Final Report Thesis NGUYEN

  • Published on
    09-Aug-2015

  • View
    69

  • Download
    1

Transcript

UNIVERSITE DE CERGY-PONTOISE ECOLE DOCTORALE : SCIENCES ET INGENIERIE Spcialit :Sciences de la terre et de lunivers THESE Prsente pour lobtention du diplme de Docteur par Van Hung NGUYEN COMPACTION DES ROCHES RESERVOIRS PEU OU NON CONSOLIDEES : IMPACTS SUR LES PROPRIETES DE TRANSPORT Thse ralise IFP Energies nouvelles et lUniversit Cergy-Pontoise Soutenue le vendredi 16 novembre 2012 devant le jury compos de : Yves GUEGUENPr.Ecole Normale Suprieure ParisRapporteur Pierre BESUELLECR CNRSUniversit Joseph Fourier, GrenobleRapporteur Jean SULEMDR CNRSEcole des Ponts ParisTechExaminateur Teng-fong WONGPr.State University of New York at Stony BrookExaminateur Patrick EGERMANN Dr.STORENGYExaminateur Christian DAVIDPr.Universit Cergy-PontoiseDirecteur Nicolas GLANDDr.Ex IFP Energies nouvellesCo-encadrant Jrmie DAUTRIATDr.IFP Energies nouvellesCo-encadrant

A mon pre et ma mre. A mon frre. A ma femme et ma fille.

Remerciements Mesremerciementspersonnelssadressent tout dabord mon encadrant lIFPEN, Nicolas Gland, qui a suivi en dtail lavancement de ce travail. Sa disponibilit (y compris les soires, week-ends et vacances) et ses encouragements mont t dun appui colossal au cours de cette thse. Je souhaite galement tmoigner toute ma reconnaissance Jrmie Dautriat qui a suivi de prs le travail de ma thse et qui ma donn de prcieux conseils. Jeremercietrschaleureusementmondirecteurdethse,ChristianDavidpourmavoir accordunegrandedisponibilit,sesencouragementsetsaconfiance.Sonexprience,sa rigueurscientifique,sapdagogieontconstituunsoutienindispensablelaralisationde cette tude. MadameOlgaVizika-KavvadiasetMonsieurJean-MarcLombardontsoutenuceprojetau sein de la Direction Ingnieurie de Rservoir de lIFPEN, je les en remercie sincrement. Je souhaite remercier Yves Guguen et Pierre Bsuelle qui ont accept dtre rapporteurs de mathse,ainsiqueJeanSulem,Teng-fongWongetPatrickEgermann,davoiracceptde faire partie de mon jury. JeremercietoutparticulirementJeanGulardetJean-MarcNezpourmavoirform lutilisationdudispositifdecelluletriaxialeetpourleuraidelaralisationdecertaines expriences ; je les remercie aussi particulirement pour avoir fait progresser ma maitrise du Franais. JeremerciesincrementElizabethRosenberg,Marie-ClaudeLynch,CorinneFichen, FranoiseNorrant,etHermanRavelojaonapourlesnombreusesanalysesdchantillonsau scanner-RX, au microscanner-RX et pour la prparation de lames minces. JesouhaiteadressermagratitudeJrmeWassermannpoursonsoutienamical,pourses conseils pour les expriences et pour son aide pendant la deuxime anne de ma thse. Je remercie sincrement Audrey Bonnelye pour son aide ralisation de certaines expriences Cergy. Mes plus vifs remerciements vont lquipe gomcanique, Jean Franois Nauroy, Elisabeth Bemer, Ludwig Monmusson, Minh Tuan Nguyen et Dinh Hong Doan pour leur soutien et leur bonne humeur. UngrandremerciementauxDr.BrianCrawford,Pr.DavidMuirWood,Dr.IanWest,Pr. MarkD.Zoback,Pr.AlainMascle,Mr.TranQuangHo,Dr.AnitaTorabietPr.Modaressi Arezoupourlesnombreuxchangesetlesdiscussionstrsutilespare-mailsoulorsdes confrences. JeremerciechaleureusementmonamiClmentVarloteauxavecquijaipartagnon seulement le travail pendant trois ans, avec des moments difficiles et dautres joyeux.

UngrandremerciementtouslesingnieursdudpartementdIngnieriedeRservoirde lIFPEN,etmesamis,LouisZinsmeister,RezkiOughanem,ValentinGuillon,Baptiste Auffray,ClmentineMeiller,GaelleGrundman,NoralidAzocarSerra,GuillaumeDupuis, Tinaig Kergozou De La Boessiere, Arthur Dartois, Alexandre Gravelle, Audrey Bonnelye, Vu MinhNgoc,VuManhHuyen,PhamVietAnh,NguyenDucManh,NguyenDucHanh, NguyenDucCuong,LeKimNganpourlabonneambiancedetravailetlesmomentsde bonne humeur. Sans oublier un grand remerciement Myriam Le Fur, Delphine Wiart, Meriem Jehl et Amel Boukraa pour mavoir facilit certaines dmarches administratives. Je remercie de tout cur ma femme, Thi Thanh Huong Nguyen pour son amour et son soutien permanent. Merci dtre toujours ct de moi. Enfin,jevoudraisgalementremerciermesparentsquimonttoujoursencouragetmont fait une confiance absolue.

Titre:Compactiondesrochesrservoirsnonoupeuconsolides:Impactsurles proprits de transport directionnelles RESUME Aucoursdelaproductiondhydrocarbures,lextractiondefluidesfaitdcrotrela pression de pore dans les rservoirs ( depletion ). Ceci induit un changement du champ de contraintesquirsulteenuneaugmentationdescontrainteseffectivesappliquessurle rservoir. Les mesures in situ montrent que les variations de contraintes peuvent tre dcrites par un paramtre appel chemin de chargement (stress path), dfini comme le rapport entre la variation de contrainte effective horizontale et la variation de contrainte effective verticale par rapportauxconditionsinitialesdanslerservoir.Lacompactioninduiteparlaproduction dhydrocarburespeutavoirdegravesconsquencesdanslecasderochesfaiblement consolidescarelleinduitdesvariationsdespropritsptrophysiquesdesrochesinsitu, notammentdelapermabilit,undesparamtreslesplusimportantspourestimerla performancedunrservoirmaisaussiundesplusdifficilesmesurer.Pourcompliquer encoreleschoses,lapermabilitestsouventanisotropedanslesrservoirsavecdeforts contrastes entre la permabilit horizontale kh et la permabilit verticale kv. Lobjectif de cette tude est de comprendre linfluence des chemins de chargement sur lecomportementmcaniqueetlesvolutionscouplesdepermabilitpourunsable quartzeux (Sable de la Durance, DS) et un grs faiblement consolid (grs dOtter Sherwood, OSS, qui constitue la roche rservoir du champ ptrolier de Wytch Farm en Angleterre). Nos rsultats montrent que le grs peu consolid prsente un comportement mcanique similaire celuiderochesconsolides.Aucontraire,le sableprsenteuncomportementdiffrent,avec unetransitionplusgraduelleentrelesrgimesdedformationquincessitedutiliserun critrebassurlvolutiondurayondecourburedescourbescontraintes-dformationspour dterminerlescontrainteslimites :cettemthodeatvalideparunetudedanalysedes missionsacoustiquespourcaractriserlendommagement.Lesdomainesdedformation lastiqueetplastiqueonttbiendfinisetlescontrainteslimitesonttcomparesaux prdictionsdumodleCam-Claymodifietdumodledenveloppelimitenormalise.Les permabilitshorizontaleetverticaleonttmesuressouscontraintes.Pouranalyser linfluencedeseffetsdeborddanslesessaismcaniques,lespermabilitsmesuressoit classiquement sur toute la longueur de lchantillon, soit entre deux points intermdiaires ont tcompares.Pourlcoulementhorizontal,lesfacteursgomtriquesetfacteurs danisotropieonttdterminspardessimulationsnumriquesenlmentsfinisafinde pouvoirdterminerlesvraiesvaleursdepermabilithorizontale.Lvolutiondela permabilit suit lvolution de la dformation des matriaux et est contrle aussi bien par la dformation volumique que par la dformation en cisaillement. A partir de nos mesures il est possible de sparer leffet de la pression moyenne de leffet de la contrainte dviatorique sur lvolution de la permabilit en construisant des cartes disopermabilits dans lespace des contraintes.Enfinunemodlisationlasto-plastiqueatralisepourprdirele comportement hydro-mcanique du grs faiblement consolid. Lapproche utilise permet de prdiredemaniresatisfaisantelvolutiondelapermabilitaveclescontraintes,partir dune loi exponentielle fonction de la dformation effective. Au contraire, pour le sable de la Durance le lien entre lvolution de la permabilit et la dformation est loin dtre vidente, notamment aux faibles contraintes o la rduction de permabilit est trs rapide. Pour mieux comprendrecesvolutionsdepermabilit,uneanalysedelendommagementatralise par des mesures sur chantillons et en utilisant des techniques dimagerie plusieurs chelles. Mots-cls:chemindechargement,compaction,permabilit,anisotropie,gomcanique modlisation, couplage hydromcanique.

Title: Compaction of unconsolidated or weakly consolidated reservoir rocks: impacts on transport properties ABSTRACT Duringhydrocarbonproduction,theextractionoffluidinducesadecreaseofpore pressure called depletion. This depletion causes a change in the stress field that results in an increasedstressontherockbyenhancementoftheeffectivestressinthereservoir.Insitu measurementsshowthatthestressvariationscanbedescribedbytheso-calledstresspath parameter,definedastheratioofthechangeineffectivehorizontalstressbythechangein effectiveoverburdenstressfrominitialreservoirconditions.Thisproductioninduced compactioncanhavesevereconsequencesinthecaseofpoorlyconsolidatedreservoirs. Compactioninducesvariationsofpetrophysicalpropertiesofinsiturocksandparticularly permeabilityvariations,oneofthemostimportantparameterscontrollingreservoir performance. Yet it is one of the most difficult properties to measure. To complicate matters further,permeabilityanisotropyisoftenfoundinreservoirs.Thereforethehorizontal permeability kh, may be different from the vertical permeability kv.The aim of this study is to understand the influence of stress paths on the mechanical behaviorandcoupledpermeabilityevolutionsofaQuartzsand(DuranceSand,DS)anda weaklyconsolidatedsandstone(OtterSherwood Sandstone,OSSwhichis the reservoir rock oftheWytchFarmoilfield,UK).Wefoundthattheweaklyconsolidatedrockpresentsa mechanicalbehaviorsimilartothatofconsolidatedrocks.However,thesandshowsa differentbehavior,withagradualtransitionregimewhichrequirestheuseofacurvature criteriontopeakyieldstressesonthestress-strainevolutionplot;thiscriterionhasbeen validatedonthebasisofAcousticEmissionanalysis.Theelasticandplasticdeformation regimesarewellidentifiedandthedeterminedyieldstressesarefittedusingthemodified Cam-ClayandEllipticCapmodelsforallobservedonsetsofplasticyielding.Bothvertical and horizontal permeability have been measured during loading. To analyze the influence of endeffectsduringloadinginthetriaxialcell,permeabilitiesmeasuredoverthemid-section andoverthetotalcorelengthwerecompared.Forthehorizontalflow,thegeometricaland anisotropy factors were determined using Finite Element simulations in order to calculate the correcthorizontalpermeability.Permeabilityevolutionfollowscloselythematerial deformation and is controlled by both volumetric and shears strains. It is possible to infer the effectofthemeanpressureand/orthedeviatoricstressonthepermeabilityevolutionby buildingisopermeabilitymapsinthestressspace.Finally,anapplicationofelasto-plastic modelingtopredictthehydromechanicalbehavioroftheweaklyconsolidatedrockis presented.Thisapproachallowsasatisfyingpredictionofthepermeabilityevolutionwith stresses,usinganexponentialfunctionofaneffectivestrain.ReverselyforDS,thelink betweenstrainandpermeabilityisnotobviousaspermeabilityreductionispronouncedat earlystageofloading.Tounderstandthesepermeabilityevolutions,adamageanalysishas been performed using core analysis measurements and multi-scale imaging. Keywords:stresspath,compaction,permeability,anisotropy,geomechanicalmodeling, hydromechanical coupling.

ti: S nn ca cc loi va khng c kt hoc km c kt : nh hng ca c ch nn ti tnh thm TM TT Trong qu trnh khai thc du kh, vic ht du trong va to ra s gim p lc l rng, gi l hin tng suy gim depletion . iu ny gy ra s thay i trng ng sut trong va, c th l p lc hu hiu tc dng trc tip ln va c gia tng. o c hin trng ch ra rng : thay i ca cc ng sut (ng, ngang) c th c trng bi mt thng s gi l l trnh ng sut stress path , nh ngha bng t l gia thay thay i p lc hu hiu ngang v p lc hu hiu ng t iu kin ng sut ban u. Kt qu ca qu trnh khai thc du thng thy r l s nn li ca va, hay l c mt vng a cht ni din ra hot ng ny. S nn to ra bi vic khai thc du c th gy hu qu nghim trng i vi nhng loi va c kt km bi v n gy ra nhiu s thay i tnh a vt l ca va, c bit l tnh thm, mt trong nhng thng s quan trng nht xc nh nng sut ca ging du. Nhng tnh thm thng l kh xc nh bng cch o trc tip. iu phc tp hn na l tnh thm thngkhngnguiviccloivavcskhcnhaurtlngiatnhthm ngang (kh) v tnh thm dc (kv). Mc ch canghincuny l hiu c nh hng ca l trnh ng sut ti phn ng c hc v nhng thay i tng quan ca n ti thm, p dng cho ct thch anh (ct t nhin tn Durance, DS) v km c kt ( c tn Otter Sherwood, OSS), loi ny l thnh phn va du ch o vng Wytch Farm, thuc Anh quc. Kt qu nghin cu ca chngtichothyrngcktkmthhintnhchchontongingloickt hon ton. Tri li, ct t nhin li ch ra phn ng hon ton khc, vi s chuyn dn trong cchbindngcimcnthitphidngtiuchunbnknhngcongcaquanh : ng sut bin dng xc nh nhng ng sut gii hn. Phng php xc nh ny c kim chng bng phn tch m phn tch s ph hoi ca vt liu. Nhng vng bin dng n-docnhnghavnhngngsutgiihncsosnhvimhnhdon Cam-Clay hiu chnh v m hnh pht trin gii hn chun ha. phn tch nh hng ca nhng hiu ng bin trong th nghim c hc, thm dc c o ng thi v so snh gia phng php c in trn ton chiu di mu v gia hai im trung gian trn mu hnh tr. i vi thm ngang, h s hnh hc v h s khng ng u c xc nh bng m hnh s dng phn t hu hn xc nh gi tr thay i ca thm ngang. Qui lut thay i ca thm l hm s ca bin dng v b khng ch bi bin dng th tch cng nh bin dng ct.Tcc octnhthm,chngtithylcthtchringbithiungca ngsut hiutrungbnhvngsutlchlntnhthmbngcchxydngngngthmtrong khnggiancatrngngsut.Cuicng,mtmhnhn-docpdngdbo phn ng c hc-thm ca c kt km. Phng php tip cn ny cho php d bo kh tt s gia tng ca thm theo ng sut t lut hm m theo bin dng hu hiu. Ngc li, vi ct t nhin DS, mi lin kt gia thm v bin dng l khng thy r, c bit l giai on plctcdngnh,lcthyrlsgimcatnhthmlrtnhanh.hiuhnv nhngsgiatngtnhthm,mtphntchhnhnhmcht(vimicromt)camu sau khi b ph hy cng c tin hnh. Kt qu v m hnh gii thiu trong nghin cu ny ng vai tr quan trng trong vic tnh ton ch s nng sut ca ging du, v d bo ln cho vng ni din ra hot ng khai thacdu.Ngoira,vicsdngnghincunycithinchoccphnmmmhnh ging du hin nay, ci m c nhiu nhc im trong vic m phng iu kin thc t trong m hnh tnh ton. Tkha :ltrnhngsut,snn,tnhthm,khngngu,a-chc,mhnhha, tng quan thy-c hc.

iTABLE DES MATIERES ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE CHAPITRE 1.................................................................................................................. 61.1.Contexte et problmatique de recherche.......................................................... 61.2.Surface de charge et enveloppe de rupture ...................................................... 9a.Le Modle Cam-Clay modifi..................................................... 12b.Le modle de Wong et al., 1997.................................................. 14c.Les critres de rupture ................................................................. 151.3.crouissage .................................................................................................... 191.4.Comportement lastoplastique....................................................................... 23a.Dformation lastique ................................................................. 23b.Dformation lasto-plastique....................................................... 23c.Modlisation par le modle Cam-Clay modifi .......................... 241.5.Fluage des matriaux non consolids ............................................................ 271.6.Transport...