Micromécanique des roches granulaires faiblement consolidées
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Many oil reservoirs as well as the majority of aquifers are characterized by poorly consolidated granular rocks, the mechanical properties of which is not well known. The goal of this work was to study the influence of cementation and grain-size distribution on the behaviour of these rocks. An experimental study of the effect of these structural parameters was conducted. The results show that the mechanical properties were strongly affected by theses parameters. In fact, the strength and elastic moduli were significantly increased by the cementation. However, we noticed that the evolution of strength and elastic moduli as a function of cementation was not monotonic. Concerning the effect of grain-size distribution we showed that it appeared solely for a cement content lower than 20%, and above this value scale invariance occurs. A microstructural analysis was conducted on selected intact and deformed materials. It allowed us to characterize the morphology of the grains and the granular packings of our synthetic rocks. We also noticed that with increasing cementation, the spatial distribution of cement changes from an exclusive deposition at the grains contacts to a full coating of the grains. Two different approachs were used to model the elastic properties of our synthetic rocks as a function of cement content. For lower cement content Ccim < 20%, the behaviour is controlled by the cemented contacts, and can be predicted by using the model of Dvorkin. For Ccim > 80%, the material could be described as a composite media formed by a cement matrix containing rigid inclusions. In this case, the best approach is the effective media method, based on the Luo and Weng's analysis. We have shown that this method was able to predict results which were consistent with the experimental data for all the materials having a cement content higher to 30%, a validity domain much larger than initially thought
Abstract FR:
De nombreux réservoirs pétroliers ainsi que la plupart des nappes phréatiques sont caractérisés par des roches granulaires très poreuses et faiblement consolidées, dont les propriétés sont mal connues. Le but de ce travail est d'étudier l'influence de la cimentation de la taille des grains sur le comportement mécanique des roches synthétiques faiblement consolidées. Une étude expérimentale de l'influence de ces paramètres structuraux a été réalisée. Elle a montrée que les propriétés mécaniques de ces roches sont fortement affectées par ces paramètres. En effet, la résistance à la rupture et les modules élastiques augmentent avec la cimentation. Cependant, on constate que cette évolution n'est pas monotone. Concernant l'effet de la distribution de taille des grains, nous avons constaté qu'elle ne se manifeste que pour des teneurs en ciment inférieures à 20%, et qu'au delà de cette teneur il y a invariance d'échelle. Une étude de microstructure a été menée sur des échantillons intacts et déformés. Elle nous a permis de caractériser la morphologie des grains de sable et l'assemblage granulaire de nos roches synthétiques. Nous avons aussi constaté qu'avec l'augmentation de la cimentation la distribution spatiale du ciment passe d'un dépôt exclusif au niveau des contacts à un recouvrement total des grains. Deux approches différentes ont été utilisées pour modéliser les propriétés élastiques de nos roches synthétiques suivant la valeur du taux de ciment. Pour des teneurs en ciment Ccim < 20%, le comportement des matériaux est contrôlé par les contacts cimentés, et peut être prédit par le modèle de Dvorkin. Pour Ccim > 80%, le matériau peut être décrit comme un milieu composite formé d'une matrice de ciment contenant des inclusions rigides. Dans ce cas, l'approche la plus adaptée est l'approche du milieu effectif basée sur la méthode de Luo et Weng. Nous avons constaté que cette méthode arrive a prédire des résultats cohérents avec les données expérimentales pour tous les matériaux ayant un taux de cimentation supérieure à 30 %, un domaine de validité beaucoup plus large que ce qui était attendu.