECHANTILLONS REPRESENTATIFS DU TERRAIN (FLUIDES) Sur le terrain, on obtient habituellement des indications sur la qualité de l'eau par soupapage, lorsqu'on fore par battage au câble. Par cette méthode on aura des renseignements qualitatifs sur les caractéristiques des aquifères, les niveaux piézométriques des diverses formations rencontrées, e t c . . On déterminera la qualité de l'eau à partir d'échantillons prélevés au fur et à mesure de l'approfondissement, en soupapant au droit des horizons découverts, les couches supérieures étant tubées. On peut vérifier les interprétations des diverses diagraphies géophysiques en isolant certains horizons choisis dans les forages au moyen de packers gonflables en utilisant les méthodes d'essais aux tiges (126). Dans le pétrole, les essais aux tiges donnent des renseignements sur les diverses propriétés des formations profondes (140]. Comme il devient de plus en plus nécessaire d'étudier les caractéristiques hydrauliques et chimiques des terrains profonds pour comprendre le comportement de l'eau souterraine, les résultats des tests effectués par les pétroliers constituant une source d'information importante que l'on ne peut se procurer en raison de son prix de revient élevé. Ces résultats d'essais effectués couramment sont extrêmement utiles pour les études hydrogéologiques. Comme on consomme de plus en plus d'eau souterraine et que l'on a de plus en plus besoin d'utiliser les réservoirs souterrains naturels il convient de bien connaître les aquifères existants : Cette connaissance implique souvent des informations sur les terrains situés au-dessous de ceux qui sont aujourd'hui sollicités par les forages d'eau. Dans certaines régions il existe de tels renseignements disponibles à partir des pompages d'essais effectués en cours de forage par les pétroliers. Les pétroliers font habituellement des essais aux tiges en cours de forage pour recueillir des échantillons du fluide emmagasiné dans les terrains. Les essais modernes fournissent trois types de renseignements hydrologiques :

1] Un échantillon du fluide de formation ; 2) la pression vierge de la formation ; 3] un coefficient de perméabilité des intervalles testés. Au cours de l'essai aux tiges, l'intervalle stratigraphique intéressant est isolé au moyen de packers gonflables descendus à l'extrémité du train de tiges,* ce qui permet l'entrée du fluide dans les tiges sous l'influence de la pression de formation (voir la figure 74). Habituellement, dans les essais relativement peu profonds, le train de tiges est initialement vide et ouvert à l'air libre. Par ouverture de la vanne du testeur pendant une courte période, on permet la montée du fluide dans le train de tiges. La période d'ouverture varie habituellement de 30 minutes à 2 heures. Après la période de production la vanne est fermée, refermant ainsi la formation dans laquelle se fait la remontée de la pression. Les pressions sont enregistrées pendant l'essai au moyen d'un tube de Bourdon** qui se situe dans le train de tiges, près du fond. BREDEHOEFT (140) subdivise l'essai en cinq phases : 1) La phase initiale de l'essai comprend la descente du train de tiges à la profondeur prévue dans le trou. Le manographe enregistre l'accroissement de pression de la colonne de boue au fur et à mesure de la descente des tiges. 2) Lorsque le tube perforé atteint la position désirée,- le packer est gonflé pour isoler à la fois, l'horizon à tester et le manomètre de la colonne de boue surmontant le packer. Avec la vanne du testeur on permet à la formation de produire quelques minutes pour ramener la pression de la zone isolée à un niveau proche de la pression atmosphérique, puis on ferme la vanne. La pression remonte au point de tendre asymptotiquement vers la pression de formation. La période initiale de fermeture dure habituellement 15 à 45 minutes. 3) Après la période initiale de production et de fermeture, la vanne de testeur est ouverte à nouveau et le fluide de formation pénètre dans le train de tiges. Dans l'intervalle isolé la pression est réduite à la pression atmosphérique, mais, comme le fluide produit monte dans les tiges, la colonne de fluide provoque une remontée de pression. Habituellement cette période de production dure entre 1/2 heure et 2 heures. 4) Après la période de production la vanne du testeur est refermée, isolant ainsi la formation et permettant à la pression de remonter. Pendant cette

N.T. : En fait on descend un testeur (tester en anglais) qui comporte, outre les packers expansibles, plusieurs vannes, des manographes, e t c . . (voir fig. 74 + 74 a, b, c, d, et note infrapaginale p.10). N.T. : Le tube de Bourdon ou tube-bourdon est un tube métallique élastique, à paroi mince, de section elliptique, en forme de point d'interrogation ; sa déformation, sous l'influence des variations de pression est amplifiée par un jeu de levier commandant l'aiguille qui se déplace devant un cadran gradué. Ce manomètre industriel a été inventé par un ingénieur français, BOURDON Eugène, né à Paris, (1808-1894).

62

Figure 74

i

Intervention en forage découvert ou tubé avec un packer double gonflable.

(T) mandrin ;

(2) appareil de positionnement (vertical) ;

orifice obturable, supérieur, central, inférieur ; inférieur;

Q) espacement variable ;

(D gonflage du packer ; packer inférieur ;

(il)

(4) élément gonflable, supérieur,

(6) mandrin d'obturation ;

(9) ouverture entre packers ; égalisation des pressions ;

(is) mouvement des fluides à l'intérieur de l'outil ; vers le trou.

Q) manchon à (7) descente;

m 3 ) ouverture sous le

Q 2 ) dégonflage des packers ; (l4\ partie de l'outil ouverte

63 LE MULTI-FLOW EVALUATOR DE JOHNSTON TESTERS

TEST.S £H TROU TUBE ( TRAIN

CQNVLNTIQNNCL J

^ ^ ^ (a) Test normal — Masses-tiges ou tiges

Tiges -

—Vanne de circulation inverse

Raccord de circulation (')"

— M F E By-Pas s Valve

Tige» Raccord de circulation (')" Tiges MULTI-FLOW EVALUATOR

TigesMulti-Flow Evaluator

(b) Test sélectif

MULTI-FLOW EVALUATOR

MFE HYDROSTATIC BIAS Coulisse hydraulique

MFE HYDROSTATIC BIAS

Joint de sécurité

-Coulisse hydraulique

Coulisse hydraulique

Joint de sécurité

Joint de sécurité

MFE CASING BY-PASS

Packer à goupille de cisaillement" Crépine épaisse-

MFE CASING BY-PASS

FULL BORE CASING PACKER

Packer équipé du MFE Safety Seal

Crépine légère-

Crépines et enregistreurs de pression

Fourreau d'enregistreur Enregistreur de pression Raccord bouché' MFE CASING BY-PASS FULL BORE CASING PACKER

Enregistreurs de pression"

Crépine légèreEnregistreurs de pression

1- Dispositif d e Sélection Le dispositif d e sélection est c o m p o s é d e trois pièces e s s e n -

(|) Eventuellement : Clutch type Reserving Valve, (vanne de circulation rotative verrouillée par clabot) avec les équipements h 1/4" et 3 1/8 O . D .

tie Ile s : Spline Mandrel, Spline Sleeve et J-Pin.

i - TEST S/MPLL

Z - TEST SELCCT/F

Fig. 74 a - Trois types de test en trou ouvert (1)

(2) Fig. 74 C - Schéma de montage des outils du multi-flow evaluator (M.F.E.)

Fig. 74 b - Deux types de test en trou tube (1) (1) d'après P . M A P I C N (SNPA) avec la coll. de F . A N D E R S O N (Halliburton-France) et M . MARTIN (Coservices) in Q A 8 ]

(2) d'après M . MARTIN (Coservices) in

(2) Fiq. 74 d - Schéma de montage du M . F . E . pour un test en trou tube

64 période finale de fermeture (période de récupération) le manographe enregistre la remontée de pression de la zone du trou isolée par le packer. La période finale de fermeture est souvent égale à la période de production. 5)

Après cette période finale de fermeture, le packer est dégonflé, et la pression reprend une valeur correspondante à celle produite par la colonne de boue, que 1' on appelle pression hydrostatique de la boue. Le train de tiges est alors retiré du trou. Le manographe enregistre la diminution de pression au fur et à mesure de la remontée des tiges. La colonne du fluide de formation produit au cours du test reste dans les tiges jusqu'à ce que celles-ci atteignent la surface, ce qui permet de recueillir un échantillon de ce fluide. En mesurant la longueur de tiges remplies de fluide on peut calculer le volume produit.

Il existe des variations dans le déroulement des opérations du test de même que dans les accessoires accrochés aux tiges. Les essais récents donnent à la fois la pression statique initiale et la pression statique finale comme indiqué ci-dessus ; par contre les essais les plus anciens étaient faits sans mesurer la pression statique initiale [pression vierge).

31 - FLUIDES DE FORAGE ET ESSAI AUX TIGES La boue de forage est destinée à former une couche imperméable sur la paroi du trou. L'une de ses principales fonctions est de réduire les pertes de fluides du trou. Le cake de filtration déposé sur les parois du trou peut envahir la formation sur de courtes distances, réduisant ainsi la perméabilité autour du puits. Cette zone de perméabilité réduite affecte le régime de la remontée de pression dans l'essai aux tiges de la même manière que des crépines partiellement bouchées dans un forage d'eau. Lorsque le temps de remontée augmente, l'effet de la zone périphérique de perméabilité réduite diminue puisque la fin de remontée est essentiellement fonction de la perméabilité du terrain au-delà de la zone envahie par la boue (10). Si la perméabilité est fortement réduite par la boue, le volume de fluide produit pendant la période courte de l'essai sera lui aussi fortement réduit. Le concept de "skin effect" = effet de peau (perturbation produite par la boue) a été introduit par VAN EVERDINGEN (634) en vue d'évaluer l'influence de la boue sur la diminution de débit. DOLAN et alter (204) ont employé une autre expression, le "taux de perturbation" (damage ratio) qui est le rapport entre le volume de fluide susceptible d'être produit par un terrain bien décolmaté au volume de fluide réellement produit. DOLAN a analysé théoriquement à la fois l'effet de peau et le taux de perturbation. Le problème de colmatage du terrain productif par la boue est du même type que le problème des pertes de charge dans les forages d'eau à faible rendement (556). L'indice de productivité, défini plus loin au chapitre 13, qui donne le rapport entre le débit et la chute de pression dans le puits, est analogue au débit spécifique (débit par unité de rabattement) utilisé par les hydrogéologues. Les unités utilisées habituellement dans les essais aux tiges sont, actuellement, influencées par la recherche pétrolière. Le tableau 19 énumère ces unités en regard des unités correspondantes utilisées habituellement en hydrogéologie. Les débits de production des pétroliers sont habituellement exprimés en barils par jour, la perméabilité, en millidarcy, les profondeurs et épaisseurs des terrains en pieds.

65

BREDEBROEFT (140) resume bien, lui aussi, les limitations courantes des essais aux tiges. La difficulté la plus évidente, dans les essais aux tiges, ^ celle de l'enregistrement précis des pressions de fond dans les gammes (étalées) rencontrées. Cependant avec le manographe à tube de Bourdon actuel que l'on peut étalonner fréquemment, et avec le lecteur micrométrique de diagramme on peut limiter la marge d'erreur approximativement à Í 1 à + 2^ p.s.i. pour des pressions s'élevant jusqu'à 4 000 à 5 000 p.s.i. (/ 0,07 à 0,14 bar pour des pressions de 275 à 345 bars ; (p.s.i. = pounds per square inch = livre par pouce carré = 0,06895 bar = 0,07031 Kgf/cm 2 ). Il y a d'autres difficultés dues au fait que les hypothèses de base du modèle mathématique ne sont qu'approximativement satisfaites, par les conditions réelles de terrain. Des facteurs tels que : 1°) la pression croissante de la colonne de boue sur le terrain au fur et à mesure de la foration ; 2°) l'étanchéïté imparfaite de l'un des packers ; 3°) les incertitudes d'interprétation dues à la durée réduite de l'essai, à la pénétration partielle de la formation testée, etc.... rendent l'interprétation quantitative de plus en plus difficile. D'après les essais effectués dans le Big Horn Basin, l'expérience montre que la marge d'erreur à appliquer à la valeur de la pression obtenue est de - 25 % dans le meilleur des cas.

TABLEAU

19

(556) *

COMPARAISON DES UNITES HABITUELLEMENT UTILISEES DANS LE PETROLE ET EN HYDROGEOLOGIE : 1 baril

= 42 gallons U.S = 9 702 pouces cube = 5,615 pieds-cube

1 darcy

= 18,24 gallons par jour par pied carré à 60°F (= 15,55°C)

-3 1 millidarcy (10 darcy) = 0,01824 gallons par jour par pied carré

On utilise des packers depuis de nombreuses années pour les essais et la completion des forages pétroliers, mais leur usage ne s'est pas encore largement répandu en forages d'eau. L'utilisation de packers doubles gonflables et possible aujourd'hui pour divers types d'essais de nappes (126, 370,608). MAC MILLION et KEELY (415) ont mis au point une autre méthode de prélèvement d'eau souterraine. Celle-ci consiste à utiliser un équipement

voir les facteurs de conversion d'unités - Rapport B.R.G.M. 75 SGN 412 AME

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de pompage léger, capable d'échantillonner jusqu'à 300'{¿ 90 m] en pompant entre 7 et 14 gpm (7 à 14 gallons par minute = 26,5 à 53 1/mn) selon la profondeur d'échantillonnage. L'équipement peu encombrant est facile à mettre en oeuvre puisqu'il suffit de manipuler une "ligne" de tubes légers. On a modifié récemment cette méthode en incorporant à l'équipement un packer gonflable par la pression de la pompe et dégonflable en supprimant la pression. On peut ainsi prélever des échantillons à intervalles isolés. D'autres outils, récemment mis au point par l'U S G S (United States Geological Survey] pour mesurer des pressions de fond des liquides et des gaz sont décrits par FOURNIER et TRUESDELL (225] et par CHERRY (167].

4 - ECHANTILLONS REPRESENTATIFS DU TERRAIN (LITHOLOGIE) La réussite du captage dans un puits dépend pour une bonne part du soin apporté à la récolte des échantillons des terrains recoupés. Généralement les échantillons sont prélevés aussitôt que la sonde atteint un horizon aquifère. Toutefois, dans un secteur où la géologie n'est pas très bien connue, on doit prélever et conserver les échantillons à chaque changement de terrain. La conservation d'échantillons prélevés au-dessus des aquifères potentiels est très utile dans beaucoup de cas pour les forages d'eau à faire ultérieurement et même pour d'autres substances minérales interstratifiées, telles que les minerais sédimentaires d'uranium, d'argent, e t c . . (56,155,318,417,469,594]. Les échantillons prélevés au battage au câble sont habituellement représentatifs de l'intervalle foré entre deux opérations de soupapage bien qu'une certaine contamination des déblais des roches dures soit possible à partir de retombées dues au mouvement du câble dans la zone supérieure non tubée. Il est relativement facile de mesurer la profondeur de l'outil accroché au câble mais une vérification périodique avec une "ligne" de tubes d'acier est nécessaire en raison de l'allongement du câble. Le broyage dû au trépan donne des cuttings relativement fins'; dans certains forage3 ils sont même réduits en poudre si l'outil est u-sé ou si le trou est plein d'eau. La finesse des cuttings est gênante pour faire une bonne lithologie et récupérer des fossiles en bon état. Il y a un autre inconvénient en forage au câble : la coupe lithologique ne peut être précisée à partir du log électrique, irréalisable parce que les trous sont généralement tubes ; toutefois il reste possible de faire des diagraphies radioactives et soniques. En forage au câble, les échantillons des terrains meubles granulaires sont habituellement excellents. Dans certains cas le tubage peut être descendu uniquement en soupapant le terrain meuble, sans qu'il soit nécessaire de forer. Les échantillons sont alors relativement peu remaniés, surtout si on les prélève avec une soupape à piston ; la soupape à chapet, utilisée à l'origine pour les roches consolidées, nécessite l'utilisation du trépan pour broyer les graviers, ce qui diminue la qualité des échantillons en particulier pour les analyses granulométriques. On doit toutefois prendre garde en soupapant des sables fins et silts d'éviter les éboulements dans le trou.

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En forage à la rotation on récolte habituellement les échantillons à intervalles réguliers de 5 à 10' [1,5 m à 3 m ] . Ce ramassage systématique facilite le tracé du log de prélèvements ainsi que le repérage des oublis. La dimension des fragments de roche s'étale habituellement entre 1/16" et 1/2" U 1,6 mm à 13 mm], avec une forte proportion vers 1/4" (= 6,35 mm) ; si le foreur augmente trop le poids de l'outil ou la vitesse de rotation, les déblais seron pulvérisés davantage devenant ainsi moins représentatifs. En raison de la dimension relativement grande des cuttings obtenus à la rotation, l'étude peut en être faite assez rapidement sous un faible grossissement, et l'on peut, sur certains échantillons étudier des microfossiles ou des microstructures de la roche. A la rotation on prend ordinairement de nombreuses carottes, ce qui permet de faire une lithologie détaillée et même de remonter des macrofossiles. Les échantillons prélevés à la rotation sont habituellement contaminés par des fragments éboulés repris par la circulation de boue. La proportion d'éléments éboulés peut augmenter si la viscosité et les conditions de circulation de la boue ne sont pas correctement suivies. Les différences de vitesses de sédimentation dans la boue des éléments de grande et petite taille entraînent également un mélange des cuttings issus des différentes couches. Par suite du retard dans la remontée des cuttings, l'échantillon recueilli en surface, lorsque le trépan atteint une profondeur donnée, provient en réalité des terrains situés un peu plus haut. Le décalage peut être de 20' ou plus dans un trou de 300' ; on peut obtenir des échantillons représentatifs du fond en faisant circuler la boue sans forer pendant le temps nécessaire à la remontée complète des cuttings. On peut corriger d'une certaine façon les profondeurs des échantillons en déterminant empiriquement le temps de remontée à partir de marqueurs - des grains de riz par exempleintroduits dans la boue, dont on mesure le temps d'aller et retour. La correction couche-par-couche la plus précise consiste à faire un log électrique ou radioactif tandis que l'on fait une coupe géologique d'après les échantillons. A partir d'un marqueur argileux facilement reparable sur le log, on peut, par comparaison avec les échantillons, définir le temps de retard à la remontée. En général, lorsque la vitesse d'avancement croît, le retard croît également à moins que la circulation soit maintenue pendant que l'on ajoute une tige pour rattraper ce retard. En rotation classique, les échantillons obtenus dans les terrains meubles peuvent être de mauvaise qualité ; lorsque l'on fore à l'eau claire ou avec une boue organique auto-dégradable,il sera particulièrement difficile d'obtenir des échantillons représentatifs à la traversée des couches minces de sable, de gravier et d'argile, même si la surveillance géologique est faite avec beaucoup de soin. Les argiles tendres se dispersent et se mélangent à la boue. Parfois il est impossible de différencier à partir des cuttings le sable argileux, l'argile sableuse et les alternances fines de sable et d'argile. On recommande dans ce cas là de faire des carottes ou des prélèvements par enfoncement d'un tube coupant. Les échantillons obtenus en rotation à l'air sont généralement supérieurs aux échantillons récoltés en foration à la boue. Le forage à l'air est aujourd'hui très utilisé en recherche minière. Toutefois, les terrains qui contiennent des minerais tendres,en petites particules, peuvent être difficiles à identifier puisqu'une certaine dilution de l'échantillon peut se faire au cours de sa remontée depuis le fond du trou. Il faut alors tuber pour réduire cette dilution et le mélange de l'échantillon avec les formations meubles à grain fin de la tranche supérieure du sondage.

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En rotation par circulation inverse, le prélèvement des échantillons requiert une certaine expérience et un équipement spécial, mais un opérateur habile peut obtenir d'excellents échantillons. Par suite des vitesses élevées à la sortie du train de tiges, qui atteignent ou dépassent couramment 400'/mn [122 tn/mn] il n'y a pratiquement pas de retard de remontée, mais peu ou pas de séparation des fines. L'outil à tendance à détacher la roche en morceaux plutôt qu'à la broyer, et les cuttings sont immédiatement enlevés de l'outil et amenés en surface. Cette méthode est particulièrement adaptée à l'exploration minière peu profonde où la qualité de l'échantillonnage est très importante. En raison de l'importance des vitesses et volumes d'eau nécessaires il faut généralement s'équiper avec un réservoir de récupération des échantillons de 55 gallons [fût de 208 litres] et avoir un carottier à échantillons. Les baquets et les tamis sont généralement inutilisables.

41 - LES CAROTTES Le carottage est bien entendu une méthode d'échantillonnage aussi bien qu'une méthode de foration. On peut carotter avec une sondeuse à câble ou à rotation, celle-ci étant beaucoup plus courante. Lorsqu'on entreprend le carottage pour obtenir de bons échantillons de terrain plutôt que comme méthode de foration, les carottes auront habituellement au maximum 4" de diamètre et 10' de longueur, quoique dans certaines études appliquées ont ait fait des carottes courtes atteignant jusqu'à 30' (76,2 cm) de diamètre. On a fait des forages carottés à la rotation parce que c'était la méthode de foration la plus rentable, dans des secteurs où les roches étaient particulièrement dures. Dans ce cas on utilise généralement des outils diamantes et les carottes ont 4" à 8" de diamètre et jusqu'à 50' ir1 15 m) de longueur. Lorsque la récupération de carottes est totale et que l'on dispose de plusieurs centaines de pieds de carottes dans une série, les possibilités d'étude détaillée sont bien supérieures à ce qu'elles sont à partir des cuttings ou des affleurements sporadiques. On peut observer aussi bien qu'en affleurement, altération superficielle en moins, et des macrofossiles peuvent être remontés intacts ; on peut repérer avec précision la succession des différentes couches ainsi que leur épaisseur. Les grosses carottes sont parfois découpées en long avec une scie diamantee et conservées intactes. Le plus souvent on décrit les carottes sur le chantier de forage et l'on prélève des échantillons représentatifs pour réexaminer en laboratoire, chaque fois que cela sera nécessaire dans le futur pour d'autres travaux. On utilise généralement aujourd'hui des carottiers doubles. L'extracteur consiste en un élément supérieur formé de doigts à ressort,et d'un élément inférieur constitué par une attache articulée pour mise en action du ressort, maintenus en position voulue dans l'outil par un manchon à logement ajusté. On utilise le même montage, aussi bien pour les fraises à terrains durs que pour celles à terrain.tendre, montage placé aussi bas que possible. La communication entre le tube intérieur et le train de tiges se fait à travers un filtre, un clapet à bille, un presse-étoupe, et un évent multiple. Ce dispositif permet à la carotte d'entrer à l'abri de la pression de boue et du fluide emprisonné au sommet de la carotte de sortir en basse pression. Le bouchon de carottier est un perfectionnement pour empêcher l'encrassement de l'extracteur et du tube intérieur par les éboulements ou débris de terrains. Normalement, on descend l'outil de façon à ce que le bouchon (légèrement avancé) touche le fond'en premier ; lorsqu'on applique le poids sur l'outil, les rivets de fixation du bouchon sont cisaillés et par la suitele bouchon flotte librement au-dessus de la carotte, en remontant

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à l'intérieur du carottier. Dans certaines régions on doit utiliser un équipement quelque peu différent de ceux décrits plus haut en raison des conditions spéciales. S'il arrive que les terrains soient boulants, et que l'on ne dispose pas d'une bonne boue, le temps de carottage est consacré en grande partie à atteindre le fond. Dans ces cas-là il convient de préparer de la boue et de l'injecter par le tube intérieur du carottier afin de bien nettoyer le fond. On emploie divers accessoires dans ce but, dont le plus courant est l'obturateur d'évent du tube intérieur du type "chute de boule". La boue est d'abord envoyée par l'intérieur du carottier de façon à évacuer les cuttings et déblais encombrant le fond. On laisse alors tomber la boule qui se loge sur son siège pour dévier la boue vers les conduits normaux de circulation en carottape. L'un des inconvénients c'est qu'il faut forcer le passage du fluide dans le carottier, à l'entrée duquel s'exerce une contre pression lorsqu'on rencontre des morceaux de carotte. D'autre part, pendant ce lavage en pression effectué au cours de la descente vers le fond, les matériaux évacués avec la boue peuvent détériorer les extracteurs. Les couronnes à diamants, qui se sont répandues au cours des années passées, doivent être utilisées pour carotter certains terrains très durs et fortement cimentés lorsque le prix du carottage avec des outils à molettes s'avère trop élevé. Bien que le prix d'achat d'un outil diamanté soit environ 20 fois plus élevé que celui d'un outil à molettes pour terrain dur les différences de vie des outils, de vitesses d'avancement et la réduction du nombre des manoeuvres font que les prix au mètre foré sont en faveur du carottage au diamant. La couronne diamantee comprend un "corps" d'acier fileté sur lequel est fixée une matrice avec, en surface, une série de diamants qui sont les éléments coupants. Les diamants sont sertis à la base et sur les faces interne et externe de la couronne de façon à donner au trou, et à la carotte les dianètres voulus.A la température de 2500°F [¿ 1 370°C) les diamants sont irrémédiablement endommagés (138,405]. Puisque les couronnes à diamants sont capables (dans des conditions idéales] de forer plusieurs centaines de pieds avant que l'usure ne les rende inutilisables, on les place habituellement sur des carottiers plus longs que ceux que l'on utilise avec des outils classiques. Les carottiers plus longs permettent de faire de grandes carottes réduisant ainsi le nombre des manoeuvres. Pour les petites opérations on prend habituellement des carottiers de 20' [/ 6,10 m ] . Les cuttings étant de faible dimension ou réduits en poudre, il s'ensuit qu'on a besoin de moins de fluide en circulation avec une couronne à diamants qu'avec les outils classiques. La partie la plus importante d'un carottisr, c'est 1'extracteur• Au début, on faisait des carottiers sans extracteur mais on obtenait de piètres résultats. Le plus ancien des trois extracteurs les plus populaires était du type à ressort avec les doigts du ressort qui s'appliquaient entre la carotte et qui se rabattaient en un pont pour la retenir au cours de sa remontée. Cet appareil était particulièrement valable en terrain meuble, tendre. Le deuxième modèle d'extracteur était du type crampon à ressort articulé. Ce modèle a une plus grande force et il s'adapte à une plus grande diversité de terrains. Le troisième extracteur dérive du second, avec les crampons à ressort articulé et une série de coins ajustés à un biseau placé dans un logement conique autour de la carotte lorsqu'on relève l'outil. Les coins serrent lorsque la carotte résiste au mouvement et la carotte est brisée au-dessous des coins. Il existe beaucoup d'autres modèles d'extracteurs de carotte sur le marché qui utilisent des moyens mécaniques comme accessoires de maintien de la carotte. Il y en a très peu qui offrent des avantages

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suffisants pour justifier leur prix plus élevé et le supplément de soins à prendre pour leur utilisation. Il existe plusieurs modèles de carottiers rétractables qui permettent la remontée périodique du tube intérieur et de la carotte à travers le train de tiges. Les manoeuvres (de tiges) ne sont nécessaires que lorsque la couronne est usée (337). On peut carotter avec succès de nombreuses formations, mais les sables meubles, les calcaires et dolomies fracturés, les conglomérats, les intercalations de silex et les aleurolites * sont les plus difficiles à carotter. Le point le plus important du carottage, c'est l'adaptation de l'outil. Pour les marnes et sables tendres ou moyennement durs et pour les terrains forés normalement avec un trépan à lames ou en queue de poisson, il est préférable d'utiliser une fraise à lames. Pour les terrains qui requièrent un tricône on prendra une fraise à rouleaux. Il y a des terrains pourtant, tels que les conglomérats et certaines marnes indurées, forés ordinairement avec des tricônes, qui seront mieux forés avec des fraises à lames qu'avec des outils pour terrains durs. Si l'on a affaire à du calcaire, de la dolomie, de 1'anhydrite ou autre terrain dur, la fraise à lame ne coupera pas suffisamment pour assurer un bon carottage. On emploiera une couronne à diamants dans les grès, les pélites, et même dans les argilites et les marnes (363). En carottage, la vitesse de rotation est généralement de 20 à 40 tours par minute, avec un poids sur l'outil relativement faible mais croissant (avec la profondeur). Le débit de la pompe doit être adapté au terrain à carotter, c'est-à-dire que les terrains durs, cohérents ou collants demanderont un débit de boue du même ordre que celui que l'on utiliserait avec un tricône de même diamètre. En terrains tendres, on aura un bon carottage en envoyant un débit de boue juste suffisant pour éviter le collage. Il est très important d'augmenter le poids graduellement et en continu (136,405). En recherche minière et pétrolière, il est primordial d'obtenir le maximum d'efficacité au carottage (337). Il existe de nombreuses raisons pour expliquer une mauvaise récupération des carottes, dont les plus courantes sont résumées par BRANTLYt138) 1) Une partie de l'outil sera bouchée s'il y a des débris de terrain dans la boue, ce qui entraîne un désaxage de la couronne provoquant une réduction du diamètre de la carotte ou sa disparition totale. 2) Si le poids sur l'outil est trop élevé, en terrain tendre, la carotte •sera "brûlée" ou écrasée ; en terrain dur ou fragile, elle sera brisée. 3) Si le tube intérieur du carottier est déformé par courbure,1'entrée de la carotte se fera difficilement j si c'est le tube extérieur qui est déformé, il y aura rotation excentrique au fond ; un flambage des tiges près du carottier produira le même effet.

N.T. : Aleurolite = silstone = silt consolidé = siltite ou ï pélite, terme beaucoup mieux connu.

71 4] Un mauvais affûtage des lames différentes j un affûtage des mensionnée provoquerait de ce une recharge défectueuse de la parties vitales.

de la fraise donnera des lames de longueurs dents qui entraînerait une carotte surdifait, une mauvaise circulation de la boue ; couronne peut affaiblir la résistance de

5] Si le poids sur l'outil est insuffisant ou s'il n'est pas appliqué graduellement il y aura parfois excentrage de l'outil, donc affouillement de la carotte en terrain tendre ou rupture en terrain cassant. 6) S'il y a des débris dans le trou, on aura généralement une mauvaise récupération. Même s'il y en a peu, il suffit de quelques débris coincés dans la zone de coupe pour détruire la carotte. 7) La longueur de carottage est parfois excessive avec certains outils et dans certains terrains. En terrains fragiles ou cassants on peut remonter souvent autant de carotte en forant 31 que 20'. Avec ce type de terrain, il y a fragmentation et coincement des morceaux dans le carottier, de telle sorte qu'une poursuite de carottage n'apportera pas plus de carotte dans le carottier. 6) Changement de terrain en cours de carottage. Les éléments durs carottés au début, au-dessus des couches tendres, offrent une résistance de frottement suffisante pour empêcher l'entrée d'un supplément de carotte dans le carottier. 9] Des additions de tiges en cours de carottage sont Chaque fois que l'outil est remonté, l'extracteur lorsqu'on redescend l'outil au fond, l'extracteur donc empêcher ensuite l'entrée de la carotte. Dn "d'occasion" dans un état douteux.

quelquefois dangereuses. doit fonctionner. Ainsi, peut être refermé et a alors un extracteur

10]Un carottage à vitesse élevée est habituellement dangereux. L'outil travaille plus brutalement et la carotte à tendance à se briser. Les molettes d'outil pour terrain durs ont un faible diamètre et elles font plusieurs révolutions par tour du train de tiges. Il y aura donc usure rapide des roulements et des dents. Les alternances de terrains tendres : argiles, sable et gravier sont le plus souvent difficiles à carotter, bien que des exemples de réussite soient rapportés (390,573]. On pourra souvent obtenir de bons échantillons dans ces terrains par enfoncement d'un tube coupant. Il en existe de nombreux modèles qui vont de 1,5' à 5' [/ 0,46 à 1,5 m] de long et 1,5" à 6" de diamètre (653]. Ces carottiers peuvent être enfoncés par battage, lorsqu'on travaille par battage au câble, ou par pression hydraulique si l'on a une sondeuse à rotation (52,390,573,653] (voir figure 75]. Toutefois, ces outils ne sont pas toujours efficaces dans les sédiments grossiers. Dn a réussi à utiliser ce type d'équipement sur une sondeuse à rotation travaillant en circulation inverse en descendant au fond du trou le carottier-échantillonneur et sa tige de commande à l'intérieur du train de tiges. Ce modèle d'échantillonneur a été mis au point pour les études de sols de fondations, mais il présente certaines possibilités en hydrogéologie et recherche minière (348,372]. En outre le carottage latéral qui remplace rapidement le carottage conventionnel dans le pétrole pourra également se développer dans un proche avenir en recherche d'eau souterraine (338].

72

A d a p t e r with 21/2" female straight thread

[2)

52 Figure 75

Butt weld

- Le schéma montre un carottier de petit diamètre utilisable pour travailler dans un tube 6"

raccord 2 " 1 / 2 avec filetage femelle à droite soudure bout à bout évent d ' 1 / 2 " tube de diamètre intérieur 4 " , de 2 1/2' de long cordon de soudure

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B1

PARTIE

2ÈME

INTERPRETATION DES LOGS ELECTRIQUES SUR LES FORAGES D'EAU DOUCE EN TERRAINS MEUBLES

par R.P. ALGER Schlumberger Well Surveying Corporation HOUSTON - Texas -

Traduction de la note : ALGER, R.P., 1966, "Interpretation of Electric Logs in Fresh Water Wells in Unconsolidated Formations". Soc. Professional Well Log Analysts Symposium, HOUSTON.

82

SOMMAIRE Pages INTRODUCTION

83

1. DETERMINATION DE LA QUALITE DE L'EAU 11. Utilisation de la P.S 12. Résistivité de l'eau (R ) déterminée d'après la résistivité du terrain 13. Résidu sec (R.S) et chlorures (CI") d'après R w

84 84

2. APPLICATION DES MESURES DE RESISTIVITE DE FORMATION 21. Conductivité de surface (des grains) 22. Influence de la granulométrie sur le facteur de formation F 23. Rapports entre F, la perméabilité et la granulométrie

95 95 95 99

94 94

CONCLUSION

103

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

104

ANNEXE :

105

Analyse granulométrique Détermination du diamètre efficace d e Evaluation du classement N.T. Remarques relatives aux courbes granulométriques.

105 105 105 107

83

AVERTISSEMENT Cette note âe R.P. ALGER complète la-première-partiepar certaines explications détaillées et par des exemples âe calcul des paramètres tels que F3 R. etc ... Sa traduction est partielle : on a volontairement omis les généralités sans importance et les développements repris presque mot pour mot dans le texte du W.W.T. présenté en 1ère partie.

INTRODUCTION On a écrit des volumes sur l'interprétation des logs électriques en recherche pétrolière, mais on a bien peu publié sur l'interprétation de ces logs en forage d'eau douce. Les méthodes d'interprétation des pétroliers ne sont pourtant pas directement applicables sur les forages d'eau douce. On se trouve ici dans un domaine très différent, en particulier par suite des effets dûs à l'eau intersticielle elle-même, à sa force ionique, et au fait que sa résistivité est environ de deux ordres de grandeur * plus élevée que les eaux connées liées au pétrole. L'hydrogéologue et le foreur d'eau n'ont pas les mêmes objectifs que leurs collègues pétroliers ; ils désirent en particulier connaître au mieux la qualité de l'eau et les horizons perméables favorables au captage.

N.T.

: en logarithme, soit 100 fois en valeur arithmétique.

84

I - DETERMINATION DE LA QUALITE DE L'EAU II - UTILISATION DE LA P.S. Il est possible par la P.S, de se faire une idée approchée de la qualité de l'eau. Les rapports entre P.S., activité, résistivité et minéralisation de l'eau sont bien connus pour les saumures pétrolières où l'on a fait beaucoup d'études et pratiqué de nombreuses expériences d'applications. Ces rapports appliqués aux eaux douces amènent des résultats erronés. Prenons comme exemple le log de la figure 1 enregistré sur un petit forage d'eau douce. La résistivité de la boue, R , est de 68 ohms/m à 25°C, et par suite de l'absence de produits solides de boue, cette résistivité est également celle du filtrat R . En face des sables situés entre 272 et 310' la P.S est environ - 70 mV. Si l'on prend l'équation habituelle

R P.S.

=

-

K

log

-—-

(1)

XX la résistivité de l'eau Rw est de l'ordre de 1/10 de R , soit / 7 ohms/m mf Or, cette valeur est non seulement beaucoup plus faible que la résistivité réelle de l'eau Rw, qui est d'environ 180 ohms/m, mais il y a aussi une erreur sur la résistivité du filtrat R m f• Pourquoi cette équation (1) qui marche bien en interprétation pétrolière est-elle défectueuse ici ? La réponse, est que, dans les eaux douces, Na Cl ne prédomine pas sur les autres sels dissous, comme dans les saumures pétrolières, et que par conséquent les mêmes équations ne s'appliquent pas. Il faut utiliser des équations différentes tenant compte des autres ions. Cations bivalents. En eau douce, les cations bivalents influencent beaucoup plus la P.S que le Na + , ce qui revient à dire que Ca + et Mg + + ont une action plus marquée sur la P.S que ne l'indique la résistivité. GDNDOUIN et alter f2j montre que dans ces cas-là la valeur de la P.S est la suivante :

P.S

= - K log \^f-

(2)

Cette expression ne concerne que la composante de potentiel électrochimique de la P.S, sans tenir compte du potentiel d'électrofiltration, qui est d'ailleurs très faible ici, en raison des faibles différences de pressions entre formation et colonne de boue. N.T. : A 25°C on a en effet

K = 70,7

Donc avec une P.S = - 70 mV, log -=^- Rw

(voir plus loin figure 4 bis et N.T. à la page 90.) 1

et

— — Rw

-

10

85

SPONTANEOUS POTENTIAL millivolts

RESISTIVITY ohms, m ' / m

NORMAL AM = 16"

RESISTIVITY ohms. m f / m

50

LATERAL A0 = 18'8" 50

AM' = 64" 50

Figure 1 -

Log électrique enregistré sur un petit forage d'eau à Hawkins, Texas oriental.

6E

et

P.S.

= - K

log

[3""Na 'V

L

a

LCa a

+

a

mf

a

, a r , a M , étant respectivement les activités de la solution dues aux

ions Na, Ca et Mg, et K étant fonction de la température du terrain.

Dans l'équation (3] le filtrat est assimilé à une solution de Na Cl. Dans certains cas ce filtrat contient une proportion significative de Ca et de Mg, mais par suite des échanges de bases avec les argiles de la boue et du terrain, la teneur résiduelle du filtrat en Ca et Ng est souvent réduite par rapport à ce qu'elle est dans l'eau utilisée pour la boue. Donc, sauf avis contraire, on considère habituellement le filtrat comme une solution de Na Cl. Pour les solutions de Na Cl le rapport entre l'activité (du sodium) et la résistivité de la solution est indiqué figure 2 = figure 58 de la lève partie • Ainsi, en considérant le filtrat comme une solution de Na Cl son activité utilisée au dénominateur de l'équation (3) est déterminée lorsque R - est connu. Si la température de R est différente de 25°C; on utilise la figure 3 pour ramener à la temperature standard de 25°C *. Le rapport entre les concentrations en cations (en p.p.m.) et l'activité est donnée par la figure 4 sur laquelle le trait plein concerne les ions I\la+ et la ligne tiretée les ions Ca++ et Mg4"*. L'activité totale de l'eau, pour l'utilisation de l'équation (3) est la somme de :

Ainsi, si les teneurs en cations des solutions sont connues, on peut calculer les activités. Bicarbonates. En eau douce, l'ion H CO" est souvent l'ion prédominant. Si Na est le cation prédominant, l'activité 3e la solution, donc l'effet sur la P.S, est proche de ce qu'il serait avec une solution de Na Cl de même teneur en Na+. Ceci es"t dû à ce que l'activité d'une solution dépend essentiellement de sa teneur en cation. Toutefois les résistivités de solutions de Na Cl et de Na H CD (de mêmes teneurs en Na + ) sont différentes. L'ion H CG~ a une conductivité qui est, à poids égal, 27 % seulement de celle du Cl". En d'autres termes R d'une solution de NaHC0„ est 1,75 fois plus grande que R d'une solution de Na Cl ayant la même teneur en Na + . Les rapports entre concentration et résistivité pour les autres ions diffèrent également de ce qu'ils sont avec Na Cl. Voici les coefficients multiplicateurs applicables aux ions courants pour obtenir leur équivalence

N.T. : Par exemple une solution de résistivité 10 ohms/m à 25°C sera de 6,5 ohms/m à 40°C et 3,5 ohms/m à 100° C.

g§§§§3

Equivalent N o CI en ppm8

-

§ §

10

15

— 20 -

25

0,2 i

Figure 3

0,3 0 , 4 0,5 0,7 i

i

= Relation solutions

i

i

entre

i

i

I

3

4

5

6 7 8 9 10

20

I

i

i

i

i

j

i

i

i

i

30 i

les résistivite's ( en o h m / m ) , les températures ( en °C) et

dilutes

de Na Cl • d'après

document

SCHLUMBERGER

40 50 i

la

i

70 i

•

•

200 __J

100 i

i

concentration

saline

300 | Resistí vite oh m / m

( en p p m ) pour des

88

7 9

i

Activity vs. P P M Temp. = 77°F

3 2

3*

O/ 0 1 9

a NO

+ aMg .001

0/>OI 7

7 5

3 2 ,0O0l

O ,0001

7 9

9

3

3

2

2

°r*©« Figure 4 -

,00001 2 3

5 7 1

2 3

PPMca +

9 7

10 2

PPMMg

3

or

5 7 IOO

2 3

5 7 1000

PPMNQ

Détermination de l'activité des cations en fonction de leur concentration (en ppm) pour des solutions diluées à 77°F = 25°C

89

en

Na Cl

en

vue

de

déterminer R

[3J

w Na

=

1,0

Ca++

=

0,95

Mg++

=

2,0

Cl

1,0 0,5

CO.

1,26

et

HCCL

=

G,27

En résumé, pour déterminer la qualité d'une eau à partir de la P.S il faut connaître approximativement la composition ionique de cette eau, car: 1°) l'activité des divers cations diffère, donc la P.S ne répondra pas comme en présence d'une solution de Na Cl. 2°) la relation entre concentration et résistivité dépend de la composition ionique de l'eau.

Réexaminons l'exemple de la figure 1 à la lumière de ces observations. On connaît par analyse la composition de l'eau de l'horizon 272-310'; les résultats sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous avec application du coefficient multiplicateur donnant la teneur équivalente de chaque ion en Na Cl pour déterminer R .

T A B L E A U

ion

Na Ca Mg Cl S0

4

C0

3

H CD 3

teneur [en p.p.m)

1

coefficient multiplicateur

1,0

Equiv. Na Cl (p.p .mj

10, 0 2, 85 1,60 6,00 0

10 3 0,8 6 0

2,0 1,0 0,5

0

1,26

0

29,3

0,27

7,9

0,95

TOTAL FEQUIVALENT Na Cl --

28, 35 p.p.m.

90

D'après la figure 3, à la température de 25°C une solution de 28,35 p.p.m de Na Cl a une résistivité s 175 ohme/m. Utilisons maintenant l'équation 2 et les résultats de l'analyse, de l'eau pour calculer, à partir des cations, la P.S.S (= P.S statique]* en face des sables 272 - 310'. D'après la figure 4, g

10 p.p.m. de Na

0,00048

donne 0,010

3,8 p.p.m. de Ca + Mg donnent / a Ca + a donc (a)

0,01048

w

D ' a p r è s la

figure 2 , R

= 6 8 o h m s / m à 2 5 ° C donne

mf

Donc P.S = - 71 log

(a)

0,0012

mf

**

[a)w (a)

mf

ou

0,01048 0,0012

- 71 log

N.T.

**N.T.

67 mV

La P.S statique est la P.S propre d'une couche que l'on mesurerait en isolant la colonne de boue au-dessus et au-dessous de cette couche pour éviter les pertes de courant, qui donnent une P.S "amortie" dans l'enregistrement en continu. Dans cette équation 71 = K ; K ~ 71 à 25°C. La figure 4 bis qui donne la valeur de K à différentes températures a été tracée d'après les données de R. DESBRANDES [ A 5 ] . En P.S statique = P.S.S, le potentiel électrochimique Ec = Epss = Em + Ej a

Em =

RT . •=— Log e — i

et

3

v,-,, v-u

Ej =

RT RT

a

w mf

mf

Em = potentiel de membrane ; Ej = potentiel de diffusion R = constante des gaz parfaits = 8.314 Joules T = température absolue en °K (= °C + 273,15); ici 25 + 273,15= 298,15 F = le Faraday = 96 540 C -1 v, exprime la mobilité des ions Cl" ; v = 67,6 x 10 -5 -1 -1 Na + ; u = 45,6 x 10 5 . En transformant les Logs népériens Ec

= 2,302 ( 1 + ^IH_ ] ai v+u

K

= 2,75

^

x T

ou

F

en log décimaux:

JiL

log &

a . mf 0,237 T

(en °K)

91

I25

A/

lOO

/

o

Temperature en

75 ?

/ 25

K =0,237 T (en °K = • C+ 273,15) Valeur .

/

60 Figure 4 bis

70 72 74

76 78

80

90

de K

92

Ainsi le calcul confirme la P.S enregistrée dans ce forage du Texas oriental, parce que l'on a tenu compte de la composition ionique de 1 ' eau. On peut d'ailleurs se demander à quoi sert la P.S si on a besoin des résultats d'analyse de l'eau pour l'interpréter correctement ? C'est vrai. Mais l'expérience montre que, variable d'une région à l'autre, la composition ionique relative d'une eau est prévisible dans une région donnée (d'après les résultats d'analyses existants sur l'eau de la nappe déjà captée au préalable dans cette région]. On peut alors utiliser des relations empiriques entre P.S, R et résidu sec (R.S) pour déterminer la qualité de l'eau à partir de la p.S. Pour cela il est pratique de considérer R déterminée d'après l'équation (1) comme une résistivité équivalente (R ) et de considérer en outre le filtrat Cmf) comme une solution de Na Cl. Ainsi selon la composition ionique relative de l'eau de la région étudiée, on peut utiliser pour obtenir Rw Mà partir de R we découlant , , D C une relation appropriée HIK M de la P.S. Ceci est illustré par la figure 5 = fig. 60 de la 1ère partie et commentaires donnés dans la traduction p.28. L'expérience montre que pour les forages d'eau de la Gulf Coast forés avec de la boue douce, les points se situent près de la ligne Na H CO même si les eaux de formation contiennent une bonne proportion de cations bivalents, dont l'effet est compensé en grande partie par la teneur similaire du filtrat en ions bivalents. Un exemple est donné par un forage de Sugar Land à Fort Bend County, Texas. L'analyse chimique de l'eau prélevée à 930' donne les résultats ci-après : Na Ca + + Ng + +

= = =

37 p.p.m 47 11

Cl

=

31 10 H C D 3 = 231

P .p . m

so 4

D'après la P.S = - 3 mV et R f = 11,0 ohms/m à 25°C on calcule R = 10 ohms/m*. On a mesuré R =21,7 ohms /m à 25°C. On voit, sur la figure WB 5 que le point R en fonction de R est proche de la ligne Na H CO malgré la proportion assez forte de cations bivalents.

—

.———_—. . , _ N.T. : D'après l'équation (1) en remplaçant R par R : P.S = -K. loe mf h w we "T— R R we mf mf 3 Ici - 3 = - 71 log - — ; log ^ — = — = 0,04225, dont le we R we cologarithme 1,10 donne m"F ; avec Rm_p mesuré = 11 ohms/m on trouve we R = 10. we

93

En fait, la P.S.S calculée d'après les résultats de l'analyse chimique, comme indiqué dans notre premier exemple, donnerait une valeur de - 45 mV *. Ce calcul suppose toutefois que tous les cations du filtrat sont du Na. Le fait que la diflexion de P.S observée soit beaucoup plus petite montre à l'évidence que le filtrat renferme une bonne proportion de cations bivalents **. Le rapport R /R est différent sur les puits forés avec une boue w we salée. Dans ces puits, le point R /R se rapproche de la courbe Ca Cl de la figure 5. Par exemple le log de la figure 6 = f-iguve 61 de lu-1 ère partie a été enregistré dans un forags où l'on a délibérément salé la boue, pour obtenir de grandes [mais positives] déflexions de P.S en •fane des sables. Avec R „ = 0,75 ohm/m à 25°C et P.S = + 45 mV en face des sables à la profondeur 400', on trouve R = 3,1 ohms/m ***.

IM.T. : D'après la figure 4, pour 37 p.p.m de Na, a N a = 0,0016 ;

47 + 11 = 58 p.p.m de Ca + Ng donne /â~ + a = 0,0 3 ; le total La i ig (a)w = 0,0316 - Par ailleurs avec R = 1 1 ohms/m,la figure 2 mf indique (a] = 0,0071 . mf

On a P.S.S = - 71 log- ¡ a ¡ W laJ

= - 71 log D ' ° 3 1 B = - 46 mV

mf

0,0071

Ca] N.T. : Pour - 3 = - 71 log , , W , ou ^ laJ 71 mf

Ca] = 0,04225 = log . , W , ta] mf

(a) W (a)

= 1,102.

mf

Cette valeur proche de 1 implique que les deux termes de la fraction sont presqu'égaux donc que l'eau utilisée pour fabriquer la boue a pratiquement la même composition ionique que celle de l'aquifère étudié.

*** N.T.

: P.S.S

= - K log

R - ^ -

; avec P . S . S = + 45 mV et

R m f = 0,75

we On a : 45 = - 71 log

R R -^- , ou log -¿^— = - li = - 0,6338 K

we

K we

/1

R

mf

R we

= U0,23232 ;» 0,23232 R\ g *- •-> £- ^J tLJ , ¿r- wJ £- \-i £we

= 0,75 et U j / J CU

Rl\ = 3,23 we

ohm/m

94

La résistivité de l'eau extraite de ce sable a été mesurée à 12 ohms/s à 25°C, ce qui donne, sur la figure 5, un point situé à peu près au milieu des courbes Na H CO et Ca Cl . En salant la boue on a réduit l'importance des cations bivalents dans le filtrat et par conséquent déplacé le point R /R de sa position habituelle en Gulf Coast (près de la courbe Na H CO ] pour le rapprocher de la courbe Ca Cl„. Une réduction d'effets des cations bivalents du filtrat apparaît également en face des sables à eau douce dans les puits pétroliers profonds. Ceci est dû à la fois à l'augmentation du Na Cl dans le filtrat et à la réduction de concentration des cations bivalents par échange de base. La ligne tiretée de la figure 5 est déduite empiriquement des eaux saumâtres rencontrées dans les forages d'huile et de gaz.

12 - R w DETERMINEE D'APRES LA RESISTIVITE DU TERRAIN Cette deuxième méthode pour déterminer R consiste à diviser la résistivité du terrain (résistivité de formation R ) par un facteur de résistivité de formation F. Cette méthode utilisée par les pétroliers n'est pas applicable de la même façon pour l'eeu. En eau douce, F varie non seulement avec la porosité du terrain mais aussi avec la granulométrie et avec R . Aussi F doit-il être défini par d'autres méthodes. Les meilleurs résultats de R en fonction de R (mesuré] sont ceux qui font intervenir des valeurs de F basées sur des études empiriques locales (F = R /R ) . En Louisiane, Turcan [5] a par exemple déterminé ce facteur de champ F (= field formation resistivity factor] sur des sables à eau douce pour lesquels F varie de 1,7 à 3,0.

pre,

L'utilisation de ces valeurs de F suppose que le sable soit prode granulométrie assez homogène et que R ne varie pas trop.

13 - R.S. ET CI" D'APRES R w R étant connu, d'après la P.S ou d'après les mesures de résistivité, est utilisable pour déterminer la qualité de l'eau. Si la composition ionique typique de l'eau d'une région est connue, on peut déterminer R.S et Cl" d'après les valeurs de R calculées. w La suite de ce § correspond à la 1ère -partie, p. 32 à SSavec figure 7 et figure 8 = fig. • 62 et 63 de la 1ère partie.

95

2 - APPLICATION DES MESURES DE RESISTIVITE DE FORMATION (Voir 1ère partie p. 39 à 43 avec figures 9 et 10 = figures 65 et 66. A propos de cette figure 66} extraite de SAEMA et RAO [7]., ALGER indique : ) Pour chacun des 3 échantillons, le facteur F déterminé à partir de la relation F = R /R , décroît lorsque R croît. Les données indiquent que les variations de F sont les plus accusées pour les hautes valeurs de R . w Sur l'échantillon N°4, on a obtenu F = 1 pour R = 34 ohms/m, ou en d'autres termes R = R . En outre, pour une solution très diluée W [R = 2176Qhms/m) on°a trouvé pour les échantillons 3 et 4 des F respectifs de 0,038 et 0,024. Ces facteurs F calculés sur les réservoirs d'eau douce sont nettement inférieurs à ceux que l'on obtient dans le pétrole en fonction de la porosité de la roche. On a observé des variations semblables de F dans des sables argileux. Ainsi HILL et MILBURN [fl] ont estimé nécessaire de qualifier le F par la résistivité du fluide de saturation utilisé pour sa détermination. Ainsi, F était le facteur de formation obtenu avec un fluide saturant de Rw =0,01 ohm/m. Ils ont remarqué que les fortes valeurs de Rw tendaient à H H produire des valeurs de F plus basses. Ils prenaient donc F quer la valeur maximale de F pour un sable argileux donné.

pour indi-

21 - CONDUCTIVITE DE SURFACE (DES GRAINS) (Voir 1ère partie p. 41 à 44)

22 - INFLUENCE DE LA GRANULOMETRIE SUR F Les données de SARNA et RAO de la figure 10 = fig. 66 de la 1ère partie montrent la relation entre la dimension du grain et R /R pour les eaux douces. Plus le grain est petit, plus F = R /R est petit. C'est l'inverse de ce que l'on rencontre habituellement dans les interprétations pétrolières. Comme indiqué plus haut, l'effet de la conductivité de surface est relativement peu important en eau salée, mais très important pour les eaux douces. La variation de F en fonction de la granulométrie des sables à eau douce est illustrée par les mesures en laboratoire réalisées par l'auteur sur des échantillons de sable lavé, saturés avec trois solutions différentes, Le diamètre efficace d , des divers échantillons avait été préalablement déterminé par analyse granulométrique, et les trois saturants étaient : de l'eau du robinet de HOUSTON, à 32 ohms/m, et des solutions de Na Cl à 7,1 ohms/m et 0,11 ohm/m à 70°F (=21,11°C). Avant les mesures, on avait déterminé la porosité de chaque échantillon par densité apparente *.

N.T.

: La densité apparente correspond au rapport entre le poids de l'échantillon déshydraté à 1'étuve et son volume.

96

Chaque échantillon était divisé en 3 parties, saturées chacune avec l'une des 3 solutions. La cellule de mesure était d'abord remplie avec l'échantillon d'eau et l'on mesurait R . Ensuite on introduisait dans la w cellule l'échantillon de sable qui déplaçait une partie de l'eau ; on tapotait la cellule pour compacter les grains jusqu'à ce que la lecture de R soit stabilisée. On constatait un accroissement de R d'environ 10 % pendant l'opération de compactage et de rangement des grains. Le facteur de formation F correspond au rapport R /R , c'est-à-dire au rapport du résultat lu avec la cellule remplie de sable au résultat lu préalablement sur la cellule ne contenant que l'eau. Ces résultats figurent ci-dessous au tableau 2. T A B L E A U

Détermination de F sur échantillons ,d'après Katy Drilling Compagny Forage d'eau de Westburry

R = 7.1 w

Rw = 0.11 échantillon

0

d

e

R

R = 32 w

R

F 0

F 0

R

F 0

*

68.5

2.14

23.4

3.30

73.6

2.30

*

*

79.4

2.48

27.75

3.91

93.5

2.92

4.40

27.82

3.92

96.6

3.02

4.92

4.47

27.82

3.92

91.3

2.85

.0075

5.16

4.70

29.1

4.10

*

*

33.B

.008

5.16

4.70

30.4

4.27

98.3

3.07

34.0

.012

5.50

5.00

29.8

4.20

*

*

1

37.5

.003

4.30

3.90

2

37.2

.003

*

*

3

37.5

.003

4.30

3.90

4

34.1

.005

4.73

4.30

5

35.8

.007

4.84

6

34.5

.007

7

33.2

8 9

(1)

*

C2)

Echantillon insuffisant pour avoir une lecture valable de R

N.T.fi) 0 = porosité ; d

en pouce : 0,003

Rappelons que pour l'auteur d

= d c

plus petits que d

0,0762 mm ; 0,012" = 0,305 mm. et non d yu

(10 % des grains sont iu

et 90 % sont plus grands).

N.T.[2] II y a une erreur de virgule sur R pour obtenir de tels facteurs F à partir de R = 0,11 ¡ R devrait °être 0,43, 0,473, etc w o

97

On note deux tendances principales dans le tableau 2 : F croît lorsque d croit, quelle que soit la solution saturante utilisée ; d'autre part, pour un échantillon donné, F décroît lorsque R augmente. Ces mesures de laboratoire tendent donc à confirmer les relations établies entre facteur de formation, granulométrie et résistivité de l'éau R pour les sables à eau douce. On a fait des observations identiques sur le terrain, par exemple sur un forage d'eau à Deer Park, Harris County, Texas, où l'on disposait à la fois des carottages électriques et des études granulométriques des échantillons. Voici les résultats au tableau N° 3.

T A B L E A U

Données d'après Rohm et Haas - Den Park

Intervalle

R

SP 0

R JH mf we

R

R mf

we

R

w

F

d

e

870'-890'

30

-10

1.4

8.7 à

B7°F

6.2

11.0

2.7

.010 "

1093-1120'

20

-12

1.5

8.6 à

88°

5.7

10.0

2.0

.007 "

1325-1334'

23

-32

2.9

8.5 à

90°

2.9

5.1

4.5

.0145"

1380-1406'

23

-27

2.5

8.5 à

90°

3.4

6.0

3.8

.013 "

1416-1448'

35

-25

2.4

8.5 à

90°

3.6

6.3

5.55

.015 "

Le tableau 3 montre les étapes de calcul de R d'après la P.S observée aux différents intervalles de profondeurs. La conversion de R WS

en R en

a été faite selon la courbe Na H C0 de la figure 5, c'est-à-dire prenant R = 1,75 R w we On a calculé la valeur de F pour chaque intervalle, valeur reportée en fonction du diamètre efficace d sur la figure 11. Cette figure montre bien à nouveau l'augmentation de F en même temps que celle de d . Il est vrai que la variation de R n'est pas prise en compte dans ce report, mais cette variation de 5,1 à 11 ohms/m dans cet exemple est supposée de moindre importance que celle de la granulométrie. Le forage de Deer Park a été crépine en face de tous les horizons énumérés et l'eau produite avait une résistivité de 6,1 ohms/m à 90°F (32,2°C). La majeure partie de l'eau paraît donc parvenir des 3 horizons inférieurs. Ceci est conforme au fait que ces horizons inférieurs ont un d e plus élevé, donc une perméabilité également plus grande que celle des deux horizons supérieurs.

98

5000

10

i/

o CM

DARCY

/•

f

1000

/

5

/°// o / »/

|

/

/

0 100

8

7

«#v

~ /

500 — Si

/

/

f"

/

CM

/A i'

100

X

Deer

O

Pittiburg

Park

1/ 0 .01 .02 Effective Grain Diameter, d e , (inches)

Figure 11 - Points représentatifs du facteur de formation F , en fonction du diamètre efficace d , pour deux forages d'eau.

/

c^—o

.001

.005 .01 .05 GRAIN SIZE (inches)

Figure 12 - Relations entre la perméabilité et F (= R / R ) en fonction de la granulométrie pour des échantillons de sable calibré, (d'après Jones et Buford, tableau 3 , Geophysics, janv. 1951).

99

23 - RAPPORTS ENTRE LE FACTEUR DE FORMATION, LA PERMEABILITE ET LA GRANULOMETRIE Le rapport entre perméabilité et granulométrie est plus ou moins classique et cette question bien connue a été traitée par nombre d'auteurs [2]. La figure 12 montre les résultats d'un travail de JONES et BUDFORDJV] . Dans cette étude, on avait mesuré la perméabilité de chaque échantillon constitué de sable calibré ; ces perméabilités sont données à la fois en darcies * et en unités Meinzer. L'unité Meinzer est plus courante en forage d'eau ; elle représente le débit, en gallons par jour à travers un aquifère épais de 1' (= 0,3048 m) large de 1 mile (= 1609 mlsous un gradient hydraulique de 1' par mile (1,894 x 10" 4 m/m]. A B8°F (= 20°C) une unité Meinzer = 0,0548 darcy. Dans leur étude, JONES et BUDFORD ont également indiqué les mesures de résistivité obtenues sur chaque échantillon avec une solution saturante très douce : R = 3 5 ohms/m utilisées pour toutes les mesures. Leur travail montre une progression plus ou moins ordonnée, à la fois de la perméabilité et de F, en fonction de l'accroissement de la granulométrie. Le rapport entre la perméabilité et le facteur de formation F, indiqué à la figure 13 est très important pour évaluer les forages d'eau d'après les logs électriques. Premièrement, c'est le contraire de ce qui est habituellement admis dans le pétrole. En 1941,G.E.ARCHIE TTàT a montré que, sur des carottes de grès de la Gulf Coast imprégné de saumure, lorsque la perméabilité augmentait F diminuait. De nombreuses observations faites par d'autres auteurs ont confirmé que la remarque d 'ARCHIE est correcte pour des sables imprégnés de saumure. Cependant, en raison de l'importance de l'accroissement de la con' ductivité de surface lorsque la salinité décroît, le concept doit être changé pour les sables à eau douce. Deuxièmement, les logs électriques apparaissent de plus en plus utiles en ce qui concerne l'évaluation des sables à eau douce. Toutes les caractéristiques favorables pour un puits d'eau entraînent un accroissement de la résistivité du terrain aquifère. Le résidu sec est lié à R ; plus R est grand, meilleure est l'eau. Plus la granulométrie est élevée, plus il est facile de crépiner et de gravillonner un sable. Et finalement, plus le sable est perméable, plus le débit par unité d'épaisseur de sable est grand. Puisque chacune des caractéristiques favorables se traduit par une augmentation relative de la résistivité du terrain, les zones les meilleures sont celles qui ont les résistivités les plus élevées. D'autre part, d'après les renseignements présentés dans cette note, il semble que l'on puisse prendre des valeurs minimales critiques de F pour les évaluations de forages d'eau. Un minimum de 3 pour F = R /R semble convenir pour les sables dans lesquels la résistivité de l'eau W R est comprise entre 5 et 15 ohms/m. Pour les eaux plus salées, le F minimal sera plus grand et pour les eaux plus douces il sera plus petit.

N.T.

: 1 darcy = 9,6127 x 10" 6 m/s. 1 unité Meinzer = 4,7147 x 10~ 7 m/s.

100

PERMEABILITY v>. F

*nnn

/

2000

t: Z

a»

OC

N 1000

Z

O o

m

o

I >- 500

S S

j

a.

1

1

/7

i

ui

// * l

*J

•

i 1

100 3 F (avg. 0

4 = 41.5)

Figure 13 - Perméabilité en fonction de F (= R / R ) d'après les o w données de la figure 12. Nota : (aug. 0 = 41,5)

= porosité moyenne = 4 1 , 5

%

101

Si 1' on connaît le F critique correct, le produit FR peut être important pour déterminer l'épaisseur efficace de sable. A titre d'illustration la figure 14 représente des logs enregistrés sur deux forages voisins à Pittsburg, dans le Comté de Camp, Texas. On dispose d'une analyse d'eau sur échantillon prélevé dans le puits N° 1 entre 525'et 560', dont la résistivité R = 14,4 ohms/m à 72°F (= 22,22°C). Comme la déflexion de P.S est constante pour chaque horizon sableux recoupé par ce forage on peut normalement supposer que la valeur de R est également constante sur chacun. Sur le puits N° 2 la P.S est déformée par déplacement de la ligne de base, due à une colonne de boue hétérogène, mais les déflexions sont approximativement les mêmes sur chaque horizon sableux. Les traits verticaux épais placés sur les logs indiquent les intervalles de sable échantillonnés. Les données pour tous les niveaux d'uniformité suffisante pour l'étude sont donnés au tableau 4.

T A B L E A U

Données de puits à Pittsburg, Comté de Camp, Texas

Puits N°

Intervalle

R

R 0

w

F

14.4

d

e

(72°F)

1

302-323

25

14.4

1.74

.005"

1

425-440

43

14.4

3.0

.008"

2

514-560

55

14.4

3.8

.012"

2

644-660

35

14.4

2.43

.009"

2

680-691

15

14.4

1.04

.001"

Les valeurs de F, déterminées en divisant R de chaque niveau de sable par R w = 14,4 ohms/m sont reportés sur la figure 11, en fonction du diamètre efficace obtenu à partir de l'analyse granulométrique. Ces données sont très proches de celles du forage de Deer Park. Si nous prenons un d 0,01 " (= 0,25 mm] comme critère pour établir le F minimal acceptable, nous trouvons F . = 3,4. Donc, sur ces forages on peut prendre un R minimal de 49 ohms/m T3.4 R ] pour calculer les tranches captables. Sur ïe forage N° 1, il y a moins de 10' de sable présentant une résistivité qui est même légèrement supérieure à 49 ohms/m. D'après les essais de production effectués sur ce puits le débit s'est avéré beaucoup trop faible pour justifier sa completion. Le forage N° 2, avec une tranche plus épaisse de sable efficace entre 510 et 550', a produit davantage que le N° 1, mais c'était encore insuffisant pour satisfaire aux conditions de marché.

102

WELL N O . 1

WELL N O . 2

P

Loterol

0

Lotero!

Figure 14 - Diagraphies sur des puits voisins forés à Pittsburg, dans le Comté de C a m p , Texas.

50

103

On a fait allusion plus haut au travail de TURCAN mentionnant l'évaluation de R à partir d'un facteur de formation de champ (F.). On faisait remarquer que R était calculable en divisant la résistivité du sable par le F approprié - dans la mesure où les sables étaient propres et de granulométrie relativement constante. Les notions de perméabilité et de facteur de formation suggèrent une autre application, plus importante peut-être, des mesures de la résistivité du terrain. Si l'on a établi une relation entre la perméabilité et un F pour des échantillons non calibrés, on pourra prendre la valeur mesurée de R et la valeur de R dérivée de la P.S pour estimer la perméabilité. S'il est possible d'établir une relation de portée générale, il est évident qu'on obtiendra de meilleurs résultats en prenant une formule basée sur des données locales. De telles données rendront mieux compte des conditions locales de porosité, de la granulométrie [diamètre et classification des grains] et des variations de R . Il est éventuellement possible, que ces études puissent conduire au calcul de la productivité spécifique à partir des logs de résistivité.

CONCLUSION Les logs électriques sont utilisables pour déterminer d'une façon approchée la qualité de l'eau CR.S et Cl") et les caractéristiques des sables. Toutefois il est bon d'avoir des indications locales pour faire de meilleures interprétations quantitatives. Il existe déjà beaucoup de diagraphies, d'analyses granulométriques et d'analyses d'eau'utilisables pour établir des relations empiriques à valeur locale. Il reste encore beaucoup à faire et nous souhaitons que cette note puisse stimuler de nouvelles études qui permettront de perfectionner l'évaluation des caractéristiques des aquifères.

104

B I B L I O G R A P H I E

'[i]wYLLIE M.R.J. (1969) .- A Quantitative Analysis of the Electrochemical Component of the SP Curve .- Jour. Pet. Teoh. (Janv, 1949).

[2] GONDOUIN PI., TIXIER PI.P., and SIP1ARD G.L. (1957) .- An Experimental Study on the influence of the Chemical Composition of Electrolytes on the SP Curve .- Jour. Pet. Tech. (Feb, 1957) Vol. 9, N° 2. [3] DUNLAP H.F., BILHARTZ H.L., SCHÜLER E., and BAILEY C.R.C1949] .- The Relation Between Electrical Resistivity and Brine Saturation in Reservoir Rocks .- Jour. Pet. Tech. (Oct., 1949) Vol. 1, N° 10.

[4] SCHLUPIBERGER WELL SURVEYING CORPORATION (1962) .- Log Interpretation Charts .- Houston.

[5] TURCAN A.N. Jr (1962) .- Estimating Water Quality from Electrical Logs. U.S.G.S. Prof. Paper 450-C, Article 116.

[6] JONES P.H. and BUFORD T.B. (1951) .- Electric Logging Applied to Ground-Water Exploration .- Geophysics (Jan., 1951) Vol. 16, N° 1.

[)] SARMA V.V.J. and RAO V.B. (1963) .- Reply to discussion of their paper. "Variation of Electrical Resistivity of Riber Sands, Calcite, and Quartz Powders with Water Content".- Geophysics (April, 1963).

[a] HILL H.J. and MILBURN J.D. (1956) .- Effect of Clay and Water Salinity on Electrochemical Behavior of Reservoir Rocks . - Jour. Pet. Tech. (March, 1956) Vol. 8, N° 3.

[9] WINSAUER W.O. and Me CARDELL W. PI. . - Ionic Double Layer Conductivity in Reservoir Rocks .- Jour. Pet. Tech. (May, 1953) Vol. 5, N° 5.

[1O] URBAN F., WHITE H.L., and STRASSNER E.A. (1935) .- Contribution to the Theory of Surface Conductivity at Solid-Solution Interfaces .- Jour. Phys. Chem. (1953) Vol.39, p. 611.

[il] STREET N (1956) .- Electrochemistry and Rheology of Kaolinite Syspensions .-PhD. Thesis, University of Melbourne.

[12] U.S. GEOLOGICAL SURVEY WATER SUPPLY PAPER 887 (1942) .- Methods for Determining Permeability of Water-Bearing Materials .- (1942) p. 52.

[13] ARCHIE G.E. (1942) .- The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics .- Pet. Tech.(Jan., 1942) Vol. 5, N°l.

105

ANNEXE

Analyse granuîométrique Résumé du mode opératoire 1 - Prendre une série de tamis à maille décroissante de haut en bas 2 - Placer l'échantillon de sable sec pesé dans le tamis supérieur 3 - Secouer pour faire passer les grains sur les différents tamis 4 - Peser le poids de sable retenu par chaque tamis 5 - Diviser chaque poids par le poids total de l'échantillon pour obtenir le pourcentage retenu par chaque tamis 6 - Partant du pourcentage retenu dans le tamis de plus grande maille, ajouter successivement les pourcentages retenus par les tamis suivants pour obtenir les totaux cumulés 7 - Construire la courbe granulométrique avec le diamètre des grains en abscisse et les pourcentages cumulés en ordonnée [voir la figure 15).

Détermination du diamètre efficace d Le terme "diamètre de grain efficace", d , se définit ainsi : "c'est un diamètre tel que, si tous les grains avalent ce diamètre, le sable aquifère donnerait un débit égal à celui qu'il fournit en réalité" ; Hazen indique que ce diamètre est celui du grain de sable tel que 10 % du matériau étudié est constitué de grains plus petits et de 90 % de grains

plus gros £12] *. Ainsi, on peut utiliser la courbe cumulative des poids retenus pour définir d , diamètre de grain correspondant à l'intersection de la courbe avec le pourcentage 90 % *. Il est évident que les grains les plus fins conditionnent d , et donc la perméabilité. 6

Evaluation du classement Le classement du sable, ou l'uniformité de la granulométrie, est une autre caractéristique importante en hydrogéologie. M. Paul JONES, au cours d'un entretien, nous a fait remarquer que d'après ses recherches la porosité ne dépend pas de la granulométrie tant que le coefficient d'uniformité [explication ci-dessous) est inférieur à 2,5. Il existe plusieurs formules pour définir le coefficient d'uniformité d'un sable. La plupart sont basées sur des valeurs lues sur la courbe cumulative décrite plus haut. La compagnie Layne-Texas utilise un coefficient

N.T.

: Voir Remarque à la fin de l'Annexe.

106

764 - 81c ;

_ \

1214 - 1226 de = .0075" UC = 2.0 RMAT ON FAC;i 0 R-F 1 30 40 50 60 l 80II100| 200

300 400

600

Relation entre porosité et facteur d e formation F

1000 2000

3000

5000

I 10,000

(document Schlumberger)

118

a] de la résistivité de l'eau R

contenue dans les capillaires

b) de la surface cumulée des sections de tous les tubes, qui représente la surface de vide par rapport à celle de la face du cube, c'est-à-dire la porosité 0. On pourra écrire : R = R /0 O W

ou encore

R /R 0 W

= 1/0

=

F

Le terrain réel diffère en fait de ce modèle, car : - les pores interconnectés ne sont pas des capillaires rectilignes de section uniforme - les grains ont un degré de cimentation qui varie On écrit donc

: F

=

^

, avec :

a = 0,81 (dans les sables] à 1 (dans les terrains durs] m = facteur de cimentation, qui varie de 1,5 à 3. 1 Par simplification, on prend souvent F = -=n , formule assez proche de celles de la Humble : f _ 0,62 P = 0,81

L'abaque (figure 1) regroupe les droites reliant F à 0 selon diverses formules et valeurs de a et de m. On retiendra qu'avec la formule simplifiée F = 1/02, F variera de 10 000 à 4 si la porosité varie de 0,01 [1 %) à 0,5 (50 % ) , et que la résistivité R d'une roche poreuse propre (sans argile]*, saturée d'eau de résistivité R , s'exprime par la formule : w R

o

=

F

x

R

w

;

avec F

=

1/02

:

R

0

=

R /02 w

Enfin, dans un forage, on peut également calculer F à partir de la résistivité du filtrat R et de la résistivité RXo de la zone périphérique immédiate du trou, ou zone lavée : (voir figure 2 ) .

R

xo

= F x R _

c mf

ou

F

=

R / R„ xo mf

La figure 2 illustre ce qui se produit dans un forage à la boue au droit d'une couche poreuse, d'épaisseur h (=bed thickness]. La boue (= mudj

de résistivité R

, constituée habituellement

d'eau et de produits colloïdaux argileux, est à une pression supérieure à celle du fluide imbibant le terrain j l'eau libre, ou filtrat C= mud filtrate]

Le problème des roches argileuses sera examiné en 5.

119

ADJACENT BED

UNVÄSION DIAMETERS)

A0JACEN

T BED

symbole de la résistivité de la zone

O A

symbole de la résistivité de l'eau de la zone symbole de la saturation en eau de la zone en cas de passage sans transition de la zone lavée à la zone vierge,

Figure 2 - Symboles utilisés dans l'interprétation des logs (présentation schématique), voir explication dans le texte. (document Schlumberger)

120

de résistivité R m f , envahit la zone périphérique immédiate du forage ; c'est la zone lavée (= flushed zone] dont la résistivité R xo est modifiée par Rf^-p comparativement à ce qu'elle était avant de forer"] et à ce qu'elle demeure à une certaine distance du forage dans la zone non envahie (= uninvaded zone) ou zone vierge. Dans cette zone vierge on a une résistivité globale du terrain R , ou R si les vides sont saturés à 100 % par l'eau de formation de résistivité R . w

Entre zone lavée et zone vierge, une zone de transition ou anneau (zone of transition or annulus) a des caractéristiques intermédiaires ; cette zone de transition est parfois absente, le passage étant brusque entre les deux précécentes. La figure 2 souligne par un trait noir épais le cake (= mud cake) d'épaisseur h et de résistivité R qui s'est déposé sur la paroi du p me me trou. Enfin la figure 2 indique les couches adjacentes (= adjacent beds] de résistivité R , le diamètre du trou ( = hole diameter) = dh, les diamètres des zones lavées et envahies d. et d., la distance d'invasion Arj , mesurée à partir de la paroi du trou ; — —— le symbole S =(water saturation) concerne le degré de saturation en eau des vides 0, le complément 1 - 0 = S o étant la saturation en huile (oil saturation), ces deux dernières notions

n'intéressant pas directement 1'hydrogéologue.

121

2 - LE CAROTTAGE ELECTRIQUE Le log électrique ou carottage électrique comprend deux types d'enregistrement : - la polarisation spontanée, ou potentiel de courant d'origine électrochimique lié aux échanges ioniques entre les fluides du terrain et la boue de forage - la résistivité du terrain mesurée à partir de sondes relativement simples appelées "normale " ou "latérale".

21 - LA POLARISATION SPONTANEE = P.S On admet que la différence de potentiel mesurée entre une électrode placée à la surface du sol et une autre électrode descendue dans un forage en boue a une double origine : a) Un potentiel d'électrofiltration E r dû à la différence de pression entre la colonne de boue et la pression— du fluide de la formation ; la filtration se fera du terrain vers le forage ou du forage vers le terrain selon la valeur relative des pressions, le sens forage-terrain étant beaucoup plus fréquent. GONDOUIN a montré que ce potentiel est généralement faible par rapport au potentiel électrochimique. b] Un potentiel électrochimique E dû au passage des cations de l'eau du terrain vers l'eau de la boue, ou vice versa, l'argile de la boue jouant le rôle d'une membrane semi perméable, c'est-à-dire perméable uniquement aux cations. A cette circulation sélective des cations s'ajoute une diffusion des ions de la solution la plus concentrée vers la solution plus diluée qui peut également jouer dans les deux sens. Parmi ces deux composantes de E , on constatera que dans un iorage utilisant une boue douce et traversant des aquifères d'eau également douce, le potentiel de diffusion sera très limité et E résultera essentiellement du potentiel de membrane.

La figure 3 illustre cette mesure de E en P.S satistique (P.S.S], c'est-à-dire en maintenant l'électrode immobile dans le forage au droit de la couche sableuse (S ,) qui serait séparée artificiellement des argiles (S ] par des bouchons isolants (insulating plug]. La partie inférieure de la figure 3 montre la diffusion des courants dans les terrains et l'allure réelle de la courbe de P.S (SP curve). La figure 4 montre l'effet de l'épaisseur des couches poreuses (exprimée par rapport au diamètre d du trou par : 16 d, 2 d, etc ...) sur le dessin réel de la P.S, comparé à celui de la P.S.S, et surtout l'effet du rapport R /R = Résistivité du terrain/Résistivité de la boue. On y remarque que la P.S enregistrée avec R égal ou proche de R donnera des déflexions aux contours accusés se rapprochant de ceux de la P.S statique. Inversement si R, est élevé par rapport à R "l'attaque" de la t m déflexion moins franche présentera un arrondi et l'amplitude de la P.S sera réduite, surtout sur les couches minces.

122

Figure 3 -^Représentation schématique de la PS _ et distribution du courant dans et autour d'une couche perméable (§) (document Schlumberger)

Static SPdiogram--potential in m u d when S P currents are prevented from flowing • : S P log-potential in m u d when S P currents are flowing.

I00 mv

diagramme de PS statique. Potentiel en boue sans circulation des courants. log de P S . Potentiel en boue avec circulation des courants.

100 mv

Figure 4 - Courbes de PS dans des couches d'épaisseurs différentes, pour R = R (à gauche) et R = 21 R t m t m au centre (document Schlumberger)

Permeable Strata

Impervious Strata

Static S P Diagram

S P Log

123

De même l'amplitude de la déflexion sera réduite d'autant plus que la zone d'invasion par le filtrat est importante. Pour obtenir la P.S statique = P.S.S on pourra effectuer des corrections de la P.S enregistrée à partir des abaques de la figure 5. Comme indiqué en 2ème partie, la détermination de la résistivité de l'eau de formation R à partir de la P.S.S sera calculée d'après l'équation : . . R we Pour une solution de Na Cl, la résistivité équivalente du filtrat : R m f a est pratiquement égale à R ^ , lorsque R m f > 0,13 ohm-m. Si R m f est inférieure à 0,13 ohm-m, ble d'ions autres que Cl" et fabriquée avec une eau douce en fonction de R m ^ mesurée à

ou si le filtrat renferme une proportion notaNa + - ce qui est le cas du filtrat de la boue dans la plupart des cas - on déterminera R f partir de l'abaque figure 5 bis.

Connaissant R _,, et la P.S.S on trouve R , la résistivité mfe we équivalente de l'eau j on détermine ensuite R , la résistivité de l'eau de formation, en fonction de son faciès (ou famille] hydrochimique avec l'abaque figure 60 de la 1ère partie.

22 - DIAGRAPHIES CLASSIQUES DE RESISTIVITE La mesure de résistivité du terrain la plus simple est faite avec une sonde monoélectrode A descendue dans le forage à l'extrémité d'un câble électrique isolé. Un générateur envoie le courant dans cette électrode et le retour se fait par le terrain dans lequel on place une électrode B en surface ; un résistivimètre est intercalé dans le circuit. Ce type de sonde indique nettement les changements de terrain, mais en raison de sa profondeur d'investigation très faible, approximativement égale au diamètre de la sonde, il y a une forte influence de la résistivité de la boue et des variations de diamètre du trou ; elle ne rend donc pas du tout compte de la résistivité réelle du terrain. Deux types de sonde sont utilisés classiquement pour mesurer la résistivité : les sondes normales et les sondes latérales. Dans les sondes normales on envoie un courant alternatif entre les électrodes A et B disposées comme ci-dessus. Le résistivimètre est intercalé entre une troisième électrode IM, placée à la surface du sol et une quatrième électrode M située dans le forage à distance variable de A j cette distance AM, ou espacement (spacing), conditionne la profondeur d'investigation de la sonde (cf. figure 6 ) . Les espacements les plus courants sont : m

= 16" = 0,40 m pour la Petite normale (PN) = short normal (SN)

AM = 64" = 1,60 m pour la Grande normale C.GIM) = Long

"

(LN)

124

INVASION, d¡/dh B 5

NO INVASION

'"I R x o ' 5 Rf

Rxo"Rf 1.0

\ 0 8

08

SP/SP C orr

S

\

0«

08

\

N

0.4

ce

100

\

0.2

90 'S

M

\oo^

E

\

\

•

\

0.2

0.2

20 \

^200 Rio/Rm

h/d h

s 40 >•

10

20

» • • 9

h/d h

s 40 • •

20 '•

40 »

K) «

20 'I

10 ' •

9

1.0 !~2-v

—:

o.e

\

\

10

\

\ \

\ \

0.6 \

04

\

\

\o l \

\ ^

\

Bp

A

\

\

\

\

\

\

\

100

tr.

\

\

\

\

\

\

200

200.

"V.

E tr

100

Rio/Rm-

h/d h

= 40 • •

20 '•

10 ' •

40 «

S

20 "

10 ' •

9

1968 Schlumberger 1.0

s \ \ \ SP/SPcorr

< ^ —^

1 .. 0.6

O

0.4

\

s \

\

\

9

\

\

\

0.8

\ \ 0.6 \ \ \ 0.4 s \ \ \ 0.2 \

100,

\

\

N

\

\

\

•

•

s. 2CK

\

\

OS \

\

\

N \ \

"20-

\ \

\ S

S

90

20Q,

>»

500

\

C

Rt/Rm-

looa

Nio/Rm- >- -50Î

i./M.

0.2

=40 > •

20 '

, ^ •

\ \

\

S

\

\

0.6

n

\

K

I.Or

1.0

1.0

>IO-

\

\

-si

Noo

0.4

s\

0.2

N

V\ \ \\ \ \\ \ \ \ \

Figure 5 - Abaques de correction de PS

9

^

~IO

\ \ 60

o

R m> le rayon est plus grand que 1,5 AM.

Pour les sondes latérales, le maximum du signal provient de la zone située à une distance voisine de AM, soit environ 5 m de rayon d'investigation pour AM = 5,70 m. Ces divers rayons d'investigation permettront d'approcher les résistivités R o de la zone lavée par le filtrat, R. = résistivité moyenne de la zone envahie et R résistivité vraie du terrain?" ou R si ce terrain est naturellement sature d'eau à 100 %. ° Pour déterminer R ou R. en fonction de R on fera une correction de l'influence du trou de sonde avec un abaque du type de celui fourni par Schlumberger pour une sonde de 85 mm (cf. fig. 10). 10 000

' I I I

5 000

1000

5 000

10 000

_R¡_

Rm

Figure 10 -

Rm

Courbes d'écart simplifiées des sondes de résistivité en fonction du diamètre du trou (document Schlumberger) Normale : A M = 0 , 4 0 m ; Latérale : A O = 5 , 70 m . , , . . , , r, T^ U _• r*,-i \ (extrait de R . Desbrandes, [A5| )

131

On obtiendra des valeurs plus précises avec les diagraphies spéciales évoquées plus loin : induction, micrologs, latérologs et microlatérologs. En.première approximation, R. DESBRANDES QQ estime que l'on peut prendre : R. = R, , [donnée par la latérale] si h R ^£R

si

R,. = 3/2 R_M si t bN

>

10 m

10 m >h > 5 mètres 5 m >h > 3 mètres.

Pour terminer ce résumé sur le carottage électrique la figure 11 montre un extrait de diagrammes de résistivités et P.S. sur lequel on notera : - l'échelle de P.S : une division = 10 millivolts avec déflexions positives vers la droite et négatives vers la gauche. - les échelles de résistivité : la colonne centrale donne les sondes normales et la colonne de droite la latérale. Pour la petite normale (PN) AM = 16" il y a 3 échelles, 20, 100,1 000 ohms/m2/m (= ohm/m] correspondant à 10 divisions. La PN en trait plein est bien de 10 à 11 ohms/m = 5 à 5,5 divisions sur le trait plein de droite entre 919 et 924,50 m ; on a l'équivalent avec le trait plein de gauche = 1 division = 10 ohms/m. A 916/917 m la courbe sort de l'échelle 100 ohms/m et le trait plein épais (1 division = 100 ohms/m) apparaît. La GN en trait pointillé, comporte deux échelles de 100 et 1 000 ohms/m pour 10 divisions, de même que la latérale A0 = 10'8". En application des remarques faites précédemment on voit, vers 917/918 m, l'influence de l'invasion qui se traduit par la valeur de R = 190 ohms/m donnée par la latérale, environ 140 ohms/m pour la GN et 100 ohms/m pour la P.N. REMARQUE : Un type spécial de latérale est la sonde à calcaire, qui souligne les strates plus conductrices au sein d'un calcaire massif très résistant ; ces strates peuvent correspondre à des zones favorables aux circulations d'eau. La sonde à calcaire, remplacée par le latérolog n'est plus utilisée aujourd'hui.

132

POLARISATION SPONTANEE lOOmillivolts

RÉSISTIVITÉ

RÉSISTIVITÉ

100 ohms - m V m

100 ohms - m V m

Rm Rm» Rmc

V

a

a à à T.mp. M . «

Î6

C S C H L . P L . _ 929,2 C FOND SCHL _ 9?9 C FOND 4P_ _ . C Élévation _

Figure 11 - Exemple de carottage électrique avec les en-têtes de diagramme donnant les diverses échelles (extrait de R . Desbrandes, [A¿] )

133

3 - AUTRES DIAGRAPHIES DE RESISTIVITE 31 - MICRODIAGRAPHIES II s'agit des micrologs enregistrés par Schlumberger, qui portent d'autres dénominations : minilogs ou contact logs pour d'autres sociétés. Ces diagraphies détaillées donnent finement la succession lithologique et, en raison de leur faible profondeur d'investigation, la résistivité R de la zone lavée par le filtrat, que l'on utilise pour calculer le facteur de formation F. La sonde comporte trois petites électrodes distantes de 1" (= 2,54 cm] encastrées dans un patin isolant appliqué fortement contre la paroi du sondage. On enregistre en même temps : - la micro-inverse, espacement 1" x 1", généralement en trait plein sur le diagramme - la micro-normale, espacement 2", généralement en pointillé - le micro-diamétreur, qui donne le profil du sondage à 1/8" pris fc£^3 mm] jusqu'à 350 mm ; âïï-delà le diamétreur classique va jusqu'à 30 A la descente, sonde fermée (non appliquée sur la paroi] on mesure la résistivité de la boue, ou dans certains cas l'appareil fait des prélèvements de boue à différentes profondeurs, dont le filtrat peut être étudié à la sortie pour mesurer R _. mf Les opérations se font à la remontée. Les valeurs des résistivités sont fortes à très fortes sur les calcaires, faibles sur les argiles, faibles à assez fortes sur les sables selon qu'ils renferment de l'eau salée, de l'eau douce ou de l'huile. Les sables apparaissent généralement bien puisque le cake qui s'y développe sur une grande épaisseur est souligné par l'écart entre microinverse et micro-normale, surtout si R et R sont assez différentes (cf. figure 12]. m w Selon leur degré de consolidation les sables et les argiles apparaissent également au microdlamétreur, par réduction de diamètre dû à l'épaisseur du cake au droit des sables et augmentation au droit des argiles tendres cava&les. L'épaisseur du cake ou t n c (thickness mud cake] est également donnée par le-microdiamétreur au droit des sables. Calcul de la porosité à partir du microlog On calcule la porosité 0 à partir du facteur de formation comme indiqué au chapitre 1 : Rxo a F =

R

mf

=

W

Les valeurs de R , R et R sont mesurées sur échantillons m mf me de boue de filtrat et de cake au laboratoire de chantier. Eventuellement on prend R = R - 0,25 si R ^ 0,13 ohm/m ; si R < 0,13 ohm/m on tire R m m mf m m d'un abaque. De même R m c est tiré d'abaques à partir de Rm, en fonction soit de la température, soit de la densité de la boue.

134

; Marnes ' ~ " non cavies

Sable a Huile

Figure 12 - Résumé schématique des réponses du microlog

Sable J Eau

(extrait de R . Desbrandes, |A5] )

Formation compacte ~

• Marnes — ' . cavies • "..:

SERIE C Abaque d W e c p r é t a h o n PaHn hydraulique l"ype I trou de 2 0 cm (8" Conslruif pour Kis^s _o.

viliUe pour s « n d n R O A iioliil et pour t o n d u

*RSK n W R S N a t r c B o ' U plaque « m e rt.Coonettir ritctrj. otieacnr. celte H culot il braicntwidc

Figure 13 - Abaque pour la détermination de R x t ° u R xo à partir du microlog, (document Schlumberger) (extrait de R . Desbrandes, \A{\ )

135

A partir des lectures de la micro-inverse R " normale R_„ on calcule R,.,, .„/R et R2,,/R

" et de la micro-

Un abaque (figure 13] donne R /R en fonction de ces deux rapports et de l'épaisseur du cake t x me On tire R

mC R xo et l'on calcule facilement F = •=— R mf

32 - DIAGRAPHIES D'INDUCTION Ces diagraphies, qui tendraient à remplacer les logs de résistivité dans le pétrole, consistent è mesurer la conductivité des terrains. Elles ont été créées pour travailler dans les forages effectués sans utilisation d'une boue conductrice, l'huile, l'air, e t c . . On peut les réaliser également avec une boue normale, et les résultats seront meilleurs si la boue n'est pas trop salée : R /R £ 5 La sonde comprend une bobine émettrice d'un champ électromagnétique sinusoïdal qui induit des courants dans les terrains,lesquels "répondent" sur une bobine réceptrice en fonction de leur conductivité. La conductivité est mesurée en millimho/m

= —r—?— . En pratiohm/m que un réciprocateur transforme les conductivités en résistivités, qui sont présentées ainsi sur les logs pour faciliter la comparaison avec les autres logs de résistivité. De la même façon que les espacements des électrodes des sondes de résistivité déterminent la distance d'investigation dans le terrain, il existe des sondes d'induction sensibles aux signaux provenant en particulier d'une distance d_ variable selon les types de sondes, qui portent des symboles tels que 5 F F 27, 5 F F 40, 6 F F 40, etc Les déflexions des logs d'induction sont moins compliquées et moins déformées aux changements de terrain que celles des logs de résistivité; pour des couches d'au moins 2 m d'épaisseur, les limites horizontales entre couches se situeront à mi-hauteur du trait d'entrée ou de retour de la déflexion. Il existe des abaques de correction de l'influence de la colonne de boue, de l'influence des épontes d'une couche, et de l'influence de la zone envahie. A titre d'information, la figure 14 donne un exemple de diagramme avec deux logs d'induction en pointillé et un latérolog en trait plein.

L'unité de conductivité du Système International (SI) est le Siemens (S]= 1 mho/m, dont le sous-multiple, le millisiemens/m = 1 m S /m = 1 millimho/m. (Voir aussi la remarque infrapaginale en 1ère partie page 33 ) .

136 2IL-

LL8 100

1000

Figure 14 - Diagrammes combinés : à gauche PS ; à droite deux logs d'induction 8 FF 32 et 6 FF 40 (en pointillé) ; latérolog LL 8 (en trait plein). (document Schlumberger) (extrait de R . Desbrandes, A5 ).

Figure 15 - Réponses comparées du Latérolog 7 et des diagraphies de résistivité classiques en face d'une couche résistante d'épaisseur h = 10 d (document Schlumberger)

ILd

Nota : il n'y a pas d'invasion et la boue est salée : R = 0,5 o h m - m . Rmf

•L\

K

.0,035

RESISTIVITY 0

25

50

I

I

75

100

125

150

I

I

175

200

225

I

I

250

Rm =.05

Rs = 5. 220-

RT

=

250.

t h= eo"

S.N. LATEROLOG:

0 , 0 2 = 32" • 4 d , A , A 2 « 80"= lOd

IL

0,

o?1 Aï'

Ri -

•

25a

137

Ces courbes d'induction sont le 6 F F 40 et le 8 F F 32 désignés également par ILd [induction log deep] = grande pénétration et ILm, à moyenne pénétration. On remarquera l'échelle logarithmique employée, qui donne davantage de détail dans les faibles valeurs et empêchent les sorties de spot dans les valeurs fortes.

33 - DIAGRAPHIES FOCALISEES : LATEROLOGS ET MICROLATEROLOGS Pour éviter les erreurs de lectures en face des couches minces et celles dues à la salinité de la boue, Schlumberger a sorti les premiers latérologs en 1927. Ces diagraphies s'appellent Guard logs ou Focus logs dans la terminologie d'autres sociétés.

33-1

Les latérologs

Les deux principaux latérologs (LU sont le LL3 et le LL7, les chiffres correspondant au nombre d'électrodes. Il existe aussi LL8. Si l'on considère une électrode cylindrique assez longue pour envoyer le courant dans les terrains, ce courant se répartira selon un ellipsoïde de révolution dont l'axe sera l'électrode et les 2 foyers? les extrémités de celle-ci. Au centre, à mi-distance entre les deux foyers on aura une répartition radiale horizontale des "filets" de courant. Le principe du latérolog consiste à mesurer ces courants centraux focalisés horizontalement vers les terrains situés directement en face. Dans le LL3, l'électrode cylindrique est divisée en 3 parties : la partie centrale A est courte (0,15 m à 0,60 m) en égard des deux autres, A et A (1,50 m] appelées électrodes de garde. On envoie un courant constant en A et l'on maintient égaux les potentiels entre A,.,A et A. en envoyant un courant variable en A. et A . On peut au contraire maintenir à potentiel constant et mesurer les courants variables en A. et A , ce qui donne la conductivité des terrains, présentée sur le log sous forme de résistivité par réciprocateur. Les échelles de présentation des logs sont souvent hybrides ou mixtes . En échelle hybride les divisions donnent 1/R, par exemple : 0,55 125, 215, 333, 500, 750,1 165,2 000,4 500, °° (exemple d'échelle hyperbolique] . En échelle mixte on a une échelle linéaire pour les 5 premières divisions (0, 50, 100, 150, 200, 250] puis une échelle hybride ensuite (333, 500, 750, ..." La figure 15 montre la netteté de définition d'une couche mince avec LL7 comparée aux courbes de résistivité classiques. En conclusion, le latérolog donnera de bien meilleures informations que les logs classiques de résistivité : en couches minces, en boue conductrice, en intercalation couches conductrices - couches résistantes. On obtiendra R correct avec les latérologs si l'invasion n'est pas trop forte : di < 50" (2,50 m]et la zone envahie pas trop résistante : R xo < 3 Rt

138

33-2 Les microiatérologs = trumpet logs = microfocus logs Comme celles des micrologs, les électroiodes des microlatérologs sont encastrées dans un patin isolant appliqué contre la paroi du sondage. Elles comprennent une électrode centrale A entourée de 2 électrodes annulaires M et M dont les potentiels sont maintenus égaux par une 3ème électrode annulaire A qui émet un courant variable. Par suite de l'étalement des lignes de courant en pavillon (de trompette] la mesure porte sur les quelques centimètres de terrain lavé correspondant au centre du cône, soit théoriquement 1,75" (= 43 mm] c'est-àdire la moyenne entre M = 1,5" et M = 2" . Comme pour le latérolog, l'échelle d'enregistrement du microlatérolog est une échelle hybride (cf. fig. 16). La résistivité donnée par le microlatérolog, R , correspond à R si le cake est mince (t < 1/2 " = 12 m m ) . Pour des épaisseurs xo me plus grandes, il existe des abaques de correction de R

xo Le log de proximité (proximity log) est une variante du microlatérolog dont les électrodes annulaires ont un diamètre plus grand, ce qui permet d'obtenir R pratiquement sans influence du cake.

xo

Figure 16 - Exemple de microlatérolog en échelle comprimée, (document Schlumberger) d = 15 c m (611) Boue : densité = 1,4 6 ; viscosité = 57 ; pH=12; perte d'eau = 4 c m 3 / 3 0 mn ; R m = 0, 038 à 89°C (BHT) = (bottom hole temperature) = température de fond de trou (extrait de R . Desbrandes, [AS] )

139

4 - AUTRES DIAGRAPHIES 41 - DIAGRAPHIES NUCLEAIRES 41-1 Généralités A la différence des diagraphies décrites précédemment qui doivent être exécutées en forage découvert, les diagraphies nucléaires sont réalisables en forage tube. Elles consistent à enregistrer le rayonnement naturel des roches ou les modifications d'un rayonnement artificiel produit par une source radio-active descendue dans le forage. Les roches renferment en proportion variable, généralement faible, des éléments radio-actifs, comme le potassium 40, isotope du potassium 39, et des éléments lourds des familles de l'uranium et du thorium. Tandis que les particules a et ß sont peu pénétrantes, l'énergie du rayonnement gamma varie entre 0,1 et 10 millions d'électron-volts, aussi ces particules sont-elles capables de traverser plusieurs centimètres à plusieurs décimètres de terrains avant d'être totalement absorbées.

41-2 Diagraphie de rayonnement gamma = gamma ray L'intensité du rayonnement gamma émis par un terrain est exprimée en unités API ; cette unité API est définie par convention comme 1/200 de la déflexion d'une sonde gamma ray entre deux formations étalons d'un puits artificiel de l'Université de Houston, Texas. Les différentes sociétés du service utilisent des unités différentes dont elles donnent l'équivalence en unités API : Pour Schlumberger, le microgramme de radium équivalent par tonne Lane Wells, l'unité de radiation (L.W. scintillateur) PGAC, un microroentgen/h (PGAC scintillateur) " Me Cullough, un microroentgen/h

=16,5 API = 2,16 " =15,0 " =10,4 "

On a vu en première partie de ce rapport que les roches ont une radioactivité gamma variable qui va de quelques dizaines d'unités API pour les sables et calcaires propres à plusieurs centaines pour les argiles, les plus radio-actives étant les argiles marines de teinte foncée, (voir fig.17]

20

30

40

50

60

70

80

90

1(10

/ j g R a e'q/t Anhydrite Charbon Sel g e m m e Dolomie

_

Calcaire Sable grès

—

Argile lagunaire Argüe marine Potasse

Figure 17 - Teneur des formations en produits radioactifs. (D'après S.J. Pirson)

(extrait de R . Desbrandes, JA5J )

140

En diagraphie gamma, le rayonnement des roches est mesuré par un compteur à scintillation constitué d'un cristal qui émet un photon lumineux lorsqu'il est traversé par un rayon gamma ; l'énergie du photon émis est proportionnelle à celle du rayon gamma. En principe les opérateurs doivent donner un diagramme d'étalonnage de leur sonde en même temps que la diagraphie gamma. Les enregistrements sont influencés par la radio-activité propre de la boue, par le diamètre du puits et par le tubage + épais. La figure 18 schématise ces diverses incidences et les figures 19 a et b sont des abaques de correction de la société Schlumberger. Malgré les corrections possibles, le gamma ray présente une valeur qualitative certaine pour les coupures lithologiques et les corrélations entre forages d'un même secteur, mais son interprétation quantitative reste souvent imprécise.

41-3 Log gamma-gamma = densité Le principe de cet enregistrement consiste à émettre des rayons gamma dans un forage et à les détecter à une certaine distance de l'émetteur, après leur "cheminement" dans le terrain. Lorsque ces rayons pénètrent dans une roche, ils entrent en collision avec les électrons des atomes de matière ; comme le nombre d'atomes d'un matériau est approximativement proportionnel a sa densité les collisions seront d'autant plus nombreuses et le faisceau du rayonnement diffusé d'autant moins intense que la formation rencontrée est plus dense. Par ailleurs les variations de densité d'une roche sont directement liées au volume des vides de celle-ci, donc à sa porosité. Il existe une relation entre la porosité totale [0), la densité de matrice, (celle des grains de la roche) (d ), la densité du fluide intersticiel Cd-p ] et la densité globale (d ) lue sur le diagramme du rayonnement gamma diffusé d - d jn g 0 = - d.

m Le tableau 2 rappelle la densité de matrice des principales roches.

Tableau 2 DENSITÉ DES ROCHES COMPACTES

Anhydrite

2,95

Dolomie Calcite Quartz Kaolinite lllite Montmorillonite

2,85 2.71 2,66 2,63 (') 2,76 (') 2,70 ( ')

Charbon

1 à 1,80

(') Par suite de l'hydratation ces chiffres peuvent être notablement plus faibles dans les formations.

(extrait de R . Desbrandes, [À5J )

141

| tubage T

O S

"-g ni

DIAMEJK aisamviE EH toxrs | , , , . | , . , . | 10

I!

boue tl m-ciment

Ois. »end. —¥•

f Dis. Sond. i

/ •

\

Figure 18 - Effet du sondage sur la radioactivité naturelle apparente, (document Schlumberger)

extrait de R . Desbrandes, [A5j )

142

12.5

15

17.5

20

¿7,i As

M (rout *n cm

Figure 19 a - Abaque de correction du gamma ray pour le diamètre du sondage, (document Schlumberger)

épaisseur du ciment (cot)

20°

2,S 5 7.5 10 12.5 15 17.5 épaisseur Je houe (cm)

Figure 19 b - Abaque de correction du gamma ray pour la boue, le tubage et le ciment, (document Schlumberger) (figures extraites de R . Desbrandes, A5 ) Pour 19a : entrer en abscisse par le diamètre du sondage, puis monter verticalement jusqu'à la courbe de densité de la boue. lire le rapport en ordonnée. Pour 19b : la ligne fléchée donne le cheminement : en bas à droite entrer par l'épaisseur du cake, puis densité de la boue, épaisseur du tubage, épaisseur du ciment.

143

La figure 20 donne la réponse d'une sonde gamma-gamma [en coups par seconde] en fonction de la densité de la roche, et l'abaque figure 20 permet de corriger éventuellement l'influence du cake -, l'exemple montre qu'avec 6 mm de cake la densité passe de 2,25 à 2,18 dans la réalité. L'abaque figure 21 indique que le grès correspondant à dg = 2,18 aurait une porosité de 29 % au lieu de 24 % pour d g = 2,25. Un appareil à deux détecteurs, situés à des distances différentes de l'émetteur permet d'éviter la correction due au cake : c'est la sonde de densité compensée à double espacement [dual spacing formation density] qui donne directement la densité de la formation.

Figure 20 a - Réponse schématique d'une sonde gamma-gamma.

Figure 20 b - Abaque de corrections pour le dépôt de boue (densité 1,5). (document A.F.T. P.) 12 mm

6mm

\\ \

w

Figure 21 - Relation entre la porosité et la densité globale de différentes roches poreuses, (document A . F . T . P . )

1\ \

ww \

20

Zf

2,2 2,J 2,4

tfi

2,« 2,7 2,8 2,9 iji

(figures extraites de R . Desbrandes, [A5] )

; 144

La figure 22 donne un exemple de diagramme corrigé automatiquement, la correction due au cake étant elle-même enregistrée en même temps à droite. La figure 23 représente un log gamma-gamma classique montrant une bonne correlation avec les valeurs de porosités mesurées sur carotte

fie. densité

-

6AMMA -GAMMA Impulsions/Seconde

SONDAGE B

COURBE IPS POROSITÉ Moyenne M o y . %

POROSITÉ % 0

rliamèlreur

3.0

500 450

10

»

2.5

u

= 1,27

o Porosité densiCé •Poros/éê carottes i

Figure 22 - Exemple de diagraphie g a m m a - g a m m a compensée, (document A . I . M . E . )

Figure 23 - Corrélation porosité carotte et porosité déterminée à partir du g a m m a - g a m m a (document A . F . T . P . )

(figures extraites de R . Desbrandes, [A5] )

'-L 1 4 5

41-4 Diagraphies de neutrons Le principe de ces diagraphies repose sur le."bombardement" du terrain à partir d'une source émettrice de neutrons rapides,du béryllium-plutonium généralement. Par suite des collisions dans les roches, ces neutrons sont de plus en plus ralentis, principalement par les noyaux d'atomes d'hydrogène de même masse, pour devenir des neutrons lents, puis épithermiques, et enfin thermiques après capture, qui s'accompagne de l'émission de rayons gamma. On pourra donc utiliser plusieurs types de détecteurs pour ces différents stades, c'est-à-dire des détecteurs de neutrons lents, de neutrons épithermiques ou de gamma de capture. Dans tous les cas la valeur obtenue sera fonction de la teneur en hydrogène du terrain, donc essentiellement de sa teneur en eau et en hydrocarbures. La totalité de l'eau interviendra dans la réponse, qu'elle soit libre, pelliculaire, adsorbée ou de constitution ¡ la porosité déduite du résultat sera supérieure à la porosité efficace,et même à la porosité totale déterminée à l'étuve, pour l'argile et le gypse par exemple (cf.J 5221]. L'étalonnage des diagrammes de gamma de capture varie selon les opérateurs et l'API a défini une unité-neutron conventionnelle ; la Société Schlumberger par exemple utilise le coup par seconde standard (c.p.s.) qui vaut 3,85 unités API. Les sociétés éditent des abaques correspondant à leur appareillage pour traduire les valeurs lues sur les diagrammes en porosités. Si les logs, qui se présentent grossièrement comme l'image du gamma ray dans un miroir, donnent une définition lithologique assez fine, leur interprétation quantitative en porosité n'est pas toujours très précise. La mesure est meilleure dans un trou non tube, mais il faut tenir compte de plusieurs causes possibles de perturbations : le diamètre du forage, le centrage de la sonde, la nature de la boue, la température, la présence de chlore. Neutron épithermique de paroi = (Side wall neutron] . Dans ce type de log, appelé.encore neutron-neutron, puisqu'on détecte les neutrons épithermiques, on utilise une source et un compteur incorporés dans un patin appliqué contre la paroi en trou ouvert, vide ou plein de boue. Les perturbations indiquées plus haut dans le log neutron classique, diamètre, centrage, etc.... sont donc supprimées ou corrigées automatiquement. Le diagramme est exprimé directement en porosité, dans une échelle que l'on choisit sur le tableau de commande en fonction de la roche diagraphiée : selon les cas on affichera l'échelle de porosité du calcaire, celle de la dolomie, celle du sable, etc.... En même temps on enregistre un log de densité compensée, qui donne la densité vraie des différentes roches traversées par le forage. A partir de ces deux diagrammes on sera donc en mesure de calculer la porosité réelle de la roche. Dans des terrains imprégnés d'eau, la porosité neutron, qui reflète la proportion des atomes d'hydrogène, donc de l'eau essentiellement, est généralement surévaluée ; en effet l'eau de constitution des molécules d'argile ou des évaporites, l'eau intercristalline, absorbée e t c . . intervient au même titre que l'eau libre. La porosité neutron est donc assez représentative dans les formations propres saturées ; lorsque les terrains contiennent de l'argile, ce qui est très fréquent, il faut faire une correction assez compliquée, et nous verrons cette question des terrains argileux au chapitre 5.

146

41-5 Autres diagraphies de rayonnement Elles seront seulement désignées pour mémoire puisque la plupart d'entre elles sont encore au stade de recherche ; il s'agit : - de la spectrométrie du rayonnement gamma de capture ou chlorinolog ; dans une zone à huile et eau salée ce log indique la présence du chlore, donc son absence en face de l'huile non mélangée d'eau salée. - du log de temps de relaxation neutronique, qui remplacerait le chlorinolog pour déterminer la saturation en eau S dans les gisements d'huile, en formations peu argileuses. Elle est réalisable après tubage. - de la diagraphie d'activation neutronique : on "active" certains atomes du terrain : silicium, aluminium, etc... . polir connaître leur teneur. - diagraphie de fluorescence nucléaire résonnante : pour identifier également certains atomes du terrain. - les diagraphies de fluorescence X, de diffusion X, de diffraction X serviraient aussi à identifier les formations. - les diagraphies de résonnance magnétique nucléaire seraient intéressantes en hydrogéologie pour connaître la nature du fluide de formation et la proportion de fluide libre, c'est-à-dire susceptible de s'écouler [cf. 1ère partie).

42 - DIAGRAPHIES SONIQUES Ce type de diagraphies consiste à déterminer les vitesses de propagation des vibrations élastiques dans les roches. Les vibrations longitu dinales dans les roches se propagent à des vitesses comprises entre 3 000 et 8 000 m/seconde et les vibrations transversales à des vitesses de 1 500 à 4 000 m/seconde ¡ les vibrations transversales ne se transmettent pas dans les fluides. On peut également caractériser ces propriétés de transmission des solides et des fluides par le temps de parcours At =~r, ; ainsi pour une dolomie dont la vitesse longitudinale V. = 7 000 m/seconde, on trouve At = 1/7 000 = 143 x 10 seconde par mètre ; [micro-seconde par mètre). Le tableau 3 donne V en m/s et en pied/s et At en micro-seconde par mètre ou par pied de quelques terrains et matériaux. Dans une roche poreuse cimentée, on suppose que le temps de parcours d'une vibration est la moyenne volumétrique des temps de parcours dans la matrice et dans le fluide intersticiel remplissant les vides. En désignant par : At At At

m

: le temps de parcours dans la matrice, : " : "

"

"

"

"

"

"

la formule de Wyllie donne : Atn =0 lu

At_ + (1 - 0) At f m

"

le fluide intersticiel.

donné par la roche poreuse,

147

Tableau 3

Vitesses longitudinales (V^) et temps de parcours (At) en divers terrains et matériaux

Air 0 °C, p. atm Méthane 0 °C, p. atm . . . Eau-boue Huile Argile Grès Calcaire Dolomie Anhydrite Sel Gneiss Ciment (forage) Acier (tubage

330 442 1 530-1 620 1 300 I 830-2 440 2 000-4 700 2 600-7 100 3 000-7 900 6 100-6 200 4 580 5 000 3 500 5 000-5 400

At

At

i

(pied/s)

((jis/m)

(us/pied)

! : '

l 000 I 450 5 000-5 300 4 250 6 000-8 000 6 500-15 500 8 500-23 000 9 800-26 000 20 000-21 000 15000 16 500 11 500 16 500-17 500

3 000 2 260 655-620 770 548-410 500-212 384-141 333-126 164-161 218 200 286 185-195

910 690 200-190 235 167-115 150-65 120-43 100-38 50-49 66 61 87 57-60

(extrait de R . Desbrandes,

! 1 i

148

matrice et V

De même, si l'on part des vitesses longitudinales : V dans le fluide, on écrira :

'lue

0

1-0

f

m

dans la

L'opération consiste à utiliser un émetteur magnétique excité par impulsions électriques, qui envoie un train d'ondes dans le terrain : théoriquement le récepteur, situé à une certaine distance de l'émetteur, captera les ondes de sortie, dont il sera possible de déterminer le temps de parcours. Avec un appareil à deux récepteurs, à distances variables de 1'émetteur,on connaîtra les différences de temps de parcours d'un même signal pour corriger l'effet des trajets obliques dans la boue. Dans la pratique on travaille avec un appareil compensé pour le trou de sonde de diamètre variable (Bore hole compensated = BHC) et en même temps il y a correction de l'inclinaison éventuelle de la sonde. L'appareil comprend quatre récepteurs qui enregistrent les ondes envoyées alternativement par deux émetteurs. La distance émetteur-récepteur, ou espacement, est de 0,90 m, et la distance entre récepteurs, ou écartement varie entre 0,30 m et 0,90 m. On obtiendra la vitesse réelle dans la formation si la couche a une épaisseur au moins égale à la valeur de 1'écartement, et la zone intéressée par la mesure est la zone lavée à la périphérie immédiate du trou. Logiquement, on devrait interpréter les mesures en tenant compte de la pression de la matrice = pression d'étreinte f P_^ et de la pression du fluide intersticiel (Pi] qui sont importantes en profondeur. En fait ces pressions ne sont pas prises en compte, non plus que l'influence de la température, ce qui donne une valeur approximative aux résultats. Pour l'interprétation des diagrammes, on distinguera : a] les formations consolidées ou bien compactées dans lesquelles V > 5 500m/s ou At < 182 micro-secondes/m(=55,5 micro-sec./pied) b) les formations meubles ou peu compactées dont V < 5 500 m/s ou At > 182 micro.sec./m(> 55,5 micro-sec./pied). a) Formations consolidées^ La vitesse lue, dépend assez peu de de la pression d'étreinte P_ et l'on peut appliquer la formule de Wyllie : At. = 0 At. = 0 At. + (1-0) At , ou encore lu lu f m

0 =

At.

- At

i ü H l

At. f

At

m

L'abaque figure 24 permet d'obtenir 0 en fonction de At différentes roches, dont At est connu, avec At„ =1 600 m/s. m f

pour u

149

70

80

90

100

HO

120

130

TEMPS DE PARCOURS EN /is/0.305 m (PIED)

Figure 24 - Abaque de porosité en fonction du temps de parcours des ondes longitudinales, (document Schlumberger) (extrait de R . Desbrandes, \_As\ ) Nota : D'après3 Schlumberger (1972) les vitesses maximales Vma et temps de parcours correspondants sont les suivants : Vma(ft/sec) Dolomies Calcaires Grès

•SX

23 000 à 26000 21 000 à 23000 18 000 à 19500

\ ma (Vsec) 7 000 à 8 000 6 400 à 7 000 5 500 à 5 950

Atm (jxsec/it)

Atm (yUsec/m)

43, 5 à 38 5 47, 6 à 43 5 55, 5 à 51 2

143 à 126 156 à 143 182 à 168

Pour les sables peu compactés m ê m e profonds, utiliser l'une des droites c Atsh = 100 (= V m = 5 500 m / s ) , cAtsh = 110, 120, etc. On choisira c Atsh d'après Atsh lu en face d'une couche d'argile voisine des sables étudiés., A tsh étant le temps de parcours dans l'argile.

150

Le tableau 4 fournit les valeurs de V , V f , At m , At f , pour un calcul direct ou pour préparer d'autres abaques du type de celui de la figure 24. Sur un log sonique, on pourra lire les valeurs de At en zone compacte, qui seront par ailleurs indiquées par les fortes valeurs des logs neutron, microlog ou microlatérolog. De même, dans les zones certainement aquifères, dont les résistivités donneront R , on déduira 0 par la relation : 1 _ o , avec

°

1 0

W

A partir de 0 on retrouvera At naissant At, et At„. lu f

= R

par la formule de Wyllie, con-

Si le terrain consolidé contient de l'argile, celle-ci est, soit disséminée au sein de la matrice rocheuse, soit sous forme de couches minces alternant avec des couches de roche poreuse propre. Pour l'argile disséminée, la porosité sonique 0„ = 0 + p, avec 0 = porosité réelle, et p = pourcentage volumétriqus des argiles dans le terrain. Pour l'argile en couches minces : At

avec At

sh

- At

temps de parcours dans l'argile [shale) ; At , - At n i sh m (cf.0 522) On pose K = -r— s

At „

At

m

Tableau 4 1

FORMATION

Dolomie Calcaire Grès Sable

...

PROFONDEURS

(m) 0 à 1 000 m

1 000 à 2 000 m . 2 000 à 3 000 m . 3 000 à 4 000 m .

:

ym (m/s)

(as/m)

(as'pied)

7000 6 400 5 950 5 500

143 156 168 182

43.5 47,5 51 56

(m/s)

At, (as/m)

(as pied)

625 570 525 465

190 174 160 142

1 600 1 750 1 900 2 150

!

Vitesses de matrice (Vm) et temps de parcours Atmd e quelques roches ; vitesses (Vf) et temps de parcours At f dans un fluide en fonction de la profondeur. (extrait de R. Desbrandes, [A5J )

151

b)

formations meubles_ou_peu_comgactées_£

- Dans les sables propres on utilise l'abaque figure 24 avec un coefficient C local, dépendant de la valeur de At qui peut être lue sur les diagraphies en face des zones argileuses. - Dans les sables argileux, on lit la porosité sonique 0 comme pour le sable propre. De la P . S , on tire un coefficient de réduction a : P PS P SS

_

pseudo PS PS statique

ensuite on prend 0 = 0 x

Une diagraphie sonique, continuée avec d'autres logs est reproduite sur la figure 2 5 , à titre d'exemple. Les temps de parcours y sont e x primés, comme très généralement,en micro-secondes par pied. Dans la colonne "Résistivité" 1, 2 , 3 , etc . . . . 0 est calculé à partir des temps de parcours en utilisant l'abaque figure 24 avec C At = 100 = droite des grès à 5 500 m/seconde.

Figure 25 - Exemple de log sonique combiné avec PS, petite normale et log d'induction 5 FF 40 Rmf = 0,25 o h m / m diamètre du sondage 6" 7/8 = 17,5 cm Rw =0,06 ohm/m C^tsh = 100 (document Schlumberger) (extrait de R. Desbrandes, JA5] )

152

43 - DIAGRAPHIES ACOUSTIQUES Tandis qu'en diagraphie sonique on enregistre les vitesses de propagation des ondes dans le terrain, en diagraphie acoustique on enregistre les variations d'amplitude de ces mêmes ondes sonores. La première et principale application des logs acoustiques est la diagraphie d'adhérence du ciment [= cement bond log = CBL) pour vérifier le remplissage complet de l'espace annulaire entre tubage et terrain déjà évoquée en 1ère partie. La figure 26 montre des exemples de signaux enregistrés selon la qualité de la gaine de ciment.

[ : ^=

•i

M M

< 111

5038

>

un

AA

M-

1

.i AA

I

Figure 26 -

•

1

•

mi

un

• •

5106' Mil

"ii

ak A ñ A L

IT»

\M¡ 11 M

Íffil • i 1 i 11 i

5146

Diagrammes d'adhérence du ciment (cement bond logs)

a) en haut : pas de ciment ; en bas : bonne cimentation b) haut et bas : mauvaise cimentation (extrait de R . Desbrandes.

153

On peut décomposer schématiquement ces diagrammes de gauche à droite en 3 parties. Par exemple, en haut et à gauche les diagrammes reçus en tubage non cimenté montrent : - un palier de temps de deux divisions entre l'émission et l'arrivée du signal de réception - sur les trois divisions suivantes, le signal reçu présente une grande amplitude, l'onde n'étant pas atténuée par la gaine de boue - entre la 5ème et la 10ème division l'onde s'atténue progressivement dans le terrain. En bas à gauche, les diagrammes sont du même type au début et à la fin, mais il y a une forte atténuation d'amplitude due au ciment sur les divisions 3 à 5. En bas à droite l'atténuation d'amplitude du ciment n'est que partielle. Enfin en haut à droite l'atténuation est bonne au début puis la formation séparée de la gaine de ciment "répond" mal. Dans la pratique l'amplitude est "traduite" en potentiel et exprimée en millivolts; une bonne cimentation amènera la courbe à 1 à 2 millivolts, et celle-ci augmentera à 20 ou 30 millivolts au droit des zones non ou incomplètement cimentées. L'interprétation n'est pas toujours aussi simple et les potentiels faibles au droit des horizons mal cimentés ou forts au droit de ceux qui sont correctement cimentés sont dans certains cas imputés à un mauvais centrage de la sonde. Les opérateurs signalent également des absences d'atténuation en face des terrains très denses et compacts qui ont des vitesses de formation très élevées. Ce log très utile ne donne donc pas la certitude absolue. Le C B L est souvent complété par le V D L ( = variable density log] = diagraphie en densité variable qui se présente sur film photographique comme un micro-sismogramme pour visualiser les joints de tubages, la gaine de ciment, les fractures verticales ou horizontales, etc.... (cf.col 6, à gauche de la figure 27). Le terme "densité variable" indique que l'intensité des taches portées sur le film est fonction de la valeur de l'amplitude des ondes de l'oscilloscope. En diagraphie d'amplitude sonique, on a envisagé de comparer les réponses des ondes transversales en plus de celles des ondes longitudinales données par le C B L. En laboratoire, on a constaté qu'en face d'une petite fissure l'atténuation de l'onde transversale apparaissait en début de réponse tandis qu'il n'y avait pas d'atténuation de l'onde longitudinale. Ensuite on constate une atténuation de l'amplitude maximale en face de la fissure par rapport à celle que l'on enregistre en face de la roche compacte. C'est en définitive la comparaison des valeurs d'amplitude du début de l'onde longitudinale (ou compressionnelle) et d'amplitude maximale à une certaine distance qui est retenue sur le chantier. La figure 27 montre, en colonne 4, un log d'amplitude compressionnelle (en pointillé) et d'onde transverse (trait plein). La colonne 3 donne le log d'amplitude maximale à une distance de 3'.

154

AMPL. MAX. ESPACEMENT 3

DIAG. DE PERIOD CAL. SONIQUE

+ 20 0

M M CD CD

Figure 27 -

DIFF.

ESPACEMENT 3'

- 20 us

T) CD

Diagraphie composée représentant les différents types de diagraphies acoustiques, (document A . I . M . E . )

(extrait de R . Desbrandes, [A5] )

155

Enfin la figure 27 comporte en outre : - en colonne 1, le log de période sonique qui donne la durée (en micro-secondes) de la première onde reçue, qui pourrait caractériser la présence de fractures selon P G A C - en colonne 2 le diamétreur (caliper) sonique différentiel qui accuse les écarts entre diamètre théorique et diamètre réel du trou, donc les rugosités liées souvent aux fractures - en colonne 5, on retrouve le log sonique classique à un récepteur et en pointillé le B H C (Bore hole compensated) = log sonique compensé pour le trou, à 2 émetteurs et 4 récepteurs. Signalons en conclusion, que selon les praticiens, bon nombre de diagraphies acoustiques devraient disparaître pour laisser la place à quelques logs éprouvés seulement dans l'avenir.

156

5 - CARACTERISTIQUES DES AQUIFERES A PARTIR DES DIAGRAPHIES Après la présentation des principales diagraphies utilisables en forages d'eau ce dernier chapitre résume ce que 1'hydrogéologue peut en attendre pour calculer ou estimer au mieux certains paramètres de l'eau et du terrain afin d'apprécier les zones favorables aux captages. Ce rappel concerne d'abord l'interprétation en terrain propre, c'est-à-dire sans argile, puis il traite des formations argileuses, qui sont en réalité très fréquentes dans le sous-sol.

51 - PARAMETRES DETERMINABLES EN TERRAIN PROPRE 51-1 Résistivité de l'eau de formation : A] A partir de la P.S on obtient la résistivité de l'eau équivalente, R ; on en tire R en fonction du faciès hydrochimique de l'eau connu dans la région d'après l'abaque figure 60, en 1ère partie. Voici la formule reliant R à la P.S : we P.S.S -

-

K log we

Rappels = 1] voir les corrections éventuelles de P.S, abaque figure 5. 2] si la mesure de résistivité du filtrat : R $ 0,13 ohm/m, mf R = R „ . S i R „ < 0 , 1 3 ohm/m faire la correction de R mfe mf mf mfe B) A partir de la P.S on peut également écrire : P.S.S = - K log

[a)w [a)mf

En dosant Na, et Ca + Mg sur le filtrat, on peut calculer l'ac tivité du filtrat (a)mf (cf. fig. 4 en 2ème partie]. On calcule alors facilement (a)w, et par définition, R = 0,075/(a]w à 25°C. we C) A partir du facteur de formation F. On sait que dans une roche propre sa turée d'eau F = R /R ou R = R /F.

o

w

wo

F est lié à la porosité de la roche par une relation du type : -]

F = -^y- (ou par une relation assez proche indiquée figure 15. On obtient R par les diagraphies de résistivité suffisamment pénétrantes, la sonde latérale, l'induction ou le latérolog, et 0 par l'un des logs de porosité comme rappelé plus bas. Une autre méthode pour obtenir R est indiquée au sous-chapiir dde f la résistivité des argiles R tre 52 à partir et de leur porosité 0

.

(cf § 524).

SM

51-2 Porosité des roches propres 0 A) Utilisation des diagraphies électriques 1) Dans une formation saturée d'eau on prend la formule déjà vue : R F = _° = a Rw W

157

II faut connaître R d'après la sonde latérale, l'induction ou le latérolog et calculer R d'après la P.S. Pour les valeurs de a et de m on consultera le tableau 5 ou l'abaque figure 1. R VQ

2) On peut également partir du rapport - — en lisant R de la zone mf envahie sur la petite normale, le microlog ou le microlatérolog. R _ est mesurée sur le filtrat. Comme dans la formule ci-dessus : R xo

Rmf. ~ F

_ a

W

B) Utilisation du log neutron B1 - Le log neutron est enregistré sur une échelle conventionnelle variable selon les opérateurs, qui fournissent des abaques de conversion des rayons gamma de capture en porosité neutron 0 N B2 - Avec le neutron épithermique de paroi les diagrammes sont gradués directement en 0 dans un registre choisi, le calcaire par exemple, et la transcription dans un centre registre est faite par comparaison avec le log de densité compensée qui donne la densité vraie. C) Utilisation du log gamma-gamma La porosité 0 dépend de la densité de la roche ; cette densité est donnée directement par la sonde compensée, et l'on détermine la porosité en fonction de la nature de la roche (voir figures 20 à 23). D) Utilisation du log sonique La porosité sonique 0 est liée au temps de parcours At d'une situation dans la roche aquifère. Ce temps de parcours global lu sur le diagramme (At lu) dépend du temps de parcours Atf dans le fluide qui remplit les vides représentant la porosité 0, et du temps de parcours At dans la matrice de la roche, dont le volume est 1 - 0 : Atn = 0 At_ + (1-0) At , ou encore lu f m A t l u - At m 0„ = —T-r rr— S At_ - At f m

(formule de Wyllie)

La sonde compensée donne des valeurs At lues beaucoup plus exactes en face des différentes roches. L'abaque figure 24 fournit la porosité sonique de différentes roches ; pour les sables renfermant de l'argile il faut utiliser l'une des droites C At à condition d'avoir l'expérience régionale de cette valeur.

51-3 Porosité vacuoiaire des roches Pour distinguer la porosité en grand de la porosité en petit on peut comparer les résultats obtenus en diagraphies gamma-gamma et sonique. Le log gamma-gamma densité traduit en effet la porosité totale, c'est-à-dire les vides entre les cristaux, entre les grains ainsi que les cavités de dissolution. En revanche le log sonique est essentiellement sensible aux vides intercristallins et intergranulaires mais pas aux vacuoles. Le report des porosités densité (0D) en fonction des temps de par-

158

cours (At ) du log sonique sur un abaque du type indiqué par la figure 28, montre un groupement des points en deux plages A et B.

Tableau 5

(extrait de R . Desbrandes, [A5] )

FORMATION

a

Sable non consolidé Grès Calcaire Dolomie

\ 1 1 1

m 1,3 à 1,6 1,8 à 2,0 2,0 2,2

Valeur de a et de m pour le calcul du facteur de formation F = R Q / R W

60

70 At

=

m

80 /J s/pied

Figure 28 - Identification des zones vacuolaires. (d'après document Schlumberger) (extrait de R . Desbrandes, j~A5] )

159

En A, les points se situent entre deux droites de vitesse 6900 et 7400 m/s, qui correspondent à un calcaire dolomitique non vacuolaire. En B, les 6 points proviennent des " réponses" obtenues en face des mêmes calcaires comportant des petites cavités. Par exemple, le point M montre une porosité totale 0 R = 16 % qui représente la somme des vides intergranulaires, et des vacuoles. En l'absence de vacuoles on aurait sa porosité sonique 0 sur la verticale de N, approximativement au milieu des deux droites, soif 0 = 11 % pour les microvides. Par différence on trouve les vides vacuolaires : 16 h - 11 %

=

5 %

L'identification des zones vacuolaires ou fracturées en particulier dans les zones calcaires est possible à partir de plusieurs diagraphies : - la P.S. présente de nombreux pics en face des interlits aquifères ou des cavités dans la masse du calcaire - les diagraphies focalisées et microdiagraphies de résistivité LL, ML, MLL soulignent les intervalles de faible résistivité en face des pics de P.S - sur le log sonique on observe des cycles manques, c'est-à-dire des augmentations brusques de At, au droit des cavités où l'énergie sonique est fortement atténuée. En outre, comme signalé plus haut, 0 est inférieure à 0 dans ces zones vacuolaires. - sur les logs acoustiques il y a atténuation du microsonique au droit des fractures et apparition de figures en W sur le microsismogramme. Lorsqu'on examine la zone d'invasion au droit des fissures, on peut éventuellement distinguer les vacuoles interconnectées des cavités isolées. Dans le premier cas la zone d'invasion plus étendue donne des valeurs de résistivités voisines avec les microsondes ML, MLL, et, avec la petite normale ou le latérolog ; en vacuoles isolées au contraire les résistivités des microsondes seront différentes de celles des sondes pénétrantes. Un exemple de calcul du pourcentage de la porosité totale 0 par les vacuoles est donné ci-après à partir des deux équations :

R~. ti

v0t R „ mf

. 1-v0t R ro

dans lesquelles : R R Rro v

' =

1 R, fo

résistivité filtrat = résistivité saturée par = résistivité

v0t R w

+

occupé

1-v0t R ro

de la roche vacuolaire envahie par le de la roche vacuolaire non envahie, mais l'eau de formation de la roche poreuse saturée d'eau

= porosité des vacuoles 0

/ porosité totale 0t

V3C

(0 R

=

vac

/0t)

résistivité de l'eau de formation et R = résistimf vité du filtrat.

160

Les logs de résistivité ; petite Normale, latérale, et microlog indiquent des résistivités proches dans un horizon aquifère salé, on en déduit que les fractures sont connectées. Avec : R „ (mesuré) = 0,8 ohm/m ; R

rriT

w

(d'après P.S) = 0,18 ohm/m

0t (d'après le log neutron) = 0,3 = 30 %

On lit :

R

sur la petite normale = 6 ohms/m

R n sur la sonde latérale = 2 ohms/m, fo Ces valeurs reportées dans les deux équations ci-dessus donnent 2 6

=

vxO,3 0,B

Gn trouve

+ +

1-0,3v R ro v

=

;

26 %

J_ = vxO,3 2 0,18

et

+ +

R

1-0,3v R ro =13,5

ohm/m

ro

51-4 Perméabilité des terrains Les diagraphies donnent surtout des informations qualitatives sur la perméabilité : la P.S, le microlog, les logs neutron, gamma-gamma, sonique indiquent la porosité et d'après la matrice de la roche, précisée par le diamétreur pour les sables et terrains cavables, on peut délimiter les couches perméables ; dans les formations propres à forte porosité la perméabilité sera normalement élevée. Le degré d'invasion d'une couche poreuse par le filtrat sera également un indice de la perméabilité. Cette invasion apparaîtra sur les courbes de résistivité plus ou moins pénétrantes : selon l'espacement des électrodes de mesure on lira les résistivités des zones, lavée, envahie et vierge. Le log de résonance magnétique nucléaire, qui donne l'eau libre du terrain est celui qui fournirait la meilleure approche de la perméabilité. Des recherches sont en cours pour mettre au point un bon outil de diagraphie capable de traduire correctement la perméabilité.

52 - ETUDE DES FORMATIONS ARGILEUSES 52-1 Généralités Les roches argileuses : argilites, marnes, schistes etc.... existent dans le sous-sol sous deux présentations différentes : - en couches bien individualisées épaisses ou très épaisses, qui constituent les épontes des réservoirs ; elles offrent sous cette forme peu d'intérêt pour le géologue et le géophysicien qui cherchent à définir la présence et les caractéristiques des couches emmagasinant de l'eau ou de l'huile exploitables

161

- en couches minces (ou laminations) alternant avec des formations poreuses propres renfermant des fluides récupérables, ou encore disséminée en proportion variable entre les grains de quartz des sables et des grès. Ces magasins partiellement argileux sont très fréquents ; on utilisera les diagraphies pour évaluer leur teneur en argile et comme sur les formations' propres, pour déterminer leur porosité et la résistivité de leur eau. Les laminations apparaissent bien sur les microdiagraphies où elles se traduisent par une séquence de faibles résistivités R ., dues à l'argile, alternant avec les résistivités plus fortes des sables aquifères, R , dans la zone envahie, xo Si l'épaisseur des couches est suffisante, les alternances sableargile donnent une P.S en dents de scie avec réduction d'amplitude de la déflexion en face des sables où l'on a une pseudo-P.S = P.P.S. La véritable P.S statique P.S.S peut être lue sur un horizon sableux propre plus épais renfermant la mime eau et l'on peut alors calculer le coefficient de réduction a de la P.P.S qui est : P.P.S . Eventuellement la P.S.S sera calcua

~ P.s.s

lée, si l'on connaît la résistivité de l'eau de formation R , à partir de l'équation : R P.S.S = - K log

we L'argile disséminé dans le sable entraîne une diminution de sa P.S, mais n'apparaît évidemment pas sur les microdiagraphies. A défaut de P.S, nous verrons plus loin que les diagraphies de porosité, telles que le neutron, le gamma-gamma et le sonique, permettent l'évaluation de la teneur en argile. L'argile dispersée dans le sable est moins compactée que celle des couches individualisés et des laminations. On admet que par rapport à la résistivité R , de l'argile en couche, la résistivité de l'argile disséminée R est plus faible, c R

c

= 0,4 R , d'une couche compacte voisine. Dans la zone envahie par le filsh R

trat on aura :

R . ci

=

R

c

•=— R w

52-2 Porosité et teneur en argile d'un réservoir sabio-argiieux 52-2-1- Porosité_et_teneur_en_eau La teneur en eau d'une roche argileuse diffère de celle des autres roches du fait que les minéraux argileux renferment une proportion notable d'eau de constitution. Ainsi des argiles anhydres, c'est-à-dire déshydratées à l'étuve à 110°C contiennent encore 5 % d'eau en volume pour l'illite et la montmorillonite et 14 % pour la Kaolinite. A l'état hydraté la porosité 0 . d'une argile s'exprime par le rapport du volume d'eau emmagasinée (et éliminable à l'étuve] au volume total V de la roche hydratée : V = volume de l'argile anhydre + volume d'eau emmagasinée (correspondant à 0 ) . Cette porosité 0 . dépend de la compacsn sn tion de la roche, donc de la pression des couches sus-jacentes. Chilingar a établi un abaque représentatif de la porosité des argiles en fonction de la pression (voir fig. 2 9 ) .

162

i _ vd d'eau libre » adsorb»? * vol.tafoI P . prrman appliquée sur rargile

10 1

P MPt

1C»

Figure 29 - Relation porosité-pression de compaction des argiles saturées d'eau distillée, (d'après Chilingar)

(extrait de R . Desbrandes, [A5j )

163

Pour imager ce qu'est la porosité d'un terrain argileux, rappelons les diverses composantes d'un échantillon de grès argileux aquifère de volume V. Cet échantillon est decomposable en deux parties : 1] grès propre + eau intersticielle 2) argile déshydratée + eau liée à l'argile Si la deuxième partie représente un pourcentage p de V, les géophysiciens admettent par convention que l'argile désydratée représentera la moitié de p et l'eau liée à l'argile l'autre moitié. L'échantillon de grès se décomposera par exemple en : 1] = 0,76 V = 0,6 V de grès propre + 0,16 V d'eau intersticielle 2) = 0,24 V = p = 0,12 d'argile déshydratée + 0,12 d'eau liée à l'argile. Sur un échantillon de carotte de ce grès desséché à l'étuve à 110°C on éliminera 0,16 + 0,12 = 0,28 V d'ëau ; la porosité totale 0t = 28 % comprend la porosité du grès qui nous intéresse : 0 = 16 % + la porosité de l'argile 0 = 12 % ; 0t déterminé sur carotte est donc supérieure à la porosité effective 0 , appelée parfois porosité utile.

52-2-2- Porosité_et_teneur_en_argi2e_a_gartir_des_^ogs_de_P1S_et_résistivité Dans un aquifère sableux avec laminations d'argile, on utilisera les symboles suivants : R

=

résistivité globale du terrain, qui résultera de :

R , =

résistivité du sable propre

R

=

résistivité des argiles

p

=

pourcentage volumétrique des argiles dans le terrain. On peut écrire l'équation : R. = pR . + (1-p)R . t sh sb En appelant F

le facteur de formation des sables propres on a par

ailleurs : R .= F

x R

; en remplaçant R .par sa valeur dans l'équation ci-

dessus il vient : R. = vpR . + (1-p)F x R H t sh s w De même, dans la zone envahie par le filtrat on pourra écrire : R

xo

- pR , + (1-p) F x R . sh s mf

164 On pourra calculer la teneur en argile p du terrain par comparaison de la P.S.S et de la P.P.S d'après le facteur de réduction P.P.S a =

PTSTS

On obtient la P.S.S du sable propre de deux façons : R , P.S.S = - K log ^ W

ou

R P.S.S = - K log ^ ° t

De même en tenant compte de a on peut écrire : R R , P.P.S = - a K log -^- ou P.P.S = - a K log ^K. K K K t W L'étude d'une série de diagrammes dans des sables argileux saturés d'eau a montré que : R P.P.S = - K log ^ , avec K O

R

= résistivité de la zone lavée de la formation

xo

R o

= résistivité de la formation saturée d'eau La teneur en argile p dans le sable correspond à R

p

=

sh

F Txo "

Par ailleurs on pourra obtenir la porosité effective 0 _ du sable argileux en utilisant l'abaque figure 30 qui suppose la connaissance de R R

t'

R

mf

et

,

*'

52-2-3- Porosité à partir des logs neutron, sonique et gamma-gamma Rappelons qu'en terrains mixtes, sable + argile, la porosité neutron 0 N est la somme de la porosité effective du sable 0 et de la porosité de l'argile correspondant à 0,5 p : 0 = 0 + 0,5 p Le log densité (gamma-gamma] donne : d d.

« 0

m -

rt

D

=

0

+ P

d

sn

- d m f

aveC

d i d. et d , a densités de la matrice, du fluide et de l'argile, m t sh d - d. im sn „ „ _ _ _ * En moyenne — = 0,1 a 0,2 d - d. m f On calculera ce coefficient en prenant d dans le tableau 2 p.14C (pour les sables et grès prendre d = 2,B6 m ), d= 1 pour l'eau pure à 20°C, 0,99 à 45°C, 0,98 à B5°C, 0,97 à m 85°C, 0,96 à 97°C j augmenter d g u de 0,7 % o par gramme litre de sels. (Ces corrections sont généralement inutiles en forage d'eau). On lira d , sur le log densité en face d'un banc d'argile voisin du réservoir sablo-argileux étudié. A défaut on pourra prendre 0,20 de 0 à 250 m, 0,19 de 250 à 500, 0,18 de 500 à 750, etc 0,11 de 2250 à 2500 m et 0,10 au-dessous de 2500 m.

165

Figure 30 — Détermination de lu porosité des sables argileux. (Document Jourmil of Petroleum Technology.) PSP

Nota : x =

p s s

(extrait de R . Desbrandes,

-

A5 )

Utilisation : selon la ligne fléchée, entrer en bas, à l'intersection de la ligne Rxo (ici = 0,8) avec la ligne pointillée o< (ici = 0 , 7 ) . Monter verticalement Rt Rxo jusqu'à ^ 7 = Fa (ici Fa = 7,5) et partir horizontalement à droite vers l'échelle de porosité (ici 25 %).

166

Selon le schéma volumétrique des terrains granulaires argileux décrit au § 52.2.1., le log Sonique s'exprimera ainsi d'après les temps de parcours At dans les différents matériaux : At

=

p At . + 0 At + (1 - p - 0) At sh f m

Si 0 Q est la porosité globale du terrain (sable + argile) At

=

0 C At. + (1 - 0„)At S f S m

on peut égaliser les deux équations et : At . - At * = 0 r* sh m 0 + P S At. - At f m

At - At —r-r^ varie de 0.2 à 0,6 At At f - m les argiles disséminées.

dans les laminations et de 0,4 à 1 pour

Les porosités neutron 0 , densité 0 primer en fonction de la porosité effective

et sonique 0 , peuvent s'ex0 et du pourcentage d'argile: 6 T

B.p C.p

on pourra

donc calculer 0

et p

à partir de deux logs.

ST

Ainsi, dans le cas d'un sable avec argile dispersée, si l'on retient les coefficienvs de 0,15 pour le log densité et de 0,8 pour le log sonique, on aura : 0

=

0 + 0,15 p

et

0

=

0+0,8 p

Supposons que les logs densité et sonique indiquent par exemple, en face d'un tel sable : „ ^ ^ , „ „ , Q = 0,3 et 0 = 0,4, on voit que : 0,3 = 0 + 0,15 p et 0,4 = 0 + 0,8 p, d'où on trouve le pourcentage d'argile disséminé p = 15,4 % et 0 = 27,7 % Simplification éventuelle. Pour les sables avec argile dispersée TIXIER propose de considérer que la réponse au log sonique du mélange

At

diminue lorsque la compaction de ]'argile est plus forte, c'est-à-dire en profondeur. On choisira donc les coefficients les plus élevés : 0,6 pour les laminations et 1 pour l'argile disséminée, ai.-: profondeurs faibles inférieures à 500 m par exemple et des coefficients de plus en plus faibles lorsque la profondeur augmente.

167

eau-argile inclus dans les pores soit identique à celle de l'eau intersticielle, d'où : 0

=

0

+

p

De même, si l'on admet que la densité de l'argile est proche de celle du sable ou des grès qu'elle envahit on a 0 = 0 Dans ce cas

:

p

=

0g - 0

Si l'on appelle q la fraction du volume des pores occupées par l'argile, d'après les 2 hypothèses ci-dessus on écrira q = •=—

En reprenant les valeurs de 0 0

= 0,4

et

0

=

et 0

proposées plus haut, soit :

0,3, on aurait directement 0 = 0,3 et p = 0,1

L'argile remplissant les pores serait : q = porosité utile deviendrait 0,3 (1-0,2:5]= 22,5 %

0 1 '

= 0,25, et la

52-3 Résistivité des argiles Dans la plupart des roches on considère que la matrice minérale est isolante et que la conductivité est fonction du pourcentage d'eau intersticielle et de la composition ionique de celle-ci. Les argiles se comportent différemment ; on constate que la conductivité C d'une argile saturée avec des solutions de conductivité C croissantes croît moins vite que C . On en déduit que la conductivité W de l'argile dépend en partie de celle de la roche elle-même et que le facteur de formation apparent : R C Fa = -g— = •=— croît en fonction de C , alors que dans les roches propres KL W

W O

F

est une constante. La matrice de l'argile contribue donc à la conductivité en raison de sa grande surface spécifique de plusieurs m^/g, jusqu'à 800 m /g pour une montmorillonite. La résistivité d'une argile R ., ou son inverse, la conductivité 1/R peuvent être calculées par la formule suivante qui tient compte de la porosité de l'argile :

0m , sh

K w

(ß J) V Sh7

dans laquelle :

0

=

porosité de l'argile

m

=

facteur analogue au facteur de cimentation ; m vaut respectivement 2,95, 3,40 et 5,60 pour la Kaolinite, l'illite et la montmorillonite

168

C (0 ,) S

=

facteur de la conductivité [exprimée en mho/m] dépend de la porosité de l'argile 0 .. La figure 31 montre que ce facteur est peu influencé par la nature de l'argile ; il passe de 0 à 0,2 mho/m quand 0 , passe de 0 à 0,5 et atteint un maximum de 0,79 mho/m lorsqul 0 = 0,9 = 90 % SM

Pour une eau de résistivité R w il est possible de construire un abaque de 0 d'une argile donnée, l'illite par exemple, en fonction de sa résistivitéS R ; on tiendra compte de l'exposant m = 3,4 pour l'illite et de C [0 . ) . UnSexemple est fourni par la figure 32 ; avec R = 0,02 ohm/m, pour les trois principaux minéraux argileux. Un calcul de 0 , avec R , = 0,9 ohm/m, est donné pour l'illite : on trouve 0 illite = 32 % En se reportant à la figure 29 on constate qu'une illite dont la porosité est de 32 % supporte une pression de 31 M Pa *. En supposant la couche d'argile à 2 000 m de profondeur, la pression des sédiments est de 2 000 x 2,6 52 MPa, et celle de l'eau est de 52 - 31 = 21 MPa

100

Au lieu de déduire la porosité 0 de la résistivité R des argiles on obtiendra R en partant de 0 . diterminé d'après le log sonique de préférence. 0 , tiré du log neutron, est peu précis en raison de l'échelle logarithmique et dans les argiles cavées le gamma-gamma fonctionne mal. C E . Hottman a pu dresser un abaque (cf. figure 33] de 0 . des argiles oligo-miocènes de Louisiane du Sud en fonction du temps de parcours At , du log sonique, qui varie avec la pression. La courbe en trait plein correspond à At pour une pression d'eau normale (1 kg/cm2/10m de profondeur] j elle se situe entre les courbes pointillées de gradient de pression de fluide AP anormalement élevé (2 kg/crrr/10m) et anormalement bas C0,5 kg/cm^/IOm]. L'auteur reporte sur diagrammes At et R en abcisse logarithmique et les profondeurs correspondantes en ordonnées arithmétiques. On constate : - que les points log At , s'alignent bien de 0 à 8 000' (2 440 m] avec At ,~ff~ i q n microsecondes par pied à 0 m et 117 m.s/pied à 8 000'. Au dessous S At n'évolue pratiquement plus jusqu'à 14 000' (= 4 270m], comme si la compaction avait atteint un maximul, donc 0 un minimum constant - que les points log R seraient presque alignés jusqu'à 8 000' ; pour des profondeurs plus grande% la croissance de R , devient exponentielle.

52-4 Resistí vité de l'eau des argiles TIXIER a elaboré une formule empirique de calcul de la résistivité iu des argiles en fonction de la résistivité de l'argile R . et du R(i de l'eau temps de parcours du log sonique Atr At , - 230 S h R R. W Sh 1640

M Pa = mégapascal 1 M Pa = 10 bars

= =

10

Pascal

10,2 kgf/cm2

169

1.0

Figure 31 - Conductivité de surface des argiles. . (document I.F.P.) •litte • Kaolimte

(extrait de R . Desbrandes, [A5l )

0.5

T

0.5

10

* .aczom

-il

Figure 32 - Relation porosité-résistivité des argiles compactes avec R w = 0,02 o h m - m

- .

(extrait de R . Desbrandes, \ V IJO

..

I

E a R,h a m

3

A

- " 50

y

40

.

V

—=

—

20

10

0.

70

to

90

no

no

no

no

MO

ISO

ISO

no

no

Figure 33 - Relation Ç^ - At dans les argiles Miocène-Oligocène, (d'après les données de C . E . Hottman) (extrait de R . Desbrandes, [A5J )

170

Les résistivités sont en ohm/m et At en microsecondes par mètre ; si l'on utilise les microsecondes par pied, l'fquation deviendra r At . - 70 R - R sh w sh 500 II est possible également de prendre la formule du $ 52.3. : ,m

sh R . sh

R

w

0"sh +

C

(0 . ] , sh

ou R w

1 h sh

0 . est donné par le log sonique ; m est connu pour les divers minéraux argileux ; C (0 ) est lu sur l'abaque figure 31.

pour R

Un abaque figure 34 établi pour l'illite est donné à titre d'exemple; = 30 ohms/m et 0 , = 30 % on lira en ordonnée R = 0 , 6 4 ohms/m.

Les praticiens estiment que cette méthode de détermination reste imprécise et qu'il est préférable de la calculer à partir de la P.S ou mieux encore de la mesurer sur échantillon d'eau prélevé dans un niveau sableux voisin.

Figure 34 - Relation résistivité de l'eau interstitielle-résistivité des argiles compactes pourl'illite. (document I.F.P.) (extrait de R. Desbrandes, [A5] )

171

6 - CONCLUSION Si les diagraphies présentées permettent d'aboutir à une bonne identification des terrains, c'est-à-dire à une distinction correcte de la nature et de l'épaisseur des différentes couches, il est nécessaire de disposer d'un choix de logs assez large pour définir la résistivité de l'eau et surtout la porosité utile intergranulaire et vacuolaire des divers types de formations : - l'exactitude de la résistivité vraie d'une eau douce dépendra de la validité du modèle hydrochimique supposé localement ou de la validité des paramètres a et m de la porosité 0 retenus pour le calcul du facteur de formation F. - La porosité déterminable par diverses méthodes donne de bons résultats en terrains propres. En terrains partiellement argileux, il y a disparité des valeurs obtenues avec les divers logs, et l'on aurait intérêt à calculer la teneur en argile p et la porosité 0 en comparant deux logs différents, par exemple le sonique et le gamma-gamma ou le sonique et le neutron. Enfin il n'est pas inutile de rappeler que la qualité des diagraphies, donc la compétence des opérateurs et la qualité du matériel de mesure et d'enregistrement, est d'une importance primordiale. Les conditions de mise en oeuvre, le contrôle des appareils, leur étalonnage correct, la vérification de leur fonctionnement par des essais successifs sur une même tranche d'un forage pour s'assurer de la répétitivité des mesures, les diverses précautions à prendre, la présentation des résultats, etc ... ont fait l'objet de recommandations rédigées par des praticiens expérimentés, par exemple ceux de la Chambre syndicale de la recherche et de la production du gaz naturel. L'interprétation précise des logs serait illusoire si les mesures sont inexactes ou approximatives. Au contraire de bonnes diagraphies apporteront certainement des informations nouvelles, souvent indispensables, sur le forage étudié. Encore plus certainement la comparaison d'une série de logs constituera le meilleur moyen de connaître le sous-sol d'un bassin ou d'une région , sa lithologie, sa structure, les aquifères de bonne ou mauvaise qualité, e t c . . Ces logs seront consultés longtemps après les travaux par des géologues de toutes disciplines. La méthodologie de l'interprétation bénéficiera en outre régionalement, des vérifications fournies par les analyses de l'eau captée et par la productivité des puits, qu'il s'agisse des faciès hydrochimiques, des facteurs de formation, de la résistivité, compacité et autres caractéristiques des argiles. Indirectement, ces valeurs régionales permettront d'aborder l'analyse de logs effectués ailleurs avec des points de comparaison extrêmement précieux.