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MINISTÈRE DE L'INDUSTRIE, DU COMMERCE ET DE L'ARTISANAT BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRES SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL 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

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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 NATIONAL

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

RECONNAISSANCE DES AQUIFÈRES PAR FORAGESESTIMATION DES CARACTÉRISTIQUES DES TERRAINS ETDES 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

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R E S U M E

Ce rapport traite des méthodes d'identification des terrains aucours de leur reconnaissance par sondage et de l'évaluation de leurs possi-bilités en eau de bonne qualité. Parmi ces méthodes, les mesures des para-mètres physiques des terrains et des fluides emmagasinés tiennent une placeprédominante. C'est pourquoi, le texte originel, devenu la première partiede ce rapport, a été complété par une deuxième et troisième parties concer-nant uniquement les diagraphies.

La première partie est tirée d'un manuel américain "Water WellTechnology" (W.W.T.). Il y est rappelé qu'après de bonnes études géologi-ques et géophysiques préalables, la reconnaissance du sous-sol passe obli-gatoirement par le sondage. Les auteurs indiquent alors les conditions d'unbon échantillonnage des cuttings, la nécessité éventuelle et la manière decarotter certaines couches, les procédés de prélèvement d'eau à la soupapeet l'utilisation d'un testeur sélectif d'un horizon particulier.

Une grande part de ce chapitre 9 du manuel est consacrée à ladescription des diagraphies effectuées en général - quoique trop rarement-sur les forages d'eau :

- la mesure des potentiels de courant d'origine électrochimique, qui nais-sent spontanément entre le terrain et la boue remplissant le sondage, c'estla polarisation spontanée

- l'enregistrement de la résistivité à distance variable de la paroi dutrou avec divers types de sondes

- la mesure du rayonnement gamma émis naturellement par les roches.

Ces diagraphies courantes permettent une assez bonne distinctiondes couches traversées par le forage, l'individualisation des imperméableset des .aquifères, le calcul de la résistivité de l'eau - donc sa qualitéchimique - et l'approche de la porosité de ceux-ci.

D'autres diagraphies, également décrites sont destinées à préciserles caractéristiques de construction, de fonctionnement et de conservationde l'ouvrage : le diamétrage, l'adhérence de la gaine de ciment autour dutubage, la température, la résistivité et la vitesse de circulation dans lepuits exploité.

Les auteurs de W.W.T. exposent les remarques faites par les pra-ticiens lors des opérations d'enregistrement et au stade de l'interpréta-tion, laquelle est basée sur des formules parfois différentes de cellesqu'utilisent nos collègues pétroliers. En conclusion, ils mettent l'accentsur l'intérêt que l'on pourrait trouver à court et long termes à développerl'exécution des diagraphies sur les forages d'eau ; car on en fait encoretrès peu aux Etats Unis, entre autres, parce que les maîtres d'ouvragesveulent limiter les dépenses et parce que les hydrogéologues connaissentsouvent assez mal les diagraphies. Et en France ? ....

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Une publication de R.P. ALGER, ingénieur à la Société Schlumbergerà Houston, Texas, constitue la deuxième partie du rapport. Cette note surl'interprétation des carottages électriques en aquifères sableux à eau douceest abondamment citée par le W.W.T., pour plusieurs raisons :

- l'auteur montre que les formules devenues classiques dans le pétrole nes'appliquent pas sans aménagement en eau douce

- il étudie sur le plan méthodologique l'influence de certaines variablesdes 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 dediagraphies 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'iden-tification réalisables sur les forages d'eau, sur les forages de recherchede pétrole et autres substances minérales d'origine sédimentaire : sel gemme,potasse charbon, phosphates, etc ... dont 1'hydrogéologue doit exploiterles résultats à l'occasion de ses études.

Une quarantaine de figures, tableaux ou abaques illustrent cettedescription et permettront l'interprétation qualitative et quantitative desdiagrammes dans bon nombre de cas. Il est rappelé en conclusion que la re-présentativité des résultats obtenus par 1'interprétateur dépendra entreautres :

- de l'éventail de diagraphies disponibles sur le forage et de leur qualité,donc de la compétence et de la conscience professionnelle de l'opérateurutilisant 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 dansla région concernée.

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

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A V E R T I S S E M E N T

Le présent rapport comprend trois parties :

- La première est une traduction du chapitre 9 du manuel américain "Techno-logie du forage d'eau" (= Water Well Technology, ou W.W.T. en citation abré-gée], dont le titre, relativement concis, ne souligne pas suffisamment la partimportante de ce texte consacrée aux diagraphies.

- La deuxième est une note de R.P. ALGER, fréquemment citée par les auteursdu W.W.T., qui s'intitule : Interprétation des logs électriques sur les fo-rages d'eau douce en terrains meubles. La traduction partielle de cette noteajoute à la première partie des exemples concrets d'application intéressantsau point de vue pédagogique.

- La troisième donne une Analyse sommaire des diagraphies utilisables en fo-rages d'eau ; elle est conçue comme un cours élémentaire d'initiation àl'interprétation des logs * que 1' hy^rogéologue pourra approfondir en con-sultant les manuels spécialisés et les publications des sociétés de services.

C'est la première partie, pleine d'enseignementsqui 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, quel-ques 130 références bibliographiques. Leur conception de l'évaluation desterrains en forage et les réflexions qu'ils énoncent en introduction et au1er chapitre méritent d'être soulignées.

Les trois quarts du chapitre traitent de l'étude des sondages pardes procédés géophysiques simples, susceptibles d'améliorer l'informationdu géologue dans trois domaines :

- la connaissance lithostratigraphique des aquifères et de leursépontes

- les caractéristiques de l'eau emmagasinée dans les terrains- les conditions d'équipement (ou completion] des puits pour réussirun bon captage, ou vérifier le fonctionnement ou l'état de conser-vation d'un forage.

La fin du rapport traite des procédés plus classiques de reconnais-sance du terrain par échantillonnage soigné des cuttings, mesure de la vi-tesse d'avancement, carottage mécanique, et de l'identification des fluides,en particulier par les essais aux tiges effectués avec un testeur au fur età mesure de la traversée des aquifères.

En ce qui concerne les diagraphies géophysiques, les auteurs dumanuel W.W.T. font plusieurs constatations :

- On fait beaucoup de diagraphies en recherche de pétrole et encore trèspeu en recherche d'eau : sur les 440.000 nouveaux forages d'eau exécutés

* — — — — — —log = diagramme, enregistrement graphique, et par extension : coupe géo-

logique - C'est l'abréviation de logging = inscription, notation,enregistrement (d'une observation, d'une remarque sur un carnet].

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"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 esttrès supérieur à celui de l'eau *. Le "producteur" d'eau investira beaucoupmoins que son homologue pétrolier et c'est donc le coût relatif des diagra-phiés - par rapport à la faible valeur de l'eau - qui limite le plus leur-expansion .

- Parmi les centaines de milliers de puits exécutés chaque année aux EtatsUnis, il y a prédominance des petits forages bon marché réalisés pour desparticuliers dans l'Est du Pays. Dans l'Ouest, où les puits de captages oude rejets d'effluents sont parfois très profonds, les diagraphiés enregis-trées avec des appareils peu encombrants utilisables par un seul opérateurapparaissent fréquemment justifiées aux yeux du Maître d'ouvrage.

- La deuxième raison de l'application restreinte des diagraphies aux foragesd'eau est que beaucoup de ces ouvrages se font sans intervention de géolo-gues, hydrogéologues ou ingénieurs-conseils. Lorsque les spécialistes sontconsultés, une bonne partie d'antre eux n'a pas les connaissances ou l'ex-périence de l'interprétation des diagraphies.

Ce double frein à l'expansion des diagraphies : dépense jugéeélevée et non indispensable au Maître d'ouvrage et manque d'empressementde 1'hydrogéologue, quand il est consulté, à proposer ce type d'interven-tion,dont il ne tire pas toujours le maximum, se retrouve également enFrance.

Les auteurs de W.W.T. sont assez réalistes en considérant qu'ilest nécessaire en premier lieu de mieux connaître les diagraphies à la foisfaciles à mettre en oeuvre et peu coûteuses. Dans ce chapitre, ils dévelop-pent donc essentiellement le carottage électrique (P.S et résistivité) legamma ray, les logs de diamétrage, de température, de vitesse et de conduc-tivité de l'eau. Si les hydrogéologues préconisant systématiquement cesopérations simples étaient écoutés, on connaîtrait beaucoup mieux les aqui-fères, les horizons à crépiner sur les nouveaux forages, le fonctionnementdes puits existants. L'étude des nombreux logs réalisés en terrains variéspermettrait de faire progresser les méthodes d'interprétation qui sont dif-férentes de celles utilisées par les pétroliers et les meilleurs résultatsobtenus sur les captages, s'avéreraient vite très rentables économiquement.Les Maîtres d'ouvrages comprendraient alors mieux les demandes occasionnel-les de diagraphies moins classiques : log neutron, log de densité, logd'adhérence du ciment, e t c . , dont la nécessité serait justifiée. Ces logssont évoqués plus brièvement de même que ceux dont l'avenir est promettaurlorsqu'ils seront parfaitement fiables et pratiqués en routine à des prixplus abordables qu'actuellement : les logs du temps de relaxation neutro-nique (thermal neutron decay-time = TDT), les diverses diagraphies mul-tispectrales, les diagraphies de résonance magnétique nucléaire.

De l'ordre de 1000 fois, en estimant en novembre 1976 le prix du brut audépart à 11 dollars le baril, soit approximativement 400 Francs le m3

(1 baril = 159 litres), et le prix de l'eau à la sortie du puits à 40centimes/m3 (Prix calculé pour un forage avec pompe débitant 500 000m-Van ; niveau dynamique = 50 m ¡ investissement initial supposé 1 MFamortissable en 20 ans à 10 % = 118 000 F/an.Energie : KWh à 0,2 F ^ 20 000 F/an ¡ surveillance, provision pour rempla-cement de la pompe et petit entretien = 62 000 F/an -

TOTAL - 200 000 F/an/500 000 m3 = 0,40 F/m3.

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La note de R.P ALGER, donnée en deuxième partie, précise l'inter-prétation des carottages électriques en forage d'eau douce avec des exemplesde calcul des caractéristiques de l'eau des aquifères sableux. Il montre queles formules utilisées par les pétroliers sur leurs réservoirs envahis pardes saumures riches en Na Cl sont inapplicables, et étudie expérimentale-ment les causes d'influence du facteur de formation F.

Enfin la troisième partie rappelle d'une façon plus didactiquele principe des divers enregistrements, le schéma de l'appareillage de me-sure et les "réponses" des diverses formations ¡ elle précise les domainespropres à chaque diagraphie, leurs zones de recouvrement éventuel, les pa-ramètres de terrain qu'elles permettent de dégager et les procédés de dé-termination de ces paramètres par le calcul ou par utilisation de nomogram-mes ou abaques, certains devant être parfois élaborés par 1'interprétateur.Une mention spéciale est faite pour les terrains poreux mélangés d'argiledisséminée ou en fines alternances.

Ne sont pas du tout traitées ici : les opérations auxiliairespendagemétrie, inclinométrie, etc.. les diagraphies d'avancement ou decontrôle du train de sonde, les mesures d'essais de fluide, les carottageslatéraux, les perforations, les diagraphies sur la boue du forage et lesdiagraphies de production.

Les lecteurs pourront consulter [plus ou moins facilement] lesnombreuses références bibliographiques des deux premières parties. Au préa-lable il est bon de signaler quelques ouvrages généraux, le plus souventen français, énumérés à la fin de cet avertissement : ils sont cités dansle texte avec leur numéro de liste précédé de la lettre A.

Remarques :

a] Les principaux termes des tableaux et figures des publications en langueanglaise 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, consulteren 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,résistivitéde formation, température de formation, facteur de formation, etc ....

c] On emploie souvent diagraphie géophysique, aussi bien pour l'opérationd'enregistrement elle-même que pour le résultat (qui est exactement undiagramme = log). En français on écrit indifféremment diagraphie nucléaire,ou de rayonnement, ou de radiation, ou ray (rayon en anglais) Ex : rayon-nement gamma = gamma ray.

d] En première et deuxième parties, des notes infrapaginales expliquent oucomplètent certaines notions. Elles sont précédées de la mention N.T. =note du traducteur.

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Références bibliographiques, d'ouvrages généraux

[A 1J - B.R.G.M. (1975) . - Facteurs de conversion d'unités.- rapport75 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 souter-raines .- Dunod, Paris.

fÄ 4J - Chambre syndicale de la Recherche et de la production du Pétrole etdu 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.

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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 p. 7

2ÈME PARTIE : INTERPRETATION DES LOGS ÉLECTRIQUES SUR LES FORAGES D'EAU DOUCEEN TERRAINS MEUBLES

par R.P. ALGER p. 81

3ÈME PARTIE : ANALYSE SOMMAIRE DES DIAGRAPHIES UTILISABLES EN FORAGE D'EAUp. ni

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1 ÈRE P A R T I E

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

TRADUCTION DU CHAPITRE 9 DU MANUEL AMERICAINWATER 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 sub-ventionné partiellement par des fonds provenant du Ministère de l'Intérieurdes Etats Unis .

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S O M M A I R E

Pages

INTRODUCTION 9

1. PROCEDES GEOPHYSIQUES EN FORAGE 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 2412.1.1. Détermination de la rësistivité du terrain 2012.1.2. Détermination du résidu sec et de la teneur

en chlorures 2212.1.3. Applications du log de P.S. 36

12.2.Diagraphie de résistivité 2912.2.1. Détermination de la granulométrie 4412.2.2. Détermination de la perméabilité 4412.2.3. Applications du log de résistivité 44

12.3.Diagraphie gamma 4512.3.1. Application du log gamma 4612.3.2. Diagraphie d'exploration des ressources

minérales 48

13. Construction du puits et diagraphies 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 64

4. ECHANTILLONS REPRESENTATIFS DU TERRAIN (LITHOLOGIE) 66

41. Les carottes 68

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 73

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INTRODUCTION

Les principaux points relatifs à la recherche et à la techno-logie d'évaluation et d'identification du terrain seront traités dans cechapitre en mettant l'accent sur les techniques et connaissances développéespar les recherches minières et pétrolières. Les techniques courantes decompletion et développement des forages d'eau seront également traitées (422,522]On accordera une attention spéciale à certains sujets, qui ne sont pas for-cément les plus importants, mais pour souligner ce qui ne l'a pas été suf-fisamment dans la littérature ou sur le terrain. On donnera toutes les ré-férences des sujets bien connus pour étude plus approfondie, tandis que l'ons'étendra davantage sur ceux qui le sont moins en raison de leur importancepratique (287,288,544).

Bien que l'industrie pétrolière ait fourni une bonne partie desconnaissances générales actuelles sur les techniques d'évaluation d'uneformation applicables à la recherche de l'eau, certains aspects tels quele programme détaillé des forages, l'évaluation de productivité d'un aqui-fère, les méthodes de pompages d'essai, etc.. découlent presque tous del'industrie des forages d'eau et de ses travaux d'application sur le terrainau cours des 25 dernières années (223,288,551).

Il y a cependant beaucoup de points communs entre les techno-logies de production du pétrole et de l'eau souterraine toutes deux concer-nant 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 soientplus compliquées), les forages sont presque les mêmes dans les deux cas etils sont réalisés par des méthodes similaires.

Avec l'accroissement de la récupération d'huile par injectiond'eau (161,490,558,578,604,620), la recherche pétrolière peut s'inspirerde la technologie de la recherche d'eau, à la fois pour les équipementsprincipaux et auxiliaires.

En fait les deux industries peuvent gagner à travailler en-semble et bénéficier des transferts réciproques de technologie.

Le domaine technologique le plus important, qui a fait l'objetd'un développement considérable de recherche et d'application dans lesindustries minières et pétrolières, est celui de l'évaluation de la forma-tion, par exemple les mesures géophysiques dans les sondages, les essais aux

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

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tiges , etc.. D'autres domaines tels que les techniques de cimentation, lesprogrammes de tubages, les techniques de stimulation de la formation, etc..ont aussi fortement progressé au cours des 15 dernières années.

L'impossibilité de prélever des échantillons du fluide de forma-tion ou de faire des essais de production en cours de forage, a retardélongtemps l'adoption du forage à la rotation. Il était admis que le forageà la rotation était rapide, mais il était tout aussi évident qu'avec ceprocédé on pouvait traverser des zones productives sans remarquer l'exis-tence d'huile, de gaz ou d'eau.

L'introduction des carottiers en 1921, des essais aux tiges en1926 et de la diagraphie électrique en 1933 changea complètement l'aspectdu forage à la rotation. Ces innovations et d'autres qui suivirent permirentd'obtenir des renseignements détaillés sur les indices de gaz et d'huilequand on an rencantrait-Quoique le carottage classique ait été suivi du ca-rottage au câble, tous deux furent presque complètement supplantés par lestechniques de diagraphies.

Les essais aux tiges et les analyses de diagraphies ont progresséà un tel niveau dans l'industrie pétrolière que l'évaluation de la formationpeut 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'essaia pour but de reconnaître la nature du fluide imprégnant une for-mation, sa pression (de formation] et théoriquement la perméabilitéde celle-ci. On le réalise en trou découvert en isolant une trancheverticale entre le fond et un obturateur expansible (packer), ouentre deux packers. Dans certains cas le packer est placé dans untubage pour essayer la tranche découverte juste au-dessous j par-fois l'essai est effectué sur une couche préalablement tubée aprèsperforation du tube. Le testeur, descendu à la profondeur voulue aupied du train de tiges, est un appareil relativement complexe sché-matisé par les figures 74, dont la mise en oeuvre est décrite au sous-chapitre 3, p. 60 et suivantes.

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11

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SG = Specific grovityot 60 F relative towoter ot 60 F

0.0010.0008

S 0.0006L. 0.0005S 0.0004

10 20 30 40 60 80(00 200 300400 600 1000

Temperoture, F 1

.312Figure 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 m 2 / 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 mercure ; 5 essence ; 6 saumure7 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.

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1 - PROCEDES GEOPHYSIQUES EN FORAGE

Les forages d'exploration sont les seuls moyens d'accès directaux terrains profonds pour savoir s'ils peuvent produire ou emmagasiner unfluide. Les forages sont des moyens d'accès coûteux à la lithosphère et lestechniques telles que les diagraphies sont rentables du fait que les rensei-gnements qu'elles donnent sur chaque trou permettent une extrapolation auxalentours de chacun. Les mesures géophysiques en sondage, ou diagraphiesde puits, incluent toutes les techniques d'enregistrement dans les puitsinterprétables en ce qui concerne les caractéristiques des roches, lesfluides qu'elles contiennent et la construction du puits (217]. Quoique leprincipal objectif de cette étude soit d'explorer l'utilisation de lagéophysique en forages de recherche d'eau, ces méthodes sont applicables àd'autres domaines de l'exploitation des ressources minérales. On fait plusde 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., particu-lièrement dans les petits bassins sédimentaires du Nouveau Mexique, del'Arizona, du Wyoming, du Colorado, etc.. ; c'est celui qui résulte del'activité de recherche d'uranium à partir de 1960, qui est-en constant pro-grès, et qui peut s'étendre encore davantage si l'on se repère à l'expan-sion du marché de l'uranium à la mi-1970. De précieux aquifères d'eau douce,actuellement situés dans des zones éloignées, pourraient indirectement souf-frir de cette activité de forage, ce qui pourrait poser de sérieux problèmesd'approvisionnement en eau douce au cours du développement futur de ces ré-gions. Toutefois, chaque trou donne un échantillonnage géologique précieuxsusceptible d'apporterune aide au développement rationnel des ressourcesen eau j il peut faciliter également la connaissance des accumulations desable et gravier,des gisements d' autres substances métalliques ou non, dupétrole, des réservoirs potentiels pour élimination de déchets ou le stocka-ge de liquides et de gaz etc.. Il apporte également des données géotechni-ques utiles pour les futures constructions.

On doit à la recherche pétrolière le développement de presque toutl'équipement de diagraphies et techniques d'interprétation utiliséesaujourd'hui. Il est peu probable que les diagraphies géophysiques auraientatteint leur actuel état d'avancement sans l'impulsion économique apportéepar la recherche du pétrole. La recherche d'eau dans le monde ne-pourra ja-mais atteindre un tel niveau économique, mais son industrie peut bénéficierdes techniques financées par les compagnies pétrolières.

* N.T. :. Ce qui supposerait qu'il existe aux Etats-Unis plus de puits etforages d'eau que de forages de recherche ou exploitation de pé-trole, de charbon, de minerais métalliques ou substances utiles, deforages géotechniques etc..D'après la revue World Oil (avril et août 1976] les Etats-Unis ontdéjà fait plus de 2,2 millions de forages pétroliers sur leur ter-ritoire, soit le double de ce qui a été fait dans le reste dumonde. Sur 52 016 forages prévus en 1976 (non compris la Chine etl'Europe de l'Est] l'Amérique du Nord en fera 47 145 dont 41 451aux Etats Unis et 5 245 au Canada. Le Moyen-Orient (qui a produitplus de 37 % du pétrole extrait dans le monde en 1975] en fera759 et la France 36.

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Une très bonne connaissance des possibilités offertes par lesdiagraphies utilisées par les pétroliers évitera la répétition des recher-ches fondamentales faites par ceux-ci dans le domaine de la technique desdiagraphies qui sont applicables aux autres secteurs de l'exploration desressources du sous-sol,y compris l'eau j on adaptera seulement les coûtsd'équipement et d'intervention à la valeur du produit (499,500].

La Division des Ressources en eau du Service Géologique desEtats Unis dirige la recherche des techniques géophysiques en forage appli-quée à 1'hydrogéologie. Un projet de recherche avec un ou deux chercheursa 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 pro-jet sont de rechercher et d'apprécier les applications courantes et possi-bles des diagraphies géophysiques au point de vue qualitatif et quantitatifen hydrogéologie souterraine et de rendre compte de la valeur de ces tech-niques dans les conditions variables de terrains aquifères à travers lesEtats Unis.

Les autres objectifs sont le développement et l'adaptation del'appareillage de mesure pour résoudre les problèmes spécifiques de 1' eausouterraine, pour améliorer les méthodes d'interprétation qualitative etquantitative et pour adapter ces méthodes aux études d'eau. Une discussioncomplète de toutes les méthodes de diagraphies, avec application actuelleou potentielle en hydrogéologie, dépasse la portée de ce texte. KEYS(356,357,358]et d'autres (196,388] ont d'ailleurs publié divers compterendu qui passent en revue ces méthodes. Des notes complémentaires mettentl'accent sur des interprétations et applications spécifiques telles que :aquifères basaltiques, formations meubles, etc.. (8,168,292,294,401,500,508,615,668].

L'application des diagraphies géophysiques est aussi restreinteaujourd'hui en hydrogéologie qu' elle l'était en 1930 en recherche pétro-lière. En 1964, environ 440 000 nouveaux forages d'eau ont été exécutés auxEtats Unis. Il est douteux que l'on ait effectué des diagraphies géophysi-ques sur plus de 1 % d'entre-eux. La traditionnelle coupe du foreur estfaite à partir des cuttings sur la plupart des puits, mais ces coupes n'ontpas de valeur réelle.

Des diagraphies géophysiques correctes sont des documents objec-tifs, utilisables dans de grandes zones géographiques, pendant longtempssans modification de leur signification.

Le prix est le seul facteur très important expliquant l'utilisa-tion actuellement faible des diagraphies dans le domaine des forages d'eau.En 1966, l'investissement annuel des Etats Unis en forages d'eau était es-timé entre 500 et 750 millions de dollars, non compris les pompes et lesconduites (356]. Bien que le coût total des forages soit très élevé, la va-leur unitaire de l'eau est rarement égale à celle de l'huile. Le coût dumatériel d'équipement pour diagraphies et celui des prestations de servicedoivent 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 à1 500 dollars ; ceci montre, du reste, la prépondérance des forages courtsde petit diamètre exécutés dans l'Est pour des particuliers (356]. Dansl'Ouest, les forages communaux, les puits d'irrigation et de rejets d'ef-fluents atteignent des prix comparables à certains puits pétroliers. Commeon a dû généralement s'orienter vers des puits plus profonds, donc pluscoûteux, il devenait rentable de mieux connaître les terrains et d'amélio-rer les techniques d'exécution et de completion. Par suite des progrès ré'

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cents en électronique, des appareils peu encombrants et relativement bonmarché, utilisables par un seul opérateur, sont maintenant largement répan-dus, et les dépenses qu'ils entraînent sont incontestablement justifiéesdans beaucoup de cas.

Une deuxième raison limitant l'expansion des diagraphies en hydro-géologie, c'est que peu de géologues, d'hydrogéologues ou d'ingénieurstravaillent sur les projets de forages d'eau, et que beaucoup n'ont pas lesconnaissances ou l'expérience nécessaires à l'interprétation détaillée desdiagraphies géophysiques. Cependant les sociétés de services fournissenthabituellement l'interprétation en même temps que les diagraphies. Si l'onveut que les diagraphies soient effectivement appliquées à la solution desproblèmes hydrogéologiques, il faut non seulement que l'idée de leur utilitésoit acceptée par les entrepreneurs, mais il faut aussi que les géologuespraticiens, les hydrogéologues, etc.. connaissent mieux leur interprétation.

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Figure 55356 Perméabilité et porosité d u granite d 'après le sondage g é o p h y -

sique CX111, Clear Creek C o . , Colorado.

1 log de diamétrage ; diamètre du trou 2 Potentiel spontané = P . S .3 résistivité monoélectrode 4 log neutrons - neutrons épithermiques5 pourcentage d'argile d'altération estimé d'après les carottes6 zone de faille 7 débit 750 à 1000 G P M (gallon par minute) ; 1 U . S . gallon = 3,785 18 principal aquifère 9 carotte perdue

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On disposerait d'une masse considérable de documents géologiquessi des renseignements corrects étaient recueillis sur la multitude de fo-rages d'eau réalisés dans le monde. En interprétant les diagraphies avec unseul objectif, tel que l'eau ou l'huile, on peut laisser échapper des ac-cumulations d'autres substances minérales intéressantes. Ainsi, dans leSud-Est des Etats Unis et en Australie des diagraphies gamma sur de petitsforages domestiques ont fourni de précieuses informations pour la recherchedu phosphate. La recherche de l'uranium aussi bien que celle des phosphates,sulfures, etc.... qui sont des amas stratiformes,se traduisent nettement endiagraphie électrique. Les logs donnés à la figure 55 par exemple, ont étéfaits pour une étude hydrogéologique. De plus, l'étude de l'argile d'une ca-rotte comparée au log neutron permet d'évaluer le degré d'altération du gra-nite, ce qui constitue une indicationfavorable au dépôt de minerai danscertaines régions. Dans certaines régions, des forages d'eau ont été diagra-phiées pour préciser les données stratigraphiques et structurales en vue dela prospection pétrolière. Il est fréquent que les diagraphies des foragesd'eau apportent des renseignements complémentaires susceptibles d'améliorerla connaissance géologique du sous-sol et de favoriser la recherche detoutes sortes de substances minérales (515). Le tableau 18 passe en revueles diagraphies actuellement disponibles ainsi que leur utilisation.

Les appareils de géophysique utilisés par l'industrie des eauxsouterraines sont pour la plupart moins encombrantes, plus légers et moinschers que ceux dont se servent les pétroliers.

Ces équipements peuvent être fixés sur un véhicule tous terrainsléger ou sur une voiture de tourisme. L'appareillage simplifié de diagra-phies utilise un câble mono-conducteur, un stylet à plume-et-encre, et ilest manipulé par un seul homme. Les mêmes types de techniques de diagraphiessont mises en oeuvre pour la recherche de l'eau et du pétrole ; cependant,l'équipement, l'objet des diagraphies et leur interprétation sont généra-lement différents. La plupart de ces différences, dictées par un soucid'économie, sont possibles en raison des faibles profondeurs températureset pressions rencontrées.

Les différences dans les techniques d'interprétation des diagra-phies proviennent des différences de conditions de trou : température,pression, etc...

Les méthodes d'interprétation mises au point par les pétroliers nesont pas toujours directement applicables aux forages d'eau. En outre,certaines informations sur la lithologie et autres données physiques sontspécifiques des problèmes d'hydrogéologie (293,341]. Le but de ce chapitren'est pas de décrire un détail les procédés d'interprétation, mais plutôtde résumer quelques unes des techniques pétrolières les plus importantesqui s'appliquent à la recherche des eaux souterraines (16G,346,347] .

Généralement, les effets des hautes températures, pressions, etc..sur l'eau intersticielle impose une modification d'interprétation des dia-graphies pétrolières pour la rendre applicable à l'eau souterraine ; parexemple, la modification portera sur la différence de composition ioniquede l'eau douce et sur le fait que la résistivité de celle-ci est environ100 fois plus élevée que celle de l'eau qui accompagne habituellement lesformations imprégnées d'huile et de gaz.

De plus, la recherche d'eau s'intéresse à l'évaluation de para-mètres différents de ceux recherchés par les pétroliers. L'hydrogéologuecherche à évaluer l'eau qualitativement et quantitativement et l'entrepre-neur désire savoir, parmi les différents horizons sableux, quel est le

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T A B L E A U 18 (356)

Techniques de diagraphie proposées en recherche d'eau souterraine

Renseignement souhaité sur lescaractéristiques des roches, desfluides, des puits ou des réseauxsouterrains aquifères

Lithologie des aquifères et deleurs épontes (terrains associés)

Corrélations stratigraphiquesentre aquifères et épontes

Porosité totale ou densité appa-rente

Porosité réelle ou résistivitévraie

Teneur en argile

Perméabilité

Perméabilité secondaire - locali-sation de fractures et de cavités

Porosité efficace en nappe libre

Granulométrie

Localisation d'un niveau d'eau oud'eau suspendue à l'extérieur dutubage.

Teneur en eau en terrain non sa-turé

Taux d'humidité en zone d'infil-tration

Diagraphies classiques susceptiblesd'être effectuées

Logs électrique, sonique ou de dia-métrage en trous découverts. Log derayonnement en trous ouverts ou tubes

idem

]og sonique étalonné ou log gamma-gamma en trou ouvertlog neutron étalonné en trou ouvertou tube

logs de résistivité étalonnés

log de rayons gamma naturels

Pas de mesure directe par diagraphie.Peut avoir un rapport avec la porositt1'injectivité (absorption) 1'amplitud!sonique.

résistivité monoélectrode, ou diamé-treur, log acoustique, télévision dutrou.

log neutron étalonné en % d'humidité

Relation possible avec le facteur deformation déduit des logs électriquesTeneur en argile tirée du gamma ray.

logs électrique, gamma, résistivitédu fluide à l'intérieur du tubage ouen trou ouvert- logs neutrons ougamma à l'extérieur du tubage.

logs neutron étalonnés en % d'humidi-té

Diagraphies neutrons ou de traceursradioactifs effectuées à plusieurspériodes. Température.

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T A B L E A U 18 (356) (Suite!

Renseignement souhaité sur lescaractéristiques des roches, desfluides, des puits ou des réseauxsouterrains aquifères

Circulations d'eau souterraine,directions et vitesses

Dispersion, dilution et mouvementd'effluents

Zone de venue d'eau dans un puitset déplacement.

Caractéristiques physico-chimiquesde l'eau ; minéralisation, tempé-rature, densité et viscosité.

Caractéristiques de constructiondes puits existants, diamètres etposition des tubages des zonesdétériorées, des crépines.

Détermination de la position et dela longueur optimale des crépines.

Guide pour choisir la tranche àcimenter et le procédé de cimenta-tion.

Localisation de points de corro-sion du tubage

Localisation des fuites au tubageou de crépines obstruées.

Diagraphies classiques susceptiblesd'être effectuées

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

Logs de résistivité et de tempéra-tures, log gamma pour effluentsradioactifs, Echantillonnage.

Profil d'injectivité (absorption],mesure de vitesse ; ou traçage enpompage ou injection. Logs de tempé-ratures différentielles. Diagraphiespériodiques de neutrons ou gamma.

Logs étalonnés de résistivité et detempérature du fluide dans le forageChlorinolog (gamma de capture dus auchlore] en trous tubes.

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

Tous les logs donnant des renseigne-ments sur la lithologie, sur lescaractéristiques, les corrélationset l'épaisseur des aquifères

Logs de diamétrage, de températureou gamma-gamma.

Dans certaines conditions, diamé-treur ou détecteur de joints

Traceurs et micromoulinet.

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bon sable à crépiner, quelle est sa perméabilité, sa granulométrie, la qua-lité de l'eau ? Une revue d'ensemble des méthodes géophysiques et de leurapplication à la recherche de l'eau a été publiée (96).

Pratiquement, les renseignements que l'on peut tirer des diagra-phies peuvent s'appliquer à 3 domaines qui se recouvrent partiellement :

1°) Caractéristiques des aquifères2°) Caractéristiques du fluide3°) Exécution du forage.

11- CARACTERISTIQUES DES AQUIFERES ET DIAGRAPHIE DE PUITS

Les caractéristiques lithologiques et les corrélations stratigra-phiques entre les aquifères et horizons associés sont importantes pour1'hydrogéologue et l'entrepreneur de forages [168,668]. On obtient habituel-lement ces renseignements à partir du gammay ray et du log électrique enmonoélectrode (293). Plus récemment, les logs de diamétrage et parfois leslogs neutron et gamma-gamma ont été utilisés pour identification et évalua-tion des aquifères. Les logs de rayonnement (neutron, gamma, etc..) ontété réalisés dans des puits tubes au droit des terrains meubles. Ces logsconstituent les seuls moyens sûrs pour obtenir une coupe lithologique dé-taillée. La porosité totale peut être déterminée à partir des logs neutronou calculée à partir des logs gamma-gamma puisque la densité du fluide etcelle du grain sont généralement connues ou supposées avec une bonne ap-proximation (183). Le log gamma individualise les horizons fortement argi-leux qui entraînent une porosité effective relativement basse par rapportà la porosité totale. Dans certains aquifères on a pu établir une relationlinéaire entre la porosité et la conductivité hydraulique ou perméabilité(139). La conductivité hydraulique est le terme hydrologique utiliséaujourd'hui en remplacement du coefficient de perméabilité ¡ il se définitcomme le volume d'eau unitaire s'écoulant à travers une section unitairede terrain par unité de temps sous un gradient unitaire, (perte de chargeunitaire par unité de longueur d'écoulement). La transmissivité est le pro-duit de la conductivité hydraulique par l'épaisseur de l'aquifère. La per-méabilité est liée à la granulométrie de même que la porosité j une noterécente, importante contribution à 1'hydrogéologie, démontre que dans lessables renfermant de l'eau douce, le facteur de formation * croît en fonctionde la granulométrie (8). Bien que l'on ait récemment développé les techni-ques d'interprétation multiple ou composite, qui utilisent les logs neutron,gamma-gamma et sonique, celles-ci n'ont pas été adaptées à une pratique cou-rante en hydrogéologie, à ce jour (618). Cependant, la recherche d'appli-cation de ces techniques est en projet et l'on devrait aboutir à de nouvellesméthodes susceptibles d'améliorer nettement la solution des problèmes poséspar les aquifères.

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

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Aucun log ne peut donner à lui seul une image complète des caracté-ristiques d'un aquifère. Toutefois, il est possible d'en combiner plusieurspour déterminer les conditions stratigraphiques locales susceptibles d'in-fluencer le débit, la qualité, etc.. de l'eau.

Le potentiel spontané = [P.S), sur le côté gauche de la figure 56est l'une des diagraphies de forage les plus répandues aujourd'hui. Lessections linéaires du log, correspondent à des zones où les terrains ont unegranulométrie 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 courbedéviera vers la gauche (côté négatif], mais si l'eau imprégnant le sableest très douce il peut y avoir inversion vers la droite comme le montre lafigure dans la plupart des petits horizons sableux.

Les valeurs de la résistivité (figure 56 - 2ème colonne) crois-sent vers la droite. Les roches denses, telles que le granite et certainscalcaires se traduisent par de fortes résistivités. Les valeurs moyennescorrespondantes à des déviations négatives ou fortement positives de la P.Sindiquent 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 dutrou. On fait rarement des diagraphies de "Grande normale" aujourd'hui dansla recherche pétrolière. La courbe donnée figure 56 ressemble aussi à unediagraphie de résistivité par induction actuellement fréquente en recherchepétrolière. Ce log nécessite toutefois une opération plus complexe que ceque l'on fait habituellement en hydrogéologie. Le log de "petite normale"(courbe en trait continu sur la figure 56) peut également être intéressantpour déterminer l'extension du cake dans 1'aquifère aussi bien que pour dé-terminer des caractéristiques lithologiques.

Le rayonnement gamma (naturel) est élevé normalement au droit desroches argileuses en raison du pourcentage faible, mais néanmoins significa-tif, de minéraux radioactifs dans de telles roches. Des sables et grès cons-titués de quartz et d'autres éléments mineurs donnent une radioactivité plusfaible que celle des argiles, bien qu'il existe des exceptions que nous ver-rons plus loin. Les calcaires montrent en général de faibles valeurs derayonnement gamma, tandis que les granites et arènes granitiques émettentun rayonnement gamma modéré.

Le log neutron de la figure 56 apparaît souvent comme l'image dansun miroir du gamma ray et il est utile pour délimiter les différents typesde roches. On obtient les diagraphies neutron par bombardement du terrain àpartir d'une source radioactive et l'on enregistre le rayonnement émis enretour.La configuration du log dépend de la proportion d'hydrogène provenantdes fluides contenus dans les interstices du terrain.

Le microlog est à l'origine une diagraphie pétrolière. Il sertprincipalement à localiser les couches très minces, par exemple les finesintercalations sableuses dans les argiles (262).

Il faut souligner que les diagraphies ont de multiples usages. Enforage d'eau on les utilise le plus habituellement pour interpréter lesterrains préalablement recoupés par un sondage, ce qui peut être indispensa-ble pour prévoir ce que l'on rencontrera sur d'autres sondages futurs de lamême zone géographique en supposant bien entendu que la géologie ne soitpas totalement différente.

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Spontaneouspotential

Resistivity Resistivitymicrolog

Hydrogeologie interpretation Gammaradiation

Neutron logradiation

Caiiperdiameter

J

LJt

Homogeneous clay,impermeable

Unconsolidated sand,permeable,fresh water

Homogeneous clay,impermeable

3 Dense rock, low porosity, impermeable

_ Shale, high g a m m a suggestsdark 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 sandstreaks, impermeable

Oense rock, weathered onQjpper part, high g a m m a^suggests granite, very

low permeability

r

I

I

Figure 56198 - Regroupement de six logs communs d'un forage d'essai

hypothétique avec interprétation hydrogéologique.

1 argile homogène, imperméable2 sable meuble, perméable ; eau douce3 roche compacte, faible porosité ; imperméable ~ * " "4 argilite (roche argileuse s.l. , marne), la valeur élevée du gamma évoque une

marne noire, imperméable5 grès, perméable, eau saumâtre6 roche compacte, faible porosité, imperméable, probablement du calcaire7 argilite, passées de grès, faible perméabilité8 grès, passées marneuses, perméable, eau salée9 marne, quelques passées sableuses, imperméable

10 roche compacte, altérée à la partie supérieure ; le gamma élevé évoque un granite ;très faible perméabilité

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12 - CARACTERISTIQUES DES FLUIDES A PARTIR DES DIARRAPHIES

A partir des diagraphies, on peut obtenir de bonnes informationsconcernant la localisation, la quantité, les mouvements et les caractéris-tiques de l'eau du terrain. On utilise dans ce but les logs classiques derésistivité et de température du fluide, si le puits a eu le temps d'at-teindre les conditions d'équilibre du réservoir, et si de ce fait il s'éta-blit une bonne liaison hydraulique entre le puits et l'aquifère traversé.Le colmatage du terrain dû à un nettoyage incomplet des fluides de forationpeut réduire sérieusement la productivité du puits (205,442). Cette questionsera traitée plus en détail dans les chapitres suivants du manuel WaterWell Technology .

La qualité de l'eau, aussi bien que sa température, conditionnentfortement ses possibilités d'utilisation. Les diagraphies de température,résistivité et rayonnement gamma ont toutes été utilisées pour déterminerle coefficient de dispersion et les déplacements de polluants chimiqueset radioactifs dans le sous-sol. Des enregistrements continus sont plus ren-tables que des prises nombreuses d'échantillons ponctuels et l'on peut s'enservir pour déterminer les points de contrôle à échantillonner pour analyseen laboratoire. On utilisera les logs de résistivité et de température dufluide pour calculer la conductivité spécifique à prendre en compte pourdéterminer la proportion des divers ions en solution si l'on dispose d'ana-lyses chimiques d'étalonnage (115,626,628). La température influe notable-ment sur la circulation de l'eau puisqu'elle conditionne sa viscosité et lasalure de l'eau modifie sa densité. On se sert des anomalies de températureet de résistivité pour localiser une ou des sources d'eau en pompant ou eninjectant dans un puits ; en outre, les appareillages récemment mis au pointpour enregistrer des températures différentielles sont utilisables sur lespuits où ils donnent une meilleure sensibilité que le log de gradient detempérature. Bien sûr, la position du niveau piézométrique dans un puits estfacilement identifiée par les diagraphies électriques, résistivité de fluide,gamma-gamma et neutron.

La localisation du niveau piézométrique (ou d'un niveau d'eau per-ché) à l'extérieur du tubage peut se faire avec les diagraphies neutron.

La localisation de l'interface eau douce-eau salée à travers letubage était un problème (357). L'emploi du neutron-neutron épithermique etdu neutron-gamma a été couronné de succès dans certains cas.

Ce type de diagraphie pourrait être mis en oeuvre pour décelerdes changements de salure.

La zone non saturée comprise entre la surface du sol et la zonesaturée constitue un domaine important de l'application des diagraphies.

Il s'agit de la zone à travers laquelle s'effectue l'essentielde la recharge des nappes. La mesure de l'humidité et de ses variationsspatiales en fonction du temps est très importante pour l'évaluation des res-sources en eau. On utilise à cette fin diverses diagraphies neutron, dont ia

plus commune et le log neutron d'humidité. L'appareil utilisé comporte unespacement faible entre le détecteur et la source émettrice de neutrons,desorte que le taux de comptage croît en fonction de la teneur en eau.

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La plupart de ces appareils ne font pas de diagrammes continus etne conviennent pas pour des puits de grand diamètre ni pour les puits pro-fonds.

Gn a utilisé récemment un appareillage neutron classique du typede celui dont se servent les pétroliers. Sur la figure 57, par exemple,KEYS compare un log neutron-neutron épithermique et un log gamma-gamma ef-fectués 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 NCUTRON-NCUTRON LOGS

Figure 57356

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

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"Les carottes montrent que les logs gamma-gamma de ces 2 puitsreflètent correctement la porosité, avec des moyennes de 43 % dans les100 premiers pieds et de 34 % entre 100 et 200 pieds. Le log neutron dupuits LD 20 montre, de plus, un accroissement d'humidité de 50 à 200' quiest dû à l'eau introduite artificiellement près de ce puits. Sur le puitsN-2 le log neutron montre que ces mêmes-tufs sont normalement secs saufvers 250'. On a réussi par des diagraphies neutron effectuées à plusieursreprises,à suivre le mouvement descendant de l'eau d'infiltration, quicommence après le dégel dans ces climats nordiques, et qui suivent lesfortes pluies (356)".

Une application importante des logs neutrons est la diminution ducoefficient d'emmagasinnement, aijjsi que le décrit MEYER (441). Le coeffi-cient d'emmagasinement se définit comme le rapport du volume d'eau qu'unsol ou un terrain peuvent céder par gravité au volume propre du terrain.Cette technique utilise une sonde à neutrons, étalonnée en pourcentaged'humidité, pour mesurer la différence d'humidité dans un terrain saturéavant et après drainage. La méthode donne des résultats tout à fait simi-laires à ceux qui découlent des essais de nappe.

L'origine de l'eau dans un puits peut être déterminée par diagra-phies périodiques neutron ou gamma-gamma(359). Pendant le développement,les essais et le nettoyage du puits, on peut évacuer une bonne quantitéd'éléments fins. La plus grande partie de ces matériaux provient des zonesde l'aquifère où les vitesses sont les plus élevées. Donc, puisque la po-rosité de ces horizons est fortement modifiée, il sera possible de localiserceux-ci par comparaison des diagraphies neutron ou gamma-gamma effectuéesavant et après le développement, bien que l'élargissement du trou consécu-tif au développement puisse compliquer la comparaison**.

Sur un puits en pompage, ou dans lequel on injecte de l'eau, lescirculations d'eau correspondantes aux différences naturelles de chargeentre les divers aquifères sont mesurables au moyen d'un micromoulinet, oupar traçage chimique ou radioactif. On peut établir les classiques "pro-fils d'absorption" pour localiser les zones de plus haute perméabilité.On peut également utiliser des traceurs radioactifs pour situer les zonesperméables produisant ou absorbant l'eau a l'extérieur du tubage.

La plupart des techniques du simple-puits et du puits-multipleemploie des traceurs radioactifs pour déterminer la direction et la vites-se des circulations d'eau dans les aquifères, sans faire appel aux outilsclassiques des diagraphies. On expérimente beaucoup, en ce moment, lestechniques de traçage sur simple-puits. Dans la méthode de dilution ponc-tuelle on injecte une petite quantité de traceur radioactif au milieu dupuits j la vitesse horizontale et la direction du déplacement sont mesuréessur une série de détecteurs situés à la périphérie du puits. Dans la tech-nique de la "bouffée" en simple-puits, un "bouchon" de traceur est introduitdans un courant d'eau injecté dans le puits. Un certain temps après l'in-jection on pompe dans le puits, et le temps nécessaire pour récupérer lebouchon peut être fonction de la vitesse de l'eau souterraine. Si l'onutilise un traceur radioactif, la tranche de terrain absorbant et resti-tuant le bouchon de traceur peut être localisée. Les expériences de tra-çage 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 dévelop-

pement augmentera le rayon efficace, donc la productivité du puits.

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plutôt que par diagraphie, puisque le tritium habituellement utilisé n'estpas détectable par les appareils classiques de diagraphies. Certains radio-isotopes gamma émetteurs ont, en outre, pu être localisés et diagraphiesavec un appareillage classique de gamma ray. L'identification de radio-iso-topes dans des effluents peut se faire avec un appareillage de diagraphie-sophistiqué.

La qualité de l'eau produite par un puits a une importance pri-mordiale dans l'évaluation d'un aquifère [607]. Le Service de la Santépublique des Etats Unis a instauré des limites maximales pour les différentssels dissous dans l'eau de distribution publique. Parmi d'autres recomman-dations on demande habituellement que le résidu sec ne dépasse pas 500 mg/1et la-teneur en chlorure 250 mg/1.

L'eau d'irrigation ou l'eau industrielle ne sont pas soumises àdes normes aussi rigoureuses. Ces normes seront révisées dans le futur dansle sens d'une réglementation plus stricte de la qualité de l'eau. L'Agencepour la Protection de l'Environnement [Environmental Protection Agency (EPA]a été récemment chargée d'uniformiser à l'échelon national les normes dequalité de l'eau. L'EPA, publiera très prochainement les modifications denormes les plus importantes.

12-1 Diagraphie de Polarisation spontanée

Le log de P.S (polarisation spontanée] associé au log de résisti-vité permet en général d'obtenir une bonne approche de la qualité de l'eau.On a établi les relations entre P.S, résistivité, concentration ioniqueetc.... sur les saumures associées au pétrole.

Ces relations basées sur des recherches théoriques ont été con-firmées par l'expérimentation en recherche pétrolière (256,668]. Toutefoisquand ces relations des gisements de pétrole sont appliquées aux sables àeau douce, les résultats peuvent être erronés. Dans le pétrole, on utilisela relation ci-après à titre d'approche :

P.s - - K log Ä équation 4 3

Rw

dans laquelle : P.S = Potentiel spontané (en - millivolts]K = Constante en fonction de la température du terrainRmf = résistivité du filtrat

R = résistivité de l'eau du terrain,w

Dans une eau douce, la chlorure de sodium ne prédomine généralementpas sur les autres sels comme c'est le cas dans la plupart des saumures pé-trolières. En conséquence, la relation ci-dessous établie par les pétroliersà partir de solutions salines riches en Na Cl ne s'applique pas directement.Il devient alors indispensable de réexaminer la relation entre concentrationionique et résistivité, etc.. pour tenir compte des ions autres que Na Cl.

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+ + + +Dans les eaux souterraines, les cations divalents (Ca , Mg ,

etc....) ont un effet beaucoup plus marqué sur la P.S que Na , ce qui donneune courbe de P.S représentative apparemment d'une solution beaucoup plussalée que ne l'indique la courbe de résistivité. GONDOUIN et alter(256),montrentque dans ce cas, la valeur de la P.S est la suivante :

[a Na+ Va Ca++~ + a Mg++ L équation 44p S = - K. log w

(a Na) mf

dans laquelle :

(a Na , a Ca , a Hg ) w : activités des ions de sodium, calcium etmagnésium de l'échantillon d'eau.

K = f de la température du terrain

mf = filtrat de boue.

N.T. Activité ionique La conductivité (donc son inverse, la résistivité)d'une solution électrolytique dépend théoriquement de la concentration Cdu sel dissous et du degré de dissociation a de celui-ci : seuls les ionsdissociés 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

(A) x (C)K = r^pj (les parenthèses expriment la concentration de A,C,

etc.. en ion-gramme par litre).

Si cette solution a une concentration C, elle contiendra Ca anions, Cacations et C (1 - a) molécules neutres (non dissociées). Dn peut doncécrire _ 2

Ca x Ca C al\ — ~

: (1 - a) 1-a

K étant une constante (à température et pression données), a doit augmen-ter lorsque C diminue. Cette loi de dilution d'Dstwald se vérifie assezbien pour les electrolytes faibles (K í 10~4) et pour les electrolytesforts (KC1, Na Cl par exemple) très dilués.

Avec un electrolyte fort qui ne serait pas très dilué la loi des gaz par-faits : pV = n RT n'est plus applicable. Pour rétablir l'application, onsuppose alors que la molécule a dans ce cas une activité différente decelle de la molécule libre en solution très diluée ; cette activité expri-merait la concentration fictive de remplacement de la concentration réellepour que la loi des gaz parfaits reste applicable.* *

Sur la figure 58, la courbe est rectiligne pour les résistivités supérieu-res à 0,5 ohm-m, soit approximativement 11 000 ppm de Na Cl à 25°C. Pourdes résistivités plus faibles, très fréquentes dans les saumures pétroliè-res, qui atteignent 200 000 à 300 000 ppm couramment, l'activité croîtplus vite.

Contrairement à la théorie d'ARRHENIUS sur la dissociation en ionsd'un sel en solution, DEBYE considère que dans les electrolytes forts, ladissociation est totale (a = 1) quelle que soit la concentration C. Mais laconductivité de 1'electrolyte diminue par suite de phénomènes liés à lacharge électrique des ions qui s'entoureraient d'ions de signe inverse ré-duisant leur mobilité, donc la conductivité.

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Dans cette dernière équation, on considère que l'action du filtratest celle d'une solution de Na Cl, bien que dans certains cas les ions diva-lents atteignent une concentration significative dans le filtrat.

Les échanges de base dans les argiles de la boue et argiles natu-relles tendent à réduire la concentration en éléments divalents de l'eaud'appoint de la boue. Il est possible que la concentration de l'anion aitune légère influence sur la P.S et un certain effet sur la résistivité dela solution.

Pour les solutions de chlorure de sodium la relation entre "acti-vité" et résistivité est donnée par la figure 58.

<u

E

viVtr

Res. of NaCI vs Na+ActivityT e m p . 7 7 ° F

.001 2 3 3 7 . 0 1 2 3 3 7 0 1 2 3 5 7 1.

N o + Activity

Figure 58 - Relation entre l'activité de l'ion Na et la résistivité(pour une solution de NaCl à 77°F (= 25°C)

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La résistivité du filtrat (%f ) utilisée dans l'équation 44 peutêtre déterminée quand Rmf est connue. La relation figure 58 est valableseulement pour la température 77° F (= 25°C). Pour les valeurs de Rnf àd'autres températures, la figure 59 indique les valeurs de résistivité-tem-pérature concentration pour des solutions diluées de chlorure de sodium,qui sont utilisables pour une conversion à la température standard.

La relation entre la concentration d'un ion et la résistivité

pour d'autres ions est différente de ce qu'elle est avec le chlorure de

sodium.

ALGER (8) propose des facteurs de conversion (multiplicateurs] pourconvertir les concentrations des ions habituels en concentrations équiva-lentes de Na Cl en vue de déterminer les résistivités de formation ; voicices coefficients :

Na+

Ca

Ng+

Cl"

SO

CO.

4 =

C03H

= 1,0

= 0,95

= 2,0

=» 1,0

= 0,5

= 1,26

= 0,27

A partir des équations 44 et des conversions de la figure 59, ilest possible pour un puits donné, de calculer une valeur de P.S en tenantcompte de la nature et de la concentration des ions existants.

S A L I N I T Y — R E S I S T I V I T Y C H A R T - F R E S H W A T E R S

25-c

O O O O

E Q U I V A L E N T

- N o C I , ppm

l / 7 i '1-L--L-J.-U-

Z^LZl

I

m\\\Mi 2

mm

/ T f / /

if\ i

ar as o« itill

'.* 2 J « 5 * 7 è 9 (OI 1 1 1 1 1 I I 1 I I I

(* fO 30 40 60 ÖO 70 80 90 l1 1 l i l t 1 I I I I

RESISTIVITY OF SOLUTION 10 OHM - ME TERS

.8Figure 59 - Relation entre résistivités, températures et salures pour des solutions

diluées de NaCl

(voir aussi figure 3, en 2ème partie, p . 87)

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ALGER (8), montre que la proportion relative des différents ions,bien que variable d'une région à l'autre, est prévisible localement et lerésultat peut servir d'hypothèse de travail.

En outre, l'eau douce contient souvent du bicarbonate (HCO )comme anion prédominant. Si Na+ est le cation d'accompagnement, l'effetsur la courbe de P.S est habituellement similaire à celui d'une solution dechlorure de sodium ayant la même concentration en Na . Cependant, la ré-sistivité des solutions de chlorure de sodium (Na Cl) et de bicarbonate desodium (Na HCO ) est différente. ALGER indique_que la conductivité (inversede la résistivité) de l'ion bicarbonate (H CO ) est égale à 27 % seulementde celle de l'ion chlore (Cl~) pour un même poids, c'est-à-dire que la ré-sistivité d'une solution de bicarbonate de sodium est de 1,75 fois cellede la solution de chlorure de sodium ayant la même concentration en NaAinsi des relations empiriques entre P.S, R , et Résidu sec (R.S) sont uti-lisables pour déterminer la qualité (de l'eau) à partir du log.

Puisque la relation entre la résistivité de l'eau de formation(R ) et la P.S varie selon la composition ionique, il est commode de consi-dérer la résistivité de l'eau déterminée à partir de l'équation 43 comme unerésistivité équivalente de l'eau (R W B). II est également commode de consi-dérer le filtrat comme une solution de Na Cl. Ainsi, selon la compositionionique locale, une relation appropriée peut être utilisée pour obtenir Rà partir de la valeur R dérivée de la P.S. Ceci est illustré par la

up •

figure 60.

Pour les eaux ne renfermant que du Na Cl en solution, la relationentre R et R est donnée par la diagonale allant des coins en bas à gaucheet en haut à droite de la figure. Pour l'eau à Na HCO3 la droite est paral-lèle à celle de l'eau a Na Cl. Elle est décalée vers le haut de telle sorteque pour une même valeur de R la valeur R soit 1,75 fois plus grande quepour l'eau à Na Cl. La ligne la plus à gauche est celle de l'eau ne ren-fermant que Ca Cl„ en solution. Cette courbe à Ca Cl2 représente la limitesupérieure que 1' on puisse trouver dans l'évaluation d'une eau douce àpartir de la P.S.

Les points indiqués sur la figure 60 proviennent des résultatsobtenus sur des forages d'eau douce. La valeur de R a été obtenue chaquefois à partir de l'équation 44 ¡ on a également assimilé chaque fois lefiltrat à une solution de Na Cl. La valeur de R correspondante à chaquepoint est tirée de la résistivité mesurée sur un échantillon d'eau deterrain.

Par exemple, l'expérience montre que les points représentatifsde l'eau de la plupart des puits forés sur la Gulf Coast * sont proches dela courbe CCU HNa. Ceci reste généralement vrai même quand l'eau de forma-tion contient une proportion significative de cations divalents. L'effetdes cations divalents est compensé, en grande partie, par des concentrationssimilaires dans le filtrat.

*N.T. : littoral atlantique du Texas, de la Louisiane, etc.. sur le

Golfe du Mexique.

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Rw - Rwe RELATIONS

100

50

10

@

comrKUP

/

< CHART A • 1

/

Vi

A/

1f/

/~> */

/

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~H—f~f~///I

1/ /i /

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4

%

y

• Í

SyV\ l

J/ •

/

£> Pittsburg ~ Camp County, East Texas

0 Sugar Land - Fort Bond County, Texas Coo

• FT Water Samples —Houston

O U . of Houston- 2120'

X SWSC - W W '2, Brazoria County

| |

>

»t . - .

.5 1 10 50 100

lwe @ 77° F.

Figure 60 - R en fonction de R (résistivité de l'eau de formation en— a w we

fonction de la résistivité apparente de l'eau) sur des aquifèresd'eau douce. Généralement les points représentatifs des puitsde la Gulf Coast sont proches de la courbe de l'eau à Na H C O

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On observe une relation différente entre R et R pour les puitsw we

d'eau douce forés avec des boues salées.

Dans ces puits le point représentatif de R f (R ) est déplacéevers la courbe Ca Cl„ sur la figure 60.

Par exemple, le log de la figure 61 provient d'un forage sur laGulf Coast dans lequel on a volontairement salé la boue pour obtenir desdéflexions très marquées (mais positives] en face des sables. Le point ré-sultant est approximativement à mi-distance entre les courbes Na H CCL etCa Cl2.

En salant la boue, on réduit l'importance des cations divalentsdans le filtrat et ainsi on déplace le point R /R de sa position habituel-le pour des eaux de la Gulf Coast (près de la courbe Na H CO ) vers la cour-be Ca Cl .

Une réduction de l'effet des ions divalents dans le filtrat appa-raît également en face des sables à eau douce dans les forages traversantles couches à huile plus profondes. Ceci est dû à la fois à l'augmentationdes concentrations du Na Cl dans le filtrat et à la réduction de concentra-tion des cations divalents par échanges de bases. La ligne tiretée sur lafigure 60 ((extraite de l'abaque A.12 de Schlumberger) a été déduite empiri-quement des zones d'eau saumâtre rencontrées dans les forages pétroliers.

12-1-1- Déterniinatign_de_la_Résistivité_du_terrainALGER (6) indique une autre méthode pour obtenir R à partir de

la résistivité de formation. En appliquant cette méthode, on calcule Rw endivisant la résistivité de formation (R ) par un facteur de résistivité deformation (F). Cette façon d'opérer est bien connue et largement appliquéedans les interprétations des pétroliers. Toutefois la relation habituelleentre F et la porosité, utilisée habituellement par les pétroliers, nes'applique pas aux eaux douces. En eau douce, F varie non seulement avec laporosité mais aussi avec R et avec la granulométrie, aussi F doit-il êtredéfini autrement.

Les meilleurs résultats obtenus par ALGER (8] pour déterminerRw à partir des mesures de R , sont ceux pour lesquels il utilise des va-leurs de F basées sur des études locales empiriques (F = R /R ). Par exemple,TURCAN (626) applique des "facteurs de résistivité de formation de champ"(Ff) dans des couches de sable propre, peu épaisses, en Louisiane.

Pour les sables du groupe Wilcox des valeurs de Ff s'étalant de1,7 à 3,0 ont été signalées. Ces valeurs de Ff impliquent nécessairementque les sables soient propres et de granulométrie relativement homogène,et'que R ne varie pas trop. En conclusion, des études semblables sur d'au-tres secteurs fourniront un moyen simple et pratique de déterminer R àpartir des mesures de résistivité de formation. W

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SPONTANEOUS-POTENTIALmillivolts

RESISTIVITY-ohms, m ' / m

RESISTIVITY-ohms, m ' / m

A M =16" 50

SCHUIMtHGE« WATEK WELL '2SANDY POINTMAZOIIACO., TEXAS

Figure 618 - Carottage électrique dans des puits de la Gulf Coast forés à la

boue salée (R = 1 ohm m à 25°C)m

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12-1-2- Déterniinatior]_du_résidii_sec_et_de la teneur en chlorures

La valeur de R , déterminée à partir de la P.S ou de mesures derésistivité, sert également à évaluer la qualité de l'eau. La compositionionique relative est normalement prévisible dans un secteur donné (626].Ainsi, des études empiriques permettent la détermination à la fois du rési-du sec (R.S.) et de la teneur en Cl" à partir des valeurs de R calculées.

w

Les points représentant R en fonction de R.S. tirés d'un certainnombre de sable à eau douce sont indiqués sur la figure 62.

DUUU

1000

500

100

Vs Af

* \

i \ "

i V

\

)

s

^ Pittsburg * C a m p County

O Sugar Land * Fort Bend County, Texas

G U . of Houston (2120' Sand)

• Irrigation Water Wells

Agr. Hdbk . '60, "Saline «.Alkaline So

X El Poso

* \f

s

• ^

vD x \

\ v J\ \

\ # k\ \\\\

Is"

5 10 50 100

R w @ 25° C. (77° F.)

Figure 628- Rapport entre le résidu sec et la résistivité de l'eau d'après

des études empiriques

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Tous les points se situent entre les courbes représentatives des solutionsde Na Cl et Na H C0„. Si on reporte les mêmes points à partir des donnéesd'analyses d'eaux d 'un secteur, un rapport plus précis entre R et R.Spourra être établi. A titre d'exemple, des expériences au Texas orientalont montré que les valeurs correctes de R.S se situent sur la courbe Na H CO^lorsque R > 7,0 ohm-m, et qu'ils sont sur la ligne tiretée si R < 7,0

ohm-m (R Wétant à 77°F = 25°C).w

ALGER (8) souligne qu'il faudrait faire très attention en extra-polant de telles méthodes empiriques d'une région à une autre. Ceci est il-lustré dans le travail de TURCAN (626) sur les zones d'eau douce dans lesecteur de la baie du Missisipi.

La figure 63 regroupe ses résultats de rapports entre R , R.S etchlorures pour les sables de Wilcox au N.O de la Louisiane. Il a trouvéque la courbe des résidus secs était proche de la courbe d'une solution deNa Cl pour des valeurs de R d'environ 10,0 ohm-m (à 77°F = 25°C). Toutefois,pour des valeurs de R inférieures ou supérieures, la courbe des R.S s'écartede celle de la solution de Na Cl.

On remarquera les 2 échelles d'abscisse de la figure 63 ; l'uneest une échelle de R , l'autre, la conductivité spécifique (communément uti-

W

lisée par les entrepreneurs et ingénieurs de forages pour exprimer les me-sures électriques sur échantillons d'eau). La conductivité spécifique estla conductivité électriqued'un échantillon d'eau à 25°C (77°F) exprimée enmicromhos par centimètre. Son équivalence avec la résistivité, exprimée enohm-m est la suivante (341) :

*10 000 équation 45Rw conductivité spécifique

N.T. : * Attention au mélange des unités dans la conversion des résistivités R(ici en ohm/m) en conductivité C (ici en micromho = 10"^ mho/cm).En diagraphie géophysique R est exprimée généralement en ohm-rfT";1 ohm/m = 100 ohms/cm, l'unité habituelle et illogique de nos analysesd'eau en France.

Se souvenir que C est l'inverse de R et que l'inverse de l'ohm/m estle mho/m = 1 000 millimhos/m

= 1 000 000 micromhos/m= 10 000 micromhos/cm (à rejeter).

L'unité de conductivité du Système International (SI) est le Siemens =1 mho/m, dont le sous-multiple, le millisiemens/m = 1 m S/m =1 millimho/m.

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1200-

400 600 100 1000 1200 1400S). Cent - RicroRbis/cii. @ 25° C.

1800 1800 2000

pFigure 63 - Rapports entre résistivité de l'eau, résidu sec et teneur en

chlorures dans les Sables de Wilcox, Nord-Ouest de la Louisiane,

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Les résultats de TURCAN, figure 63, montrent un accroissement deschlorures lorsque R.S croît. On a remarqué, dans la plupart des régions, quel'ion chlorure devient proportionnellement plus abondant lorsque R.S augmen-te j ce qui donne une base pour déterminer la concentration en chlorure.Toutefois un facteur local permet de trouver la relation adéquate. Par exem-ple, la concentration de l'ion chlore indiqué par Jones et Buford enLouisiane centrale suggère la relation suivante :

Cl en p.p.m =mg/litre

0,6 (R.S - 400] équation 46

Cette formule empirique peut s'appliquer à d'autres secteurs bienque les constantes puissent varier. On donne ci-dessous des exemples d'équa-tions qui semblent adaptées pour plusieurs autres régions :

Cl p.p.mou

mg/1

0,5 (R.S - 400) dans l'Est-Texas

équation 47

I p.P-m ICl [ p.p.m 0,53 (R.S - 200) près d'El Paso, Texas

équation 48

Cl I p.p.m

Cl

LP.p.m I

Ip.p.m I

0,40 (R.S - 250) sables de Wilcox, N-0Louisiane

(d'après TURCAN)équation 49

0,25 (R.S - 200) Houston, Texaséquation 50

ALGER (8), conclut que les diagraphies de forage peuvent donnerune information fiable, utilisable pour évaluer la qualité de l'eau. Cepen-dant pouren tirer le meilleur parti, on devra établir des relations empi-riques locales. On dispose déjà de beaucoup de données, puisque beaucoup depuits ont été diagraphies et échantillonnés pour analyse chimique. Ce ren-seignement peut apporter une aide précieuse pour définir des approches semi-quantitatives de la qualité de l'eau (256,518,628,640,642).

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12-1-3- Agglications_du_1og_de_P1S_

La seule façon d'utiliser les données de la P.S pour des calculsde salinité sur les aquifères d' eau douce serait d'établir des valeursempiriques pour les eaux d'une région donnée et d'utiliser ensuite un abaqueou formule appropriée, comme indiqué plus haut. GUYOD (293] cite un certainnombre de difficultés avec la P.S :

1) La valeur numérique du facteur K, dans l'équation 43, ne serait valableque dans le cas où l'argile associée à l'aquifère se comporte comme unemembrane cationique perméable parfaite. On ne peut déterminer les vraiesvaleurs de K qu'à partir de mesures en laboratoire.

2) On doit tenir compte de la composition chimique du fluide de forage(boue de foration).

3) Un potentiel d'électrofiltration se superpose habituellement au potentielélectrochimique. Bien que le premier soit très faible pour les faibles pro-fondeurs, sa valeur relative peut ne pas être négligeable dans les foragesprofonds où l'amplitude de la P.S est réduite, et il est difficile de serendre compte de ce fait. (GONDOUIN et SCALA (255) déclarent qu'un potentield'électrofiltration (Ek) peut également apparaître dans les argiles profon-des, mais que la diflexion de la P.S a partir de la "ligne des argiles",n'est cependant pas affectée par (EK).

4) Même s'il n'y a pas de potentiel d'électrofiltration, la P.S mesuréeictroclP.S(P.S),

n'est qu'une partie du potentiel électrochimique total (P.S) qui se déve-loppe dans le terrain. La réduction P.S est fonction de plusieurs

efacteurs, en particulier de la résistivité et de l'épaisseur de l'aquifère.(On peut faire une correction, mais celle-ci est difficile dans la pratique).

Le comportement imprévisible de la P.S est bien démontré . Tan-dis que la courbe de P.S ne devrait pas être utilisée pour déterminer quan-titativement la salinité des eaux douces, sauf avec les restrictions d'usage,GUYOD (293) déclare qu'on peut l'utiliser qualitativement selon les règlesapproximatives suivantes :

1) Les aquifères qui présentent une P.S positive contiennent presque toujoursdes eaux de faible salinité pourvu que le fluide du trou (boue) ait unerésistivité supérieure à 5 ohm-m.

2) Dans les intervalles où l'amplitude de la P.S (mesurée à partir de la"ligne des argiles") dans ... des aquifères épais reste pratiquement cons-tante avec la profondeur, toutes les eaux de formation ont à peu près lamême salinité.

3) Si la P.S des aquifères recoupés par un forage devient de plus en plusnégative avec la profondeur, la salinité des aquifères augmente probablementavec la profondeur. Si, en même temps, les résistivités des aquifères dé-croissent avec la profondeur, la probabilité devient extrêmement élevée.

4) Les aquifères qui présentent une P.S avec d'assez fortes déflexions né-gatives renferment généralement des eaux beaucoup plus salées que ceux dontla P.S a une faible amplitude ou des diflexions positives.

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5] Des variations irrégulières et désordonnées de polarité de la P.S, pourvuque l'amplitude de la P.S reste faible (moins de 25 mv.), peuvent ou noncorrespondre à des changements significatifs de salure de l'eau.

Les courbes réelles de P.S ne sont pas toujours conformes auxmodèles évoqués. Les principales exceptions données par GUYOD (293) sontrésumées ci-dessous :

1) Déviation de la ligne de_base_des_argiles_^dériveK Habituellement lalignë~dë~basë~dës~argiïes est essentiellement rectiïigne et verticale, spé-cialement au-dessous de quelques centaines de pieds. Mais dans certainsforages de faible profondeur, la courbe de P.S s'écarte graduellement (dela verticale), ou bien dans son ensemble, ou bien dans les intervalles ar-gileux, et généralement vers la gauche au fur et à mesure que la profondeurdiminue. Aucune explication satisfaisante n'a été proposée pour ce phénomè-ne qui semble plus fréquent en zone aride.

2) Décalage_de_la_ligne_de_base_des_argiles;_ on observe ceci fréquemmentlorsqu'il y a un changement plutôt rapide de salinité des eaux de formation(dans un aquifère donné). Un décalage peut également se produire lorsquela nature des argiles change.

3) P.S instable^ On observe ce phénomène à la partie supérieure des trousdans lesquels il existe un mouvement d'eau appréciable, comme dans les fo-rages artésiens ou au-dessus des zones de perte. Le signal change constam-ment même si l'électrode de diagraphie est maintenue stationnaire. Cetteinstabilité du potentiel d'électrode est due au flux d'eau. L'instabilitédisparaît au-dessous de la zone de mouvement de l'eau.

4) Inyersion_de_polarité. Dans un puits donné, on observe parfois de nom-breuses inversions de polarité, même si les eaux des différentes nappes ontune salinité du même ordre. Ces renversements sont habituellement dûs auxchangements d'ions ou au changement de proportion de certains de ces ions.(Quelquefois, les inversions peuvent également provenir d'un mauvais fonc-tionnement de l'appareil de diagraphies).

Si, à partir de la forme de la courbe de P.S, on peut généralementrepérer des couches perméables à porosité intergranulaire situés entre descouches d'argile, ni la forme de la courbe, ni l'amplitude ne peuvent ser-vir de base de calcul de la porosité, ou de la perméabilité ou de la qualitéde l'eau. Mac CARRY (402) indique que les logs de résistivité et neutronpeuvent être utilisés en semi-quantitatif et d'une manière empirique pourestimer la qualité de l'eau et la porosité du terrain en zones carbonatées.Cependant son étude ne donne aucune relation significative entre le facteurde formation et la perméabilité d'un aquifère calcaire particulier étudié.

Quand les changements de perméabilité d'une roche proviennentd'une accumulation de matériaux argileux dans les vides, ils peuvent êtreestimés quantitativement par les changements d'amplitude de la P.S quien résultent à partir de données empiriques. Evidemment la méthode ne s'ap-plique qu'en l'absence de changements de la composition ionique de l'eau.

Il est possible d'estimer la perméabilité d'un aquifère biendécolmaté à partir de mesures du potentiel d'électrofiltration sous diffé-rentes charges. On a fait des expériences d'absorption sur des puits d'in-jection pour tester cette possibilité. Les résultats montrent seulement sile terrain est relativement perméable ou imperméable. Cette idée a été re-prise dans une note récente par TRAUGOTT.(622).

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Bien que le potentiel électrochimique (P.S) ne soit pas influencépar la porosité, l'amplitude de la P.S est indirectement affectée par leschangements de porosité. En pratique, une diminution de porosité augmentela résistivité de la roche, ce qui entraîne une réduction d'amplitude dela P.S dans les couches minces. Toutefois, si la couche est assez épaisseon atteint une P.S statique mime quand la résistivité est relativementélevée. En particulier, les couches denses interstratifiées avec des petitescouches argileuses présentant des déflexions de P.S non mesurables.

La P.S est la plus fiable dans les terrains constitués d'argileet dans les aquifères granulaires [sable, graviers, grès, etc..) spéciale-ment au-dessous de quelques centaines de pieds de profondeur du sous-sol.Quand on veut interpréter la P.S, on l'examine toujours en même temps queles courbes de résistivité et autres documents disponibles.

Lorsque les eaux des terrains sont beaucoup plus salées que laboue de forage, la P.S est généralement plus négative au droit des aquifèresqu'au droit des argiles. Ceci permet de se servir de la P.S pour identifierles terrains, faire des corrélations, déterminer la profondeur et l'épais-seur de certaines couches. Complétée par une courbe de résistivité la P.Sindique les zones de forages de l'eau douce à l'eau saumâtre.

On peut refaire la P.S dans des trous vides, non tubes si l'onutilise une électrode non métallique maintenue en contact avec la paroi dutrou.

La P.S ainsi obtenue diffère généralement de celle qui a étéenregistrée sur le forage rempli d'eau ou de boue ainsi qu'on peut le voirsur la figure 64.

- SP + R E S I S T I V I T Y - S P + RESISTIVITY

Figure 64 ^

Logs électriques comparés :

(A) dans un forage sec

(S) dans le même forage pleinde boue

JÛ niveau de l'eau

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On a fait unG P.S dans un puits avec tubage d'acier, principale-ment pour connaître la corrosion au moment des mesures (349]. En théorie,on peut utiliser la P.S pour obtenir des indications sur les conditionsdans lesquelles se trouve le tubage, bien que l'interprétation soit dif-ficile et habituellement problématique. Cette tentative est toutefois sus-ceptible de recherche et d'application dans le futur.

La P.S faite habituellement dans un tubage en plastique se traduitgénéralement par une ligne droite verticale et par conséquent elle n'a aucu-ne valeur.

12-2 Diagraphie de Résistivité

ALGER (8) souligne que les mesures de la résistivité du terrainfont partie de la plupart des programmes de diagraphies pour les recherchesd'huile ou de gaz. Les applications des diagraphies de résistivité dans ladétermination de l'eau de saturation, la détection des migrations d'huile,les corrélations, etc.... ont été bien comprises par les pétroliers.

Les diagraphies de résistivité ont également une grande valeurdans la recherche et la production de l'eau souterraine. Cependant, puis-qu'en recherche de pétrole et d'eau on rencontre des conditions de troudifférentes, qu'il y a des différences dans les relations fondamentalesentre résistivité de formation et autres propriétés du terrain, ces diffé-rences imposent des modifications (104,304].

En recherche d'eau souterraine, on s'intéresse essentiellement àla détermination de la qualité et de la quantité d'eau productible. Onrencontre rarement des quantités significatives d'hydrocarbures dans les ter-rains recoupés par les forages d'eau. Aussi 1' industrie de 1' eau, n'est-elle pas concernée par les problèmes de mélanges eau-hydrocarbures.

Dans les sables peu profonds et peu consolidés recoupés par lesforages d'eau, les porosités sont relativement élevées. En outre, lesvariations de porosité sont généralement faibles dans un même puits ou dansles différents puits d'un secteur donné. Aussi la détermination de la poro-sité, si importante dans l'interprétation des logs en terrains saturésd'hydrocarbures, l'est-elle beaucoup moins pour l'évaluation des aquifères.

La détermination de la résistivité de formation est, la plupart dutemps,plus simple en forage d'eau qu'en forage pétrolier. Dans la plupart descas la valeur de la résistivité tirée d'une "petite normale" de 16" estsimilaire à la vraie résistivité de formation. Ce fait est illustré par lafigure 65 qui permet de comparer une étude de diagraphie par inductionavec une diagraphie électrique. Ces deux logs ont été enregistrés dans unpetit forage expérimental à l'université de Houston (536].

L'utilité de la "petite normale" tient à plusieurs facteurs.Premièrement, la plupart de ces puits sont forés avec des boues douces. Lecontraste entre la résistivité de la boue et celle du terrain est donc fai-ble.Deuxièmement, le degré d'invasion de la boue est habituellement limité enraison des faibles différences de pression entre colonne de boue et fluidedu terrain. En outre, comme la résistivité du filtrat est du même ordre que_

N.T. : En diagraphie par induction on mesure la conductivité du terrain,c'est-à-dire l'inverse de la résistivité. Sur le diagramme fig. 65 les échel-les sont en sens inverse d'où "parallélisme" des logs de résistivité et deconductivité.

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Figure 65 - Comparaison du log électrique et de la diagraphie d'induction enregistréssur un petit forage de l'Université de Houston.

1 Caractéristiques chimiques de l'eau prélevée entre 2110' et 2143"conductivité = 921 mhos à 25°C ; R . S . = 560 mg/1 ; Na = 214, etc.

2 Nature de la boue : M A G C O G E L , M A G O P H O S , etc. (produits commerciaux)Densité/viscosité = 10,0/37 ; (D en livres/gallon = 0,4536 kg/3,785 1)10 lbf/gal f 1,20La viscosité = 37 est exprimée de la même façon en France = 37 secondes pourl'écoulement de 1/4 de gallon (= 0,946 1) de boue à l'entonnoir de Marsh.R m , R m f , R m e = résistivités de la boue, du filtrat du cakeRes BHT = résistivité à la température du fond de trou (bottom hole temperature)Wtr. loss = perte d'eau ; bit size = diamètre du trépan.

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celle de l'eau du terrain, la résistivité de la zone envahie est proche dela vraie résistivité du terrain. En pratique, les sables n'offrent un in-térêt réel pour le captage qu'à partir d'une certaine épaisseur. Les faiblespressions de formation dans les sables aquifères impliquent des valeurs deperméabilité beaucoup plus élevées,que celles des réservoirs d'huile pourproduire un débit exploitable. Par conséquent dans les couches intéressan-tes, qui sont plus épaisses, l'influence des couches intercalaires sur laréponse de la "petite normale" est faible.

Donc, un diagramme de "petite normale" convient généralement pourdéterminer la résistivité de formation. On a besoin d'autres outils unique-ment pour les forages plus profonds ou pour les forages pétroliers. Dansces cas-là on fait des diagraphies d'induction pour connaître plus préci-sément la résistivité de formation. Avec ce procédé on surmonte plus faci-lement les effets de trou ou de couches intercalaires et on a moins de dis-torsion de la résistivité de formation.

déterminer R par la mesure de résistivité de formation à partir de la"petite normale". Les variables de saturation et de porosité ont été éli-

Compte tenu des remarques précédentes il semblerait facile de? R par la mesure de résistivité de format]

wármale". Les variables de saturation et de p

minées en raison des problèmes de détermination de R .

La R d'un aquifère peu argileux s'obtient a partir de l'équationhabituelle : F = R /Rw, (avec F déterminé à partir d'une valeur localeadéquate de la porosité]. Cependant, dans les sables à eau douce la relationhabituelle entre F et la porosité F = a

m * n'est pas constante puisquela valeur de F est fonction de R .

w

La variation de F par rapport à R , illustrée par SARliA et RAO(545], est donnée à la figure 66. Dans ces expériences, les RQ d'échan-tillons de sable propre calibré sont mesurés après saturation avec deseaux de résistivité (R ] variées. Pour chacun de ces 3 échantillons les fac-

wteurs de formation déduits de la résistivité (représentés par R /R ] varienten raison inverse de R • L'expérience montre que les variations de Fsont plus fortes pour les hautes valeurs de R . Pour les eaux douces em-magasinées dans des sables meubles, les facteurs de résistivité de formationcalculés sont nettement plus faibles que ne l'indique la relation de F enfonction de la porosité habituellement utilisée par les pétroliers.

On a remarqué des variations semblables de F dans les sables ar-gileux. Par exemple, dans leurs recherches sur des sables argileux HILL etalter C314] ont estimé nécessaire de modifier F en tenant compte de larésistivité du fluide de saturation utilisé pour l'expérience.

Ils prennent ce F modifié pour indiquer la valeur maximale dufacteur de formation d'un sable argileux donné.

Donc, il semble que les variations de F pour des sables argileuxou propres saturés d'eau douce soient semblables.

ALGER (8) indique que la conductivité de surface est le facteurqui intervient en premier dans les variations de F des sables à eau douce.

Voir explication de F en 3ème partie, p.115 à 118.

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gFigure 66 - Relation entre le facteur de résistivité de formation F =

R et la granulométrie

R w = résistivité de l'eau de formation en o h m / m (X 100 pour obtenir o h m / c m )

Diamètre moyen des grains : 0,06" = 1,5 24 m m = échantillon n° 20,03" = 0, 762 m m = échantillon n° 30,015" = 0,381 m m = échantillon n° 4

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La valeur de la conductivité de surface est fonction de la concen-tration de la solution saturante. Lorsque la concentration décroît, la va-leur de la conductivité superficielle décroit également. Cette réductionde la conductivité superficielle est encore sensible, même dans le domainede faible conductivité des sables à eau douce.

Un autre facteur affectant la valeur de la conductivité superfi-cielle, avancé par ALGER, est la surface exposée à la solution saturante.Si l'on augmente la surface [par unité de volume) exposée à 1'electrolytela conductivité superficielle augmente. Ceci est particulièrement importantpuisque la surface interne des sables dépend à la fois de la granulométrieet de la perméabilité, paramètres souvent utilisés en recherche d'eau.

Les sables dans lesquels d (granulométrie efficace) est infé-rieur à 0,25 mm, sont difficiles à crépiner et à gravillonner, et parconséquent ils seront évités. En outre, puisque la perméabilité est liéeà la granulométrie, habituellement les sables les plus fins ne fournirontpas un débit suffisant (voir figure 67).

Vie '/s '/«>/z I 2 4 8 16 32 64 128 256Maximum 10% grain size, m m

Figure 67 - Variations de la porosité, du coefficient d'emmagasinement et dupouvoir de rétention en fonction de la granulométrie. Bassincôtier méridional, Californie. La granulométrie (prise en abscisse)est celle pour laquelle le total cumulé, en commençant par lesgrains les plus gros, atteint 10 % du (poids) total de l'échantillon(d'après R . P . Eckiss. . .)

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12-2-1 Détermination_de_U_granul^ométrie_

Les données de SARMA et RAO de la figure 66 indiquent qu'ilexiste, pour les eaux douces, une relation entre la granulométrie et lerapport R /R , les sables les plus fins ayant la plus faible valeur R /R .

C'est exactement l'inverse de la relation habituellement rencon-trée dans les interprétations des pétroliers. Cependant, la conductivitésuperficielle, quoiqu'importante dans les nappes d'eau douce, est relati-vement négligeable en nappe salée. C'est pourquoi on attribue cette rela-tion entre granulométrie et facteur de formation en eau douce à l'influencede la conductivité superficielle. La variation de F en fonction de la gra-nulométrie sur les sables à eau douce a été confirmée par les mesures enlaboratoire réalisées par ALGER [8] (voir la note en 2ème partie).

12-2-2 Détermination_de_la_2erméabilité

La relation perméabilité - granulométrie est bien connue et plu-sieurs auteurs ont traité cette question (520). ALGER (8) a également faitdes mesures du facteur de formation à partir de la résistivité d'un certainnombre d'échantillons. Une solution très douce (R = 35 ohm - m) a étéutilisée pour cette expérience. La perméabilité et le facteur de forma-tion montrent tous deux une progression assez régulière en fonction del'augmentation de la granulométrie.

ALGER (8) en conclut que la relation entre la perméabilité et lefacteur de formation est très importante dans l'évaluation des forages d'eauà partir des diagraphies, puisque cette relation est l'inverse de celleutilisée habituellement par les pétroliers. On a pu démontrer sur des ca-rottes de grès imprégnées de saumure de la Gulf Coast que la perméabilitéet le facteur de formation varient inversement. ALGER soutient ces résul-tats. Toutefois, compte tenu de l'importance du fait que la conductivitésuperficielle augmente quand la salinité diminue, on doit modifier le con-cept pour les sables contenant de l'eau douce.

Le log électrique (P.S et résistivité) sert donc à l'évaluationdes nappes sableuses douces. La qualité de l'eau (R.S) est liée à sa ré-sistivité R : lorsque R croît, R.S décroît ; lorsque la granulométrieaugmente, le crépinage et le gravillonnage sont plus efficaces, la perméa-bilité augmente et le débit fourni pour une épaisseur donnée de sable croîtégalement. Puisque les caractéristiques ci-dessus conduisent à une résisti-vité de formation plus élevée, on peut donc à partir d'un log de résistivité,identifier facilement les zones les plus favorables à la production del'eau. Les meilleurs horizons aquifères sont ceux qui ont les résistivitésles plus élevées généralement, sauf si l'on suppose que les sables sont re-lativement cimentés, ce qui peut se savoir par d'autres moyens comme lelog lithologique, le log de vitesse d'avancement, etc....

12-2-3 Applications_dujog_de résistivité

L'examen d'un log de résistivité donnera les renseignements appré-ciables, même si la diagraphie provient d'un appareillage simple, puisquela profondeur et l'épaisseur de bon nombre d'unités lithologiques apparais-sent. Au droit des horizons à eau salée la résistivité décroît généralement.

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De plus, si la vitesse de pénétration de l'outil reste constante, on peutsupposer que les porosités de ces couches sont du même ordre de grandeur.Par conséquent une diminution de résistivité apparente indiquera une aug-mentation de la minéralisation.

Quand la qualité de l'eau des divers terrains traversés ne variepas sensiblement, on peut généralement attribuer les changements de ré-sistivité aux changements de porosité, de granulométrie ou de teneur enargile. L'examen simultané de la P.S et du gamma ray permettra de savoirlaquelle de ces 3 possibilités doit être retenue. C'est d'ailleurs ainsique l'on procède en pratique, le diagramme de résistivité n'est pas étudiéseul, mais examiné en même temps que la P.S et toutes les autres donnéesdisponibles.

On peut obtenir de bonnes courbes de résistivité dans des foragesvides, non tubes, pourvu que l'on puisse assurer un bon contact entrel'outil et la paroi du trou. Comme les effets de trou sont fortement réduits,les écarts sont habituellement moindres entre résistivités vraie et appa-rente. La figure 64 donne, à gauche,un exemple de courbe de résistivité entrou vide j à droite, on voit le log enregistré après remplissage du forageavec de la boue.

Les mesures de résistivité (et de P.S) en trous tubes ne sont pasreprésentatives des caractéristiques des terrains. La résistivité obtenuedans un tubage d'acier relativement neuf est extrêmement basse, ce qui per-met de déterminer la profondeur du tubage. Comme les vieux tubages en aciersont souvent corrodés et'que les oxydes de fer résultants ne sont pas con-ducteurs, les changements de résistivité reflètent essentiellement le degréde corrosion. On peut utiliser le log de résistivité pour obtenir certainsrenseignements sur l'état des tubages, mais l'interprétation est difficileet habituellement sujette à caution.

Les mesures de résistivité dans un forage équipé d'un tube enplastique en bon état correspondent à la résistivité du fluide remplissantle tube.

S'il y a de gros trous dans le tube, on obtient en face des "chutes"de résistivité, ce qui permet donc de localiser ces points de détérioration.

12-3 Diagraphie gamma

Les seules méthodes de géophysique en forage, qui donnent des ren-seignements valables sur les terrains entourant les tubages, sont celles qu:\sont basées sur des mesures de rayonnement. On peut aussi faire des diagra-phies gamma en forage découvert avec l'avantage supplémentaire que les me-sures ne sont pas affectées, d'une manière quelconque, par la nature dufluide remplissant le puits (520).

Il y a deux méthodes fondamentales de diagraphie de rayonnement :le gamma ray (= radiation ou rayonnement gamma) et le neutron. L'équipementde gamma ray est relativement facile à mettre en oeuvre, peux coûteux, etprécieux dans les recherches d'eau souterraine (53).

Les atomes d'un certain nombre d'éléments naturels se désintè-grent spontanément. La désintégration lente, mais continue, est accompagnéede radiations : rayons alpha, bêta et gamma. Tandis que les rayons alpha et

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bêta sont arrêtés dans leur traversée par moins d'un pouce [2,54 cm] dematière, les rayons gamma peuvent traverser 2 pieds [61 cm] d'eau et plus de6" de la plupart des terrains. Toutes les formations contiennent une quan-tité variable d'isotopes radioactifs des éléments suivants : potassium,thorium, et/ou uranium ; ainsi les mesures de rayonnement gamma sont-ellespossibles par diagraphie des terrains.

Il est commode, en diagraphie gamma, de classer les terrains en2 groupes : les argiles et les terrains non argileux. Bien qu'il n'y aitpas de valeur spécifique de la radioactivité caractéristique d'une formationdonnée, les passées sans argile sont généralement moins radioactives queles couches argileuses quels que soient la porosité ou le fluide contenu ;mais quelques formations non argileuses ont une radioactivité égale ou su-périeure à celle de l'argile ou des terrains argileux. On examinera plusloin cette exception à la règle.

L'intensité gamma de l'argile varie aussi d'un secteur à l'autre.Dans les dépôts tertiaires et les formations plus récentes, telles qu'onen trouve en Gulf Coast et en Californie, le niveau moyen de rayonnementatteint 5 microroentgens par heure, et généralement le double dans les ar-giles plus anciennes. Certaines argiles organiques marines ont un rayonnementgamma plus élevé que d'autres argiles du même secteur ; aussi, ces argilesmarines constituent-t-elles un excellent marqueur géologique sur le loggamma.

Les terrains non argileux généralement peu radioactifs quand ilsne renferment pas du tout d'argile sont : les sables et grès, le calcaire,la dolomie, l'anhydrite, le gypse, le sel, la plupart des lignites et descharbons. Les formations qui ont une radioactivité élevée [quoique générale-ment inférieure à celle des argiles] sont les arkoses, les grès et sablesfeldspathiques, quelques roches volcaniques et eruptives, la potasse, cer-tains phosphates et ...tous les gisements d'uranium. Une courte, mais in-téressante discussion sur l'activité gamma des sédiments courants a étédonnée par Patten et Benett [500].

12-3-1 Agglications_du log gamma

L'interprétation d'un log gamma est basée sur les observationssuivantes [293] :

1] Dans une région donnée, seule l'intensité relative mesurée pour les dif-férentes formations est significative

2] Les formations présentant une faible intensité gamma sont : le sablepropre, le gravier, le grès, le calcaire, la dolomie, l'anhydrite, lesel, le lignite ou le charbon. Une faible valeur de gamma ray peut in-diquer un aquifère très poreux et perméable, tout aussi bien qu'unterrain imperméable. Il est nécessaire d'avoir les données géologiquespour lever 1'ambiguité.

3] Si l'on sait que, dans une zone donnée, (les sédiments] n'ont qu'uneradioactivité très faible, tous les intervalles du log qui présententune forte intensité gamma correspondent probablement à de l'argile. Lesintervalles d'intensité intermédiaire correspondent à des horizons -généralement aquifères - de matériaux partiellement argileux. On peut

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supposer que la teneur en argile croît presque proportionnellement avecl'intensité gamma.

4) Si l'on ne connaît rien de la radioactivité des roches d'une région, iln'est pas possible d'interpréter les intervalles de logs qui présententune intensité gamma moyenne ou élevée. On peut lever en partie l'ambi-guité qui en résulte à partir de la diagraphie électrique ou des donnéesgéologiques disponibles.

5] On devrait toujours faire des corrélations entre le gamma ray, le loglithologique et toutes les autres données disponibles.

Quelques exceptions aux règles ci-dessus sont énumérées parGUYOD [293] :

1) Lorsque, au lieu de travailler avec une boue correctement conditionnée,on fore à l'eau claire, de l'argile et d'autres cuttings peuvent se déposeret augmenter l'amplitude du gamma ray sur 5 à 10'au fond du trou.

2) Si de la boue épaisse reste derrière le tubage ou si un matériau argi-leux se fixe en surface des intervalles non radioactifs, l'accroissementd'intensité du gamma ray qui en résulte peut être interprété, par erreur,comme représentatif de passages sablo-argileux ou argilo-sableux.

3] Dans les puits gravillonnés, le gravier absorbe une fraction importantedu rayonnement gamma qui devrait normalement atteindre le détecteur, rédui-sant ainsi l'amplitude de rayonnement sur la diagraphie.

4) Si le matériau choisi pour gravillonner est radioactif (roches volcani-ques ou granitiques) la déflexion du log gamma indique la présence etl'épaisseur de ce matériau.

Toutes les difficultés essentielles ci-dessus montrent combienil est important d'avoir le plus de renseignements possibles sur les condi-tions de puits et de terrain.

Les principales utilisations des diagraphies gamma sont lessuivantes :

1) Le gamma ray apporte des renseignements valables sur les puits tubes. Lespuits qui ne donnent pas un débit suffisant ou qui donnent de l'eau ne con-venant pas à l'usage qu'on en attend peuvent être reperforés après diagra-phie gamma pour mise en évidence d'autres aquifères possibles (359,512).

2) En forage découvert, il est également utile de disposer d'un log gammadans les cas où une diagraphie électrique ne serait pas fiable, par exempledans le cas où le forage est rempli d'eau salée ou saumâtre, parce que lediamètre de l'ouvrage est trop grand, ou parce que l'on a pas la sonde adé-quate.

3) Les profondeurs et épaisseurs des couches argileuses ou non sont déter-minables d'après le gamma ray, mais la précision d'épaisseur des couches demoins de 2' (61 cm) est généralement faible.

4) Les données du gamma ray sont précieuses, en complément du log électrique,spécialement pour identifier les lits d'argile et les zones poreuses enroche dense.

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5) Une diminution de perméabilité dans une roche est décelable à partirdu gamma ray. Cette estimation repose sur le remplissage relatif des videsde la roche par de l'argile.

12-3-2 Diagraghie_d^exgloration_des_ressour;çes-iïiinérales

Le gamma ray au même titre que le log électrique sont devenus deprécieux outils d'exploration en recherche minérale, par exemple pourl'uranium, le charbon, le phosphate, etc.. En 1969, on a foré des millionsde pieds pour rechercher des gisements exploitables d'uranium dans leWynonimg, le Texas, le Nouveau Mexique, le Colorado, l'Utah (131,619);etc.. De nombreux forages de recherche minière ont été ensuite équipésen forages d'eau ou abandonnés ; certains ont été obturés avec de la bouenaturelle ou artificielle, tandis que beaucoup d'autres ont été laisséstels quels, s'éboulant avec le temps.

Ces trous ont généralement moins de 300' í¿ 90 m)de profondeuret se trouvent dans des horizons sableux susceptibles de produire de l'eauaussi bien que de l'uranium. L'hydrogéologue devrait être avisé des con-ditions de recherche de l'uranium, d'autant plus que les diagraphies dont ilaura besoin pour équiper correctement les futurs forages d'eau sont lesmêmes que celles qui permettent de connaître les possibilités en uraniumCdans les zones géologiquement favorables).La figure 68 résume les pointsimportants des techniques habituelles de recherche de l'uranium (521).La figure 69 montre un exemple de log typique dans une zone encourageantede plomb à uranium dans le Wyoming, qui indique qu'une accumulation renta-ble d'uranium est possible à proximité, en amont pendage du trou diagraphié(158,296,521).

13 - CONSTRUCTION DES PUITS ET DIAGRAPHIES

On utilise souvent des diagrammes géophysiques en même temps queles observations faites en cours de foration pour identifier les caractéris-tiques des terrains. En cours de foration on peut faire un enregistrementde la vitesse d'avancement. On peut faire des observations quantitatives(en pieds d'avancement par minute) ou qualitatives, en utilisant des appel-lations du genre "rapide, lent, très lent".

Après exécution de la série de diagraphies, la vitesse d'avance-ment est comparée avec les logs obtenus comme indiqué sur les figures 70 et71. La combinaison de toutes les données permet une meilleure interprétationdes propriétés des terrains que l'examen séparé des logs et des observationsdu foreur.

Par exemple, sur la figure 71, il est possible à partir des logsgéophysiques de séparer distinctement les horizons argileux des horizonssableux. Mais la vitesse d'avancement rapide sur tout le passage indique queles sables sont meubles (non cimentés) et qu'il faudra les crépiner pourdévelopper correctement le puits.

L'utilisation des logs comme guides pour la construction du puitsest semblable à celle qu'on en fait en forages pétroliers. On utilise undétecteur de joints pour déterminer la position du tubage, des raccords, desperforations dans les vieux puits et pour localiser des marqueurs de profon-deur si nécessaire (229,424). Il est également possible, avec le log gamma-gamma, de localiser une colonne de tubage à l'extérieur d'une autre. Le dia-métreur est utilisé pour mesurer le diamètre du trou en vue de la cimenta-tion, du gravillonnage, du tubage, de même que pour contrôler les diamètres

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FI.0 -

10-

J0-

30-

40-

50-

60-

NEAR BARREN . „ NEAR REMOTEREMOTE BARREN 1 INTERIOR 2 INTERFACE ZONE 3 ORE ZONE 4 SEEPAGE ZONE 5 SEEPAGE ZONE 6

ICOUNfS PEÍ SECOND

> J 3 4 5 6 1 3 4 S 6 3 3 4 S 6

jIOO

JCPS

jS.OOO

J CPS

llQOOO

J CPS

ii.

- 0

-K)

-50

-30

-40

-JO

-«0RAOIOMETRIC

CROSS-SECTION

HEMATITf SHINING ( 1 3'

IIMONITE STAINING

FHAGMCNTS SHINY ANQ

1 6) ALTERATION

CROSS-SECTION

GENERAL ROCK DESCRIPTION

AKOSIC SAND-COMPACTED SU I NOT CEMENTED SUB-ANGUIAI TO SUt-DOUNDED SHAPES

MEDIUM TO COABSE G>AIN OUADTZ > 8 0 % ÍE10SPA» <IS%

FAII SOITING CAKBON «AGMENTS < S°'o PYRITE ± 1%

BLACK AND GffEEN ACCESSORY MINERALS < 1 %

Figure 68521 - "Type" de province géochimique, bassin de la rivière Powder,

Wyoming.

4 ) on s'éloigne du stérile ; (2) stérile (limité) à la partie moyenne ;

(3) zone de contact (stérile - minerai) ; (4) zone minéralisée ;

3 ) zone de lessivage proche ; (?) zone de lessivage éloigné (du minerai) ;

(7) échelles radiométriques en coups par seconde ;

(8) argile verte ; (9) rouge clair à vermillon ; (To) orange grisâtre à jaune grisâtre ;

(îl) gris m o y e n à foncé ; (l2) dépôts continentaux gris clair à m o y e n ;

(iá) taches d'hématite ; (M) altération croissante (piqûre et temissement) ;

(Í5) fragments mats et en paillettes ; (l6) fragments brillants et durs ;

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I Gamma Log 1

Wit« Ubi«

Figure 69 - Log électrique (PS etrésistivité) et gamma ray indiquant duplomb uranifère encourageant (engageant)

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293Figure 70 - Logs artificiels en terrainsconsolidés avec passées d'argile

(T) résistivité : apparente, réelle

(2) vitesse de pénétration du trépan

293Figure 71 - Logs artificiels dans uneséquence de sable et d'argile. Les eauxsalées des couches inférieures ont unerésistivité voisine de celle des argiles,mais le gamma ray distingue bien lescouches d'argile des couches de sable.

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des tubages, pour localiser les joints et les sections de tubages sérieuse-ment corrodées. Les logs de température et gamma-gamma permettent de loca-liser les limites du ciment à l'extérieur du tubage, mais le cernent-bond .log * qui fait l'objet de recherches plus poussées, n'a pas encore été trèsutilisé en cimentation de forage d'eau où il a pourtant un grand avenir.On peut situer les fuites des tubages et les obturations des crépines à l'aidede traceurs ou du micromoulinet.

Une autre application importante des diagraphies, précédemmentdécrite au chapitre "Caractéristiques du fluide et de l'aquifère", c'est lalocalisation de la profondeur et de l'épaisseur des aquifères potentielscomme guide de pose des crépines (234,538].

En diagraphie de forage d'eau on fait habituellement la polarisa-tion spontanée, la résistivité mono-électrode et le gamma ray. Cette sérieapporte le maximum de données pour le minimum de dépenses.

Les diagraphies sont faites la plupart du temps par contrat avecun opérateur spécialisé. Le prix de revient est fonction des frais d'amenée,selon la distance, de la mise en place et de la profondeur diagraphiée, soiten profondeur réelle, soit forfaitairement par puits. Dans certaines régionsdes Etats Unis on peut faire diagraphier des forages de 500' {¥ 150 m) oumoins pour un prix total (comprenant les 3 variables sus-indiquées) de quel-ques centaines de dollars.

Quelques services géologiques d'états et certains projets fédérauxdiagraphient les forages d'eau pour leur propre compte. On peut généralementse procurer des copies de ces logs auprès du géologue ou de l'entrepreneurde forage. Il existe parfois des logs lithologiques pétroliers susceptiblesde fournir des renseignements stratigraphiques sur les 200 à 300' (60 à90 m) supérieurs.

Actuellement, la plupart des états ont élaboré des statuts de ré-glementation des forages. Certaines normes de construction sont extrêmementimportantes, par exemple la cimentation, les conditions de mise en place,(du ciment] etc.... Cependant il est généralement impossible de visiter tousles forages en cours d'exécution. C'est pourquoi des outils et des techni-ques ont été mis au point pour permettre aux agents de contrôle d'inspecterles forages un certain temps après leur achèvement et ceux qui sont en ex-ploitation depuis de nombreuses années.

Ces outils et techniques de diagraphie de puits permettent de dé-terminer :

1] Si le puits a ou n'a pas été cimenté.

a) comment le ciment remplit effectivement l'espace annulaire ?b) où se situe le ciment ?

2) Dimension et profondeur du tubage

a) état du tubageb) localisation des points de corrosion avancée

cement-bond log = "diagramme d'adhérence du ciment" sert à contrôlerl'épaisseur de la gaine de ciment autour du tubage, le coefficient de rem-plissage de l'espace annulaire (voir description en 3ème partie).

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3) Installation des crépines

a) position des crépinesb] état des crépines

Les outils que certains états et beaucoup d'entrepreneurs utili-sent d'après les normes réglementaires pour certains types de foragescomprennent : les logs gamma, gamma-gamma, sonique (cement bond log], lediamétreur, le log neutron, les logs de P.S et de résistivité.

13-1 Diagraphie de diamétrage

Le log de diamétrage, à l'extrême droite de la figure 56, déli-mite des formations variées d'après le diamètre du trou. Dans les interval-les correspondants aux roches meubles et tendres, le trou à tendance às'agrandir ; en face des roches dures sans cavités ou fissures, il n'y aurapas de cavage et le trou aura un diamètre très proche de celui du trépan.Les diamétreurs sont des appareils très sensibles aux variations de dia-mètre du trou. Ils comportent des lames de ressort indépendantes qui suiventles parois du trou et qui peuvent détecter des variations de diamètre del'ordre de 1/4" (/ 6 mm]. En raison de l'indépendance des lames, le diamètreenregistré est celui du cercle correspondant aux patins situés aux extrémi-tés.

Avec le log de diamétrage on peut également déterminer les volumesdu trou ainsi que les changements de diamètre des tubages (216].

Dn utilise le diamétreur pour localiser l'emplacement des packers,des poches de dissolution, des sabots de tubages. Les diamétreurs ont unnombre variable de lames,habituellement trois à six. La lecture, qui estune moyenne du déplacement de toutes les lames, est enregistrée à la surfacesur une seule courbe.

13-2 Logs de vitesse et de conductivité du fluide

La figure 72 montre l'utilisation combinée de la courbe de vitessedu fluide et de celle de sa conductivité électrique pour identifier des aqui-fères séparés dans un forage artésien. Les mesures de vitesse indiquentqu'il y a quatre aquifères.

Les rétrécissements de diamètre du trou au droit des couches duresprovoquent un accroissement de la vitesse de l'eau, mais chaque aquifèreapparaît distinctement. Seules les deux aquifères du milieu renferment del'eau douce, comme.le montre le log de conductivité électrique sur lequelles eaux très minéralisées se traduisent par des conductivités élevées.

A partir des renseignements donnés par ces deux logs, le puitssera complété pour capter uniquement l'eau douce. On cimentera donc lesaquifères supérieur et inférieur à eau saumâtre pour éviter leur mélange avecl'eau douce.

Le moulinet de jaugeage est également utilisable pour déterminerla fraction du débit obtenu à différentes profondeurs dans un puits nontube, crépine ou recoupant plusieurs aquifères.

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Artesian flow

Fluid velocity

Casing-

Aquiferbrackish waterHard zone'

Aquifer . .jfresh water (f\

Hard zone'—* 1.1 .1Aquifer f}\ V j

fresh water * '

Aquifer ( M 'brackish water > ^ «

Hard zone(no water)

Electrical conductivityof fluid

9

Figure 72198 - 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 àl'eau. Le log de conductivité indique que seuls les deux aqui-fères du milieu contiennent de l'eau douce.

terrain dur, sans eau

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Le moulinet est placé juste au-dessous du niveau de la pompe. Puison 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 moulinetet l'on compte le nombre d'impulsions à intervalle régulier dans un trou nontube, ou au-dessous de chaque tranche de crépine sur un forage au droit deplusieurs horizons aquifères. On peut utiliser la courbe de vitesse ainsiobtenue pour déterminer le niveau dynamique maximal que l'on puisse attein-dre en toute sécurité et à partir de là le débit maximal exploitable dansces mêmes conditions.

13-3 Diagramme de température

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

Inner casing-Outer casings

Ground surface

Cementedzone

Hole filled with_viscous m u d

Temperature increase

Figure 73198

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

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Les thermographes pour forages très profonds coûtent plusieursmilliers de dollars. Mais une sonde thermique non-enregistreuse, avec 500'[/ 150 m] de câble, ne coûte que quelques cenctaines de dollars. Ce type desonde est descendu à la profondeur désirée, on attend la température d'équi-libre qui peut alors être lue sur le compteur.

BIRD (124) et BLANKEIWAGEL (126) donnent des détails sur d'autresutilisations et sur les interprétations des diagraphies thermiques (343,503).

On utilise couramment les logs de température aussi bien dans ledomaine du forage que de la production. En raison de sa progression, essen-tiellement empirique et de nature semi-quantitative, le pétrole a été trèslent à adopter cet instrument. Les applications spécifiques des logs de tem-pérature apportent des renseignements comparables à ceux des autres procédésde 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 detrou. On admet que les mesures de température sont applicables dans les sixcas suivants :

1) limite du ciment2) conduits d'arrivée de gaz3) diagraphie de production d'eau4) profil d'injection de fluide (profils thermiques de fermeture,

puits d'injection d'eau)5) logs d'évaluation de fracture6) logs d'évaluation de l'action de l'acide.

Ces six sujets fournissent une bonne information sur les applica-tions les plus courantes des mesures de température (343).

En 1950, les pétroliers faisaient systématiquement un log de tem-pérature après chaque circulation. A ce moment là un gros effort pour amé-liorer les outils, les techniques et les applications fut entrepris par deshommes tels que GLJYOD (290). Grâce à leur grande imagination et aux progrèsde l'électronique se développèrent des études de gradient et de températuresdifférentielles sensibles et précises. Ceci entraîna la naissance de nom-breuses techniques telles que les profils de températures dans les puitsd'injection d'eau (FIL *, les logs d'évaluation de fracture (FED, et deslogs d'évaluation de l'acide (AEL). On a utilisé ces profils comme logs deproduction d'eau (pour localiser les anciennes limites des zones cimentées,les entrées de gaz, et les conduits aquifères), et pour déterminer les pro-duits retardateurs de prise de ciment adéquats en forage pétrolier profond.

Une technique élaborée d'étude de la température différentiellea été utilisée avec succès pour localiser avec précision une perte en fond-detrou, dans un puits d'injection d' eau,perte qui n'avait pu être détectéeauparavant par aucun autre procédé.Le log de température différentielle four-nit des mesures précises des anomalies de température fractionnée liéesaux mouvements de fluide vers le fond du trou. Outre son utilisation pourdétecter des échanges de fluides dans les puits d'injection d'eau, cettetechnique sert à repérer les fuites sur les tubages, les mesures de gaz, leszones productives, les zones de pertes de circulation, les profils de produc-

* N.T. : FIL = fluid-injection logAEL = acid-evaluation log

FEL = fracture-evaluation log

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tion d'huile et d'eau, et les contacts gaz/huile/eau en plus d'autres appli-

cations aux forages d'eau (526].

13-4 Log acoustique

Parmi les outils de diagraphie aujourdh'ui disponibles, le logacoustique est plein de promesse en ce qui concerne la détermination de ladensité du ciment derrière un tubage, l'analyse du fluide de saturation,la localisation des limites des gaines de ciment, et la détermination de laprésence et de l'extension des fractures d'un terrain (127,630,673].

La mise au point récente d'un appareil perfectionné de diagraphieacoustique permet d'obtenir des renseignements sur la porosité et la litholo-gie en forages tubes (460]. Les diagraphies ainsi enregistrées fournissenten même temps, de précieuses informations sur la gaine de ciment. C'est grâ-ce aux récents progrès en technologie électronique et aux améliorations destransmetteurs acoustiques que cet appareil a pu être réalisé (106].

Dans la plupart des cas, il faut que le ciment remplisse l'annu-laire au moins à 40 ou 50 % pour obtenir un bon enregistrement du temps depropagation dans le terrain. Dans certains terrains "rapides"on a pu obtenirde bonnes diagraphies du temps de propagation de l'onde même avec un pluspetit pourcentage de remplissage.

En raison de la souplesse des appareils de diagraphies acoustiqueset 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 debonnes réponses des terrains, même en travaillant dans un forage tube. On endéduisit aussitôt qu'il s'agissait des passages où la gaine de ciment, rem-plissant bien l'annulaire, assurait une bonne liaison entre tubage et ter-rain. Au début de la diagraphie acoustique on travaillait parfois sur desforages dont certaines tranches étaient tubées. A partir de tels logs on pou-vait tracer la réponse du terrain pour obtenir une bonne corrélation avecles logs des tranches découvertes. Ces logs, de type monorécepteur étaientinutilisables pour le calcul de la porosité. A partir du moment où l'ondisposa du double récepteur, nombreux sont ceux qui tentèrent d'obtenir unlog précis et continu à travers le tubage. Ces tentatives échouèrent pourl'une des deux raisons suivantes : premièrement, l'adhérence du ciment entretubage et terrain était habituellement discontinue ; deuxièmement , lesinstruments acoustiques avaient un signal de rendement insuffisant et nerecevaient pas l'amplification du signal. Ainsi les premiers signaux decompression du terrain ne pouvaient-ils être correctement diagraphies.

Lorsque les transmetteurs électro-acoustiques furent améliorés onobtint de gros progrès dans la mise au point des appareils de diagraphieacoustique. Dans un rapport soviétique, TITK.0V et alter (617] déclarent quela vitesse des ondes sonores indique à la fois l'augmentation de la résis-tance du ciment et la détérioration de sa structure. Le rapport souligne qu'uncoefficient d'atténuation du son constitue un indice sensible, spécifique dudéveloppement de microfractures dans le ciment. A partir de cette constata-tion et des améliorations technologiques en électronique il fut possible demettre au point un meilleur outil acoustique, outil capable de transmettre et

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de recevoir une bonne réponse des terrains entourant le tubage et la gainede ciment. Ces appareils ont été utilisés avec un plein succès au Texas oc-cidental. Dans des nouveaux puits pétroliers qui étaient tubes et dans les-quels les conditions de trou étaient difficiles par suite de fortes pressionsde gaz, on a obtenu de bons logs acoustique - gamma - neutron. On a égalementobtenu de très bons résultats sur des vieux puits pétroliers qui avaient étécomplétés avant la mise au point de l'outil acoustique de porosité (673].

En résumé, les logs d'amplitude acoustique enregistrent les chan-gements d'amplitude des signaux soniques reçus, tandis qu'en diagraphie sonique onenregistre le temps de propagation de l'onde. On utilise l'atténuation d'am-plitude sonique pour interpréter le degré d'adhérence du ciment dans l'annu-laire et pour localiser des zones de porosité secondaire telles que cavitéset fractures. Le rapport entre l'atténuation sonique et les caractéristiqueslithologiques des aquifères, qui conditionnent la perméabilité, a un grandavenir en hydrogéologie (511).

2 - NOUVEAUTES DANS LES DIAGRAPHIES

Plusieurs techniques de diagraphies et d'interprétation en coursd'expérimentation dans le pétrole ont un grand avenir en hydrogéologie (356).

L'hydrogéologie n'utilisera ces outils sophistiqués et ceux quiseront mis au point ultérieurement qu'à partir du moment où ils conviendrontparfaitement pour les opérations de routine, où leurs dimensions et leursprix seront réduits. Les techniques qui semblent généralement les plus pro-metteurs sont :

1) les diagraphies de relaxation neutronique ;2) plusieurs espèces de diagraphies spectrales ¡3) les diagraphies de résonance magnétique nucléaire j4) les traitements de diagraphies par ordinateur.

Les diagraphies du temps de relaxation neutronique ou du temps deralentissement du neutron thermique utilisent une source émettrice deneutrons par impulsions et d'un détecteur de rayonnement gamma à ouverturesynchronisée qui mesure le rayonnement gamma et également les neutrons danscertaines conditions. Avec ce système on mesure le champ gamma ou neutronà deux ou plus, temps présélectionnés après chaque pulsation d'émission deneutron. On a pu démontrer, d'après le diagramme de réponse aux neutronsémiSjqu'il y avait une relation cohérente entre la porosité et le fluidecontenu dans une formation donnée. Le système a plusieurs avantages sur leslogs de neutrons en continu : il est beaucoup moins influencé par les para-mètres de trou et donne des résultats plus précis en forage tube ; en outre,les générateurs utilisés sont quelquefois capables d'envoyer des flux deneutrons plus élevés que ceux d'une source radioactive, et il n'est pasnécessaire d'utiliser des blindages protecteurs en dehors des périodes d'uti-lisation.

Un émetteur de neutrons transportable de même type permet l'analysede l'activation neutronique en forage. En diagraphie d'activation, on en-registre habituellement, avec quelques secondes de décalage, le rayonnementgamma émis par certains atomes sous l'effet d'un bombardement neutron. Cesrayons gamma proviennent du ralentissement de radioactivité d'éléments à de-mi-vies brèves. Ces éléments résultent de l'absorption d'un neutron ther-mique. Le rayonnement gamma, dont l'énergie est caractéristique de l'élémentémetteur, est produit par le noyau après capture d'un neutron thermique.

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Un analyseur multicanaux enregistre l'énergie de distribution des photonsgamma qui atteignent le détecteur à scintillation. Bien que les effets detrou introduisent beaucoup de complications, on a utilisé cette techniquepour l'analyse d'activation qualitative en forages. Les émetteurs actuelsde neutrons sont trop encombrants, trop coûteux et trop exigeants en puis-sance électrique pour que leur emploi puisse se répandre en hydrogéologie.

Les analysateurs multispectraux et l'équipement de diagraphie dedifférenciation d'énergie améliorent la qualité des informations donnéespar les logs neutron et gamma. Le potassium 40 et les descendants de l'u-ranium et du thorium sont présents en quantités variables dans différentesroches ; on peut également utiliser leur abondance relative pour caracti-ser certaines unités lithrostratigraphiques. On a pu également utiliserl'analyse spectrale pour identifier et suivre des radioisotopes présentsdans des déchets enfouis en profondeur et des traceurs radioactifs en ré-seaux Karstique aquifères (355). L'analyse spectrale et la differentiationd'énergie augmentent la qualité des logs neutron et gamma-gamma. Des sépa-rateurs de limites supérieure et inférieure permettent d'éliminer la plusgrande partie des radiations dont l'énergie est au-dessus et au-dessous deces limites .

La diagraphie de résonance magnétique nucléaire est une techniquerelativement nouvelle, inappliquée jusqu'ici en hydrogéologie, et les logsne sont réalisables que par les sociétés de services.

On a pu démontrer récemment qu'il existait un rapport entre lesparamètres mesurés à partir de ces diagraphies et la perméabilité d'uncertain nombre d'échantillons de grès. L'appareil de diagraphie mesure lespropriétés magnétiques nucléaires de l'hydrogène des fluides de formationet fournit deux valeurs : le temps de relaxation thermique et l'indice defluide libre, qui est fonction de la porosité effective et de la quantitéde liquide déplaçable. La théorie et l'appareillage de diagraphie de résonan-ce magnétique nucléaire sont tous deux trop complexes pour être décrits icien détail. En bref, l'appareillage à descendre dans le trou consiste en unebobine 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 unfaible voltage de courant alternatif dans les bobines de 1'électro-aimantinactif. Ce qui est important, dans ce type de diagraphie, c'est que l'onobtient uniquement la réponse de l'hydrogène contenu dans les fluides defaible viscosité. En outre les fluides fortement liés par tension superfi-cielle aux éléments fins du terrain ne participent pas à la réponse. A l'in-verse, le log neutron classique intègre la totalité de l'hydrogène, quel-que 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 serviceset la Commission de l'énergie atomique des Etats Unis fait également l'in-terprétation des logs pour le calcul des réserves d'uranium. Un certain nombre 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 peu-vent être calculés à partir de logs digitalisés enregistrés sur bandes

X N.T. : Le Service Géologique National du B.R.G.M. procède également àl'interprétation des diagraphies par ordinateur.

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BO

magnétiques. Ces paramètres peuvent être rejoués en enregistrement continuet l'on peut choisir le mode de présentation graphique en fonction du pro-blème. On peut également digitaliser d'anciens logs géophysiques et les en-registrer sur bande magnétique pour les analyser ensuite par ordinateur. Ilfaudrait disposer d'un grand nombre de logs de forages d'eau, sous présen-tation standardisée, à. collationner et interpréter, pour justifier le tempsde programmation et de traitement à l'ordinateur. Les quelques logs standar-disés actuellement disponibles ne méritent pas une telle dépense, sauf pourde rares applications où les coûts ont une importance secondaire. Toutefois,l'emploi de l'ordinateur peut être actuellement justifié pour calculer descoefficients de corrélation en vue d'étalonner des logs géophysiques à cer-taines profondeurs à partir des valeurs déterminées sur carotte ou échan-tillon de terrain.

En recherche minière et pétrolière, on poursuivra dans l'avenirle perfectionnement des divers procédés d'étude des forages par la géophysi-que. La recherche d'eau de plus en plus informée bénéficiera de ces progrès,et les modifications qu'elle pourra apporter seront éventuellement bénéfi-ques 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 laqualité de l'eau par soupapage, lorsqu'on fore par battage au câble. Parcette méthode on aura des renseignements qualitatifs sur les caractéristi-ques des aquifères, les niveaux piézométriques des diverses formations ren-contrées, etc.. On déterminera la qualité de l'eau à partir d'échantillonsprélevés au fur et à mesure de l'approfondissement, en soupapant au droitdes horizons découverts, les couches supérieures étant tubées.

On peut vérifier les interprétations des diverses diagraphiesgéophysiques en isolant certains horizons choisis dans les forages au moyende packers gonflables en utilisant les méthodes d'essais aux tiges (126).Dans le pétrole, les essais aux tiges donnent des renseignements sur lesdiverses propriétés des formations profondes (140]. Comme il devient deplus en plus nécessaire d'étudier les caractéristiques hydrauliques et chi-miques des terrains profonds pour comprendre le comportement de l'eau sou-terraine, les résultats des tests effectués par les pétroliers constituantune source d'information importante que l'on ne peut se procurer en raisonde son prix de revient élevé. Ces résultats d'essais effectués courammentsont extrêmement utiles pour les études hydrogéologiques.

Comme on consomme de plus en plus d'eau souterraine et que l'ona de plus en plus besoin d'utiliser les réservoirs souterrains naturels ilconvient de bien connaître les aquifères existants : Cette connaissance im-plique souvent des informations sur les terrains situés au-dessous de ceuxqui sont aujourd'hui sollicités par les forages d'eau. Dans certaines ré-gions il existe de tels renseignements disponibles à partir des pompagesd'essais effectués en cours de forage par les pétroliers.

Les pétroliers font habituellement des essais aux tiges en coursde forage pour recueillir des échantillons du fluide emmagasiné dans lesterrains. Les essais modernes fournissent trois types de renseignements hy-drologiques :

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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 inté-ressant est isolé au moyen de packers gonflables descendus à l'extrémitédu train de tiges,* ce qui permet l'entrée du fluide dans les tiges sousl'influence de la pression de formation (voir la figure 74).

Habituellement, dans les essais relativement peu profonds, letrain de tiges est initialement vide et ouvert à l'air libre. Par ouverturede la vanne du testeur pendant une courte période, on permet la montée dufluide dans le train de tiges. La période d'ouverture varie habituellementde 30 minutes à 2 heures. Après la période de production la vanne est fer-mée, refermant ainsi la formation dans laquelle se fait la remontée de lapression. Les pressions sont enregistrées pendant l'essai au moyen d'untube 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 laprofondeur prévue dans le trou. Le manographe enregistre l'accroissementde pression de la colonne de boue au fur et à mesure de la descente destiges.

2) Lorsque le tube perforé atteint la position désirée,- le packer est gonflépour isoler à la fois, l'horizon à tester et le manomètre de la colonnede boue surmontant le packer. Avec la vanne du testeur on permet à laformation de produire quelques minutes pour ramener la pression de lazone isolée à un niveau proche de la pression atmosphérique, puis on fer-me la vanne. La pression remonte au point de tendre asymptotiquement versla pression de formation. La période initiale de fermeture dure habituel-lement 15 à 45 minutes.

3) Après la période initiale de production et de fermeture, la vanne de tes-teur est ouverte à nouveau et le fluide de formation pénètre dans letrain de tiges. Dans l'intervalle isolé la pression est réduite à la pres-sion atmosphérique, mais, comme le fluide produit monte dans les tiges,la colonne de fluide provoque une remontée de pression. Habituellementcette période de production dure entre 1/2 heure et 2 heures.

4) Après la période de production la vanne du testeur est refermée, isolantainsi la formation et permettant à la pression de remonter. Pendant cette

N.T. : En fait on descend un testeur (tester en anglais) qui comporte, ou-tre les packers expansibles, plusieurs vannes, des manographes,etc.. (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 élas-tique, à paroi mince, de section elliptique, en forme de pointd'interrogation ; sa déformation, sous l'influence des variationsde pression est amplifiée par un jeu de levier commandant l'ai-guille qui se déplace devant un cadran gradué. Ce manomètre in-dustriel a été inventé par un ingénieur français, BOURDONEugène, né à Paris, (1808-1894).

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Figure 74i

Intervention en forage découvert ou tubé avec un packer doublegonflable.

(T) mandrin ; (2) appareil de positionnement (vertical) ; Q) manchon à

orifice obturable, supérieur, central, inférieur ; (4) élément gonflable, supérieur,

inférieur; Q) espacement variable ; (6) mandrin d'obturation ; (7) descente;

(D gonflage du packer ; (9) ouverture entre packers ; m3) ouverture sous le

packer inférieur ; (il) égalisation des pressions ; Q2) dégonflage des packers ;

(is) mouvement des fluides à l'intérieur de l'outil ; (l4\ partie de l'outil ouverte

vers le trou.

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LE MULTI-FLOW EVALUATOR DE JOHNSTON TESTERS

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

TEST.S £H TROU TUBE( TRAIN CQNVLNTIQNNCL J ^ ^ ^

i - TEST S/MPLL Z - TEST SELCCT/F

Fig. 74 b - Deux types de test en trou tube(1)

— Masses-tiges ou tiges

—Vanne de circulationinverse

Multi-Flow Evaluator

— M F E By-Pas s Valve

-Coulisse hydraulique

Joint de sécurité

Packer équipé du

MFE Safety Seal

Crépines et enregis-treurs de pression

(a) Test normal

Tiges -

Raccord decirculation (')"

Tiges-

MULTI-FLOWEVALUATOR

MFE HYDROSTATICBIAS

Coulissehydraulique

Joint desécurité

MFE CASINGBY-PASS

FULL BORECASING PACKER

Crépine légère-

Enregistreurs

de pression"

(b) Test sélectif

Tige»Raccord decirculation (')"Tiges

MULTI-FLOWEVALUATOR

MFE HYDROSTATICBIAS

Coulissehydraulique

Joint desécurité

MFE CASINGBY-PASS

Fourreaud'enregistreurEnregistreurde pression

Raccord bouché'

MFE CASINGBY-PASS

FULL BORECASING PACKER

Crépine légère-

Enregistreursde pression

Packer à goupillede cisaillement"

Crépine épaisse-

1- Dispositif de Sélection (|) Eventuellement : Clutch type Reserving Valve, (vanne de circula-

Le dispositif de sélection est tion rotative verrouillée par clabot) avec les équipements h 1/4" et

c o m p o s é de trois pièces e s s e n - 3 1/8 O . D .

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

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

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

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

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période finale de fermeture (période de récupération) le manographe en-registre 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 produc-tion.

5) Après cette période finale de fermeture, le packer est dégonflé, et lapression reprend une valeur correspondante à celle produite par la co-lonne de boue, que 1' on appelle pression hydrostatique de la boue. Letrain de tiges est alors retiré du trou. Le manographe enregistre ladiminution de pression au fur et à mesure de la remontée des tiges. Lacolonne du fluide de formation produit au cours du test reste dans lestiges jusqu'à ce que celles-ci atteignent la surface, ce qui permet derecueillir un échantillon de ce fluide. En mesurant la longueur de tigesremplies de fluide on peut calculer le volume produit.

Il existe des variations dans le déroulement des opérations dutest de même que dans les accessoires accrochés aux tiges. Les essais récentsdonnent à la fois la pression statique initiale et la pression statique fi-nale comme indiqué ci-dessus ; par contre les essais les plus anciens étaientfaits 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 surla paroi du trou. L'une de ses principales fonctions est de réduire les per-tes de fluides du trou. Le cake de filtration déposé sur les parois du troupeut envahir la formation sur de courtes distances, réduisant ainsi la per-méabilité autour du puits. Cette zone de perméabilité réduite affecte le ré-gime de la remontée de pression dans l'essai aux tiges de la même manièreque des crépines partiellement bouchées dans un forage d'eau. Lorsque letemps de remontée augmente, l'effet de la zone périphérique de perméabilitéréduite diminue puisque la fin de remontée est essentiellement fonctionde 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 defluide produit pendant la période courte de l'essai sera lui aussi fortementréduit. Le concept de "skin effect" = effet de peau (perturbation produitepar la boue) a été introduit par VAN EVERDINGEN (634) en vue d'évaluerl'influence de la boue sur la diminution de débit.

DOLAN et alter (204) ont employé une autre expression, le "taux deperturbation" (damage ratio) qui est le rapport entre le volume de fluidesusceptible d'être produit par un terrain bien décolmaté au volume de fluideréellement produit. DOLAN a analysé théoriquement à la fois l'effet de peauet le taux de perturbation.

Le problème de colmatage du terrain productif par la boue est dumême type que le problème des pertes de charge dans les forages d'eau àfaible rendement (556). L'indice de productivité, défini plus loin au cha-pitre 13, qui donne le rapport entre le débit et la chute de pression dansle puits, est analogue au débit spécifique (débit par unité de rabattement)utilisé par les hydrogéologues.

Les unités utilisées habituellement dans les essais aux tigessont, actuellement, influencées par la recherche pétrolière. Le tableau 19énumère ces unités en regard des unités correspondantes utilisées habituel-lement en hydrogéologie. Les débits de production des pétroliers sont habi-tuellement exprimés en barils par jour, la perméabilité, en millidarcy, lesprofondeurs et épaisseurs des terrains en pieds.

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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 (éta-lées) rencontrées. Cependant avec le manographe à tube de Bourdon actuelque l'on peut étalonner fréquemment, et avec le lecteur micrométrique dediagramme 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 à0,14 bar pour des pressions de 275 à 345 bars ; (p.s.i. = pounds per squareinch = livre par pouce carré = 0,06895 bar = 0,07031 Kgf/cm2).

Il y a d'autres difficultés dues au fait que les hypothèses debase du modèle mathématique ne sont qu'approximativement satisfaites, parles conditions réelles de terrain. Des facteurs tels que : 1°) la pressioncroissante de la colonne de boue sur le terrain au fur et à mesure de laforation ; 2°) l'étanchéïté imparfaite de l'un des packers ; 3°) les incer-titudes d'interprétation dues à la durée réduite de l'essai, à la pénétra-tion partielle de la formation testée, etc.... rendent l'interprétationquantitative de plus en plus difficile.

D'après les essais effectués dans le Big Horn Basin, l'expériencemontre que la marge d'erreur à appliquer à la valeur de la pression obtenueest 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 à60°F (= 15,55°C)

-31 millidarcy (10 darcy) = 0,01824 gallons par jour par pied carré

On utilise des packers depuis de nombreuses années pour les essaiset la completion des forages pétroliers, mais leur usage ne s'est pas encorelargement répandu en forages d'eau. L'utilisation de packers doubles gon-flables 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 deprélèvement 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 pompantentre 7 et 14 gpm (7 à 14 gallons par minute = 26,5 à 53 1/mn) selon laprofondeur d'échantillonnage. L'équipement peu encombrant est facile à met-tre en oeuvre puisqu'il suffit de manipuler une "ligne" de tubes légers.On a modifié récemment cette méthode en incorporant à l'équipement un pa-cker gonflable par la pression de la pompe et dégonflable en supprimant lapression. On peut ainsi prélever des échantillons à intervalles isolés.D'autres outils, récemment mis au point par l'U S G S (United States Geo-logical Survey] pour mesurer des pressions de fond des liquides et des gazsont 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 partdu soin apporté à la récolte des échantillons des terrains recoupés. Géné-ralement les échantillons sont prélevés aussitôt que la sonde atteint unhorizon aquifère.

Toutefois, dans un secteur où la géologie n'est pas très bien con-nue, on doit prélever et conserver les échantillons à chaque changement deterrain. La conservation d'échantillons prélevés au-dessus des aquifèrespotentiels est très utile dans beaucoup de cas pour les forages d'eau àfaire ultérieurement et même pour d'autres substances minérales interstra-tifiées, telles que les minerais sédimentaires d'uranium, d'argent, etc..(56,155,318,417,469,594].

Les échantillons prélevés au battage au câble sont habituellementreprésentatifs de l'intervalle foré entre deux opérations de soupapagebien qu'une certaine contamination des déblais des roches dures soit possi-ble à partir de retombées dues au mouvement du câble dans la zone supérieurenon tubée. Il est relativement facile de mesurer la profondeur de l'outilaccroché au câble mais une vérification périodique avec une "ligne" de tubesd'acier est nécessaire en raison de l'allongement du câble. Le broyage dû autrépan donne des cuttings relativement fins'; dans certains forage3 ils sontmême réduits en poudre si l'outil est u-sé ou si le trou est plein d'eau. Lafinesse des cuttings est gênante pour faire une bonne lithologie et récupérerdes fossiles en bon état. Il y a un autre inconvénient en forage au câble : lacoupe lithologique ne peut être précisée à partir du log électrique, irréa-lisable parce que les trous sont généralement tubes ; toutefois il restepossible de faire des diagraphies radioactives et soniques.

En forage au câble, les échantillons des terrains meubles granu-laires sont habituellement excellents. Dans certains cas le tubage peutêtre descendu uniquement en soupapant le terrain meuble, sans qu'il soitnécessaire 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'utilisationdu trépan pour broyer les graviers, ce qui diminue la qualité des échantil-lons en particulier pour les analyses granulométriques. On doit toutefoisprendre garde en soupapant des sables fins et silts d'éviter les éboulementsdans le trou.

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En forage à la rotation on récolte habituellement les échantillonsà intervalles réguliers de 5 à 10' [1,5 m à 3 m]. Ce ramassage systématiquefacilite le tracé du log de prélèvements ainsi que le repérage des oublis.La dimension des fragments de roche s'étale habituellement entre 1/16" et1/2" 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 ro-tation, l'étude peut en être faite assez rapidement sous un faible grossis-sement, et l'on peut, sur certains échantillons étudier des microfossilesou des microstructures de la roche. A la rotation on prend ordinairementde nombreuses carottes, ce qui permet de faire une lithologie détaillée etmême de remonter des macrofossiles.

Les échantillons prélevés à la rotation sont habituellement con-taminés par des fragments éboulés repris par la circulation de boue. Laproportion d'éléments éboulés peut augmenter si la viscosité et les condi-tions de circulation de la boue ne sont pas correctement suivies. Les dif-férences de vitesses de sédimentation dans la boue des éléments de grandeet petite taille entraînent également un mélange des cuttings issus des dif-férentes couches. Par suite du retard dans la remontée des cuttings, l'échan-tillon recueilli en surface, lorsque le trépan atteint une profondeur donnée,provient en réalité des terrains situés un peu plus haut. Le décalage peutêtre de 20' ou plus dans un trou de 300' ; on peut obtenir des échantillonsreprésentatifs du fond en faisant circuler la boue sans forer pendant letemps nécessaire à la remontée complète des cuttings. On peut corriger d'unecertaine façon les profondeurs des échantillons en déterminant empiriquementle temps de remontée à partir de marqueurs - des grains de riz par exemple-introduits dans la boue, dont on mesure le temps d'aller et retour. Lacorrection couche-par-couche la plus précise consiste à faire un log élec-trique ou radioactif tandis que l'on fait une coupe géologique d'après leséchantillons. A partir d'un marqueur argileux facilement reparable sur lelog, on peut, par comparaison avec les échantillons, définir le temps deretard à la remontée. En général, lorsque la vitesse d'avancement croît,le retard croît également à moins que la circulation soit maintenue pendantque l'on ajoute une tige pour rattraper ce retard.

En rotation classique, les échantillons obtenus dans les terrainsmeubles peuvent être de mauvaise qualité ; lorsque l'on fore à l'eau claireou avec une boue organique auto-dégradable,il sera particulièrement diffi-cile d'obtenir des échantillons représentatifs à la traversée des couchesminces de sable, de gravier et d'argile, même si la surveillance géologiqueest faite avec beaucoup de soin. Les argiles tendres se dispersent et semélangent à la boue. Parfois il est impossible de différencier à partir descuttings le sable argileux, l'argile sableuse et les alternances fines desable et d'argile. On recommande dans ce cas là de faire des carottes oudes prélèvements par enfoncement d'un tube coupant.

Les échantillons obtenus en rotation à l'air sont généralementsupérieurs aux échantillons récoltés en foration à la boue. Le forage àl'air est aujourd'hui très utilisé en recherche minière. Toutefois, lesterrains qui contiennent des minerais tendres,en petites particules, peuventêtre difficiles à identifier puisqu'une certaine dilution de l'échantillonpeut se faire au cours de sa remontée depuis le fond du trou. Il fautalors tuber pour réduire cette dilution et le mélange de l'échantillon avecles formations meubles à grain fin de la tranche supérieure du sondage.

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En rotation par circulation inverse, le prélèvement des échantil-lons requiert une certaine expérience et un équipement spécial, mais un opé-rateur habile peut obtenir d'excellents échantillons. Par suite des vitessesélevées à la sortie du train de tiges, qui atteignent ou dépassent couram-ment 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 laroche en morceaux plutôt qu'à la broyer, et les cuttings sont immédiatementenlevés de l'outil et amenés en surface. Cette méthode est particulièrementadaptée à l'exploration minière peu profonde où la qualité de l'échantil-lonnage est très importante. En raison de l'importance des vitesses et volu-mes d'eau nécessaires il faut généralement s'équiper avec un réservoir de ré-cupération des échantillons de 55 gallons [fût de 208 litres] et avoir uncarottier à échantillons. Les baquets et les tamis sont généralement inuti-lisables.

41 - LES CAROTTES

Le carottage est bien entendu une méthode d'échantillonnage aussibien qu'une méthode de foration. On peut carotter avec une sondeuse à câbleou à rotation, celle-ci étant beaucoup plus courante. Lorsqu'on entreprendle carottage pour obtenir de bons échantillons de terrain plutôt que commeméthode de foration, les carottes auront habituellement au maximum 4" dediamètre et 10' de longueur, quoique dans certaines études appliquées ontait 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'étaitla méthode de foration la plus rentable, dans des secteurs où les rochesétaient particulièrement dures. Dans ce cas on utilise généralement desoutils 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 quel'on dispose de plusieurs centaines de pieds de carottes dans une série,les possibilités d'étude détaillée sont bien supérieures à ce qu'elles sontà partir des cuttings ou des affleurements sporadiques. On peut observeraussi bien qu'en affleurement, altération superficielle en moins, et desmacrofossiles peuvent être remontés intacts ; on peut repérer avec précisionla succession des différentes couches ainsi que leur épaisseur. Les grossescarottes sont parfois découpées en long avec une scie diamantee et conser-vées intactes. Le plus souvent on décrit les carottes sur le chantier de fo-rage et l'on prélève des échantillons représentatifs pour réexaminer en la-boratoire, chaque fois que cela sera nécessaire dans le futur pour d'autrestravaux.

On utilise généralement aujourd'hui des carottiers doubles. L'ex-tracteur consiste en un élément supérieur formé de doigts à ressort,et d'unélément inférieur constitué par une attache articulée pour mise en actiondu ressort, maintenus en position voulue dans l'outil par un manchon à lo-gement ajusté. On utilise le même montage, aussi bien pour les fraises àterrains durs que pour celles à terrain.tendre, montage placé aussi bas quepossible. La communication entre le tube intérieur et le train de tiges sefait à travers un filtre, un clapet à bille, un presse-étoupe, et un éventmultiple. Ce dispositif permet à la carotte d'entrer à l'abri de la pressionde boue et du fluide emprisonné au sommet de la carotte de sortir en bassepression.

Le bouchon de carottier est un perfectionnement pour empêcherl'encrassement de l'extracteur et du tube intérieur par les éboulements oudébris de terrains. Normalement, on descend l'outil de façon à ce que lebouchon (légèrement avancé) touche le fond'en premier ; lorsqu'on appliquele poids sur l'outil, les rivets de fixation du bouchon sont cisaillés et parla 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 peudifférent de ceux décrits plus haut en raison des conditions spéciales. S'ilarrive que les terrains soient boulants, et que l'on ne dispose pas d'unebonne boue, le temps de carottage est consacré en grande partie à atteindrele fond. Dans ces cas-là il convient de préparer de la boue et de l'injecterpar le tube intérieur du carottier afin de bien nettoyer le fond. On emploiedivers accessoires dans ce but, dont le plus courant est l'obturateurd'évent du tube intérieur du type "chute de boule". La boue est d'abord en-voyée par l'intérieur du carottier de façon à évacuer les cuttings et déblaisencombrant le fond. On laisse alors tomber la boule qui se loge sur son siè-ge 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 lecarottier, à l'entrée duquel s'exerce une contre pression lorsqu'on rencon-tre des morceaux de carotte. D'autre part, pendant ce lavage en pression ef-fectué au cours de la descente vers le fond, les matériaux évacués avec laboue peuvent détériorer les extracteurs.

Les couronnes à diamants, qui se sont répandues au cours desannées passées, doivent être utilisées pour carotter certains terrains trèsdurs et fortement cimentés lorsque le prix du carottage avec des outils àmolettes s'avère trop élevé. Bien que le prix d'achat d'un outil diamantésoit environ 20 fois plus élevé que celui d'un outil à molettes pour terraindur les différences de vie des outils, de vitesses d'avancement et la réduc-tion du nombre des manoeuvres font que les prix au mètre foré sont en faveurdu carottage au diamant. La couronne diamantee comprend un "corps" d'acierfileté sur lequel est fixée une matrice avec, en surface, une série de dia-mants qui sont les éléments coupants. Les diamants sont sertis à la baseet 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 conditionsidéales] de forer plusieurs centaines de pieds avant que l'usure ne lesrende inutilisables, on les place habituellement sur des carottiers pluslongs que ceux que l'on utilise avec des outils classiques. Les carottiersplus longs permettent de faire de grandes carottes réduisant ainsi le nombredes manoeuvres. Pour les petites opérations on prend habituellement des ca-rottiers de 20' [/ 6,10 m]. Les cuttings étant de faible dimension ou réduitsen poudre, il s'ensuit qu'on a besoin de moins de fluide en circulationavec 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 depiètres résultats. Le plus ancien des trois extracteurs les plus populairesétait du type à ressort avec les doigts du ressort qui s'appliquaient entrela carotte et qui se rabattaient en un pont pour la retenir au cours de saremontée. Cet appareil était particulièrement valable en terrain meuble,tendre. Le deuxième modèle d'extracteur était du type crampon à ressort ar-ticulé. Ce modèle a une plus grande force et il s'adapte à une plus grandediversité de terrains. Le troisième extracteur dérive du second, avec lescrampons à ressort articulé et une série de coins ajustés à un biseau placédans un logement conique autour de la carotte lorsqu'on relève l'outil. Lescoins serrent lorsque la carotte résiste au mouvement et la carotte est bri-sée au-dessous des coins. Il existe beaucoup d'autres modèles d'extracteursde carotte sur le marché qui utilisent des moyens mécaniques comme accessoi-res 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 àprendre pour leur utilisation.

Il existe plusieurs modèles de carottiers rétractables qui per-mettent la remontée périodique du tube intérieur et de la carotte à traversle train de tiges.

Les manoeuvres (de tiges) ne sont nécessaires que lorsque lacouronne est usée (337).

On peut carotter avec succès de nombreuses formations, mais lessables meubles, les calcaires et dolomies fracturés, les conglomérats, lesintercalations de silex et les aleurolites * sont les plus difficiles àcarotter.

Le point le plus important du carottage, c'est l'adaptation del'outil.

Pour les marnes et sables tendres ou moyennement durs et pour lesterrains 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 re-quièrent un tricône on prendra une fraise à rouleaux. Il y a des terrainspourtant, tels que les conglomérats et certaines marnes indurées, forésordinairement avec des tricônes, qui seront mieux forés avec des fraises àlames 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 cou-pera pas suffisamment pour assurer un bon carottage. On emploiera une cou-ronne à diamants dans les grès, les pélites, et même dans les argilites etles marnes (363).

En carottage, la vitesse de rotation est généralement de 20 à 40tours par minute, avec un poids sur l'outil relativement faible mais crois-sant (avec la profondeur). Le débit de la pompe doit être adapté au terrainà carotter, c'est-à-dire que les terrains durs, cohérents ou collants deman-deront un débit de boue du même ordre que celui que l'on utiliserait avec untricône de même diamètre. En terrains tendres, on aura un bon carottage enenvoyant un débit de boue juste suffisant pour éviter le collage. Il esttrès important d'augmenter le poids graduellement et en continu (136,405).En recherche minière et pétrolière, il est primordial d'obtenir le maximumd'efficacité au carottage (337).

Il existe de nombreuses raisons pour expliquer une mauvaise récu-pération 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 laboue, ce qui entraîne un désaxage de la couronne provoquant une réductiondu 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 dela carotte se fera difficilement j si c'est le tube extérieur qui estdéformé, il y aura rotation excentrique au fond ; un flambage des tigesprès du carottier produira le même effet.

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

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4] Un mauvais affûtage des lames de la fraise donnera des lames de longueursdifférentes j un affûtage des dents qui entraînerait une carotte surdi-mensionnée provoquerait de ce fait, une mauvaise circulation de la boue ;

une recharge défectueuse de la couronne peut affaiblir la résistance departies vitales.

5] Si le poids sur l'outil est insuffisant ou s'il n'est pas appliqué gra-duellement il y aura parfois excentrage de l'outil, donc affouillementde 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 ré-cupération. Même s'il y en a peu, il suffit de quelques débris coincésdans la zone de coupe pour détruire la carotte.

7) La longueur de carottage est parfois excessive avec certains outils etdans certains terrains. En terrains fragiles ou cassants on peut remontersouvent autant de carotte en forant 31 que 20'. Avec ce type de terrain,il y a fragmentation et coincement des morceaux dans le carottier, detelle sorte qu'une poursuite de carottage n'apportera pas plus de carottedans le carottier.

6) Changement de terrain en cours de carottage. Les éléments durs carottésau début, au-dessus des couches tendres, offrent une résistance de frotte-

ment suffisante pour empêcher l'entrée d'un supplément de carotte dans lecarottier.

9] Des additions de tiges en cours de carottage sont quelquefois dangereuses.Chaque fois que l'outil est remonté, l'extracteur doit fonctionner. Ainsi,lorsqu'on redescend l'outil au fond, l'extracteur peut être refermé etdonc empêcher ensuite l'entrée de la carotte. Dn a alors un extracteur"d'occasion" dans un état douteux.

10]Un carottage à vitesse élevée est habituellement dangereux. L'outil tra-vaille plus brutalement et la carotte à tendance à se briser. Les molet-tes d'outil pour terrain durs ont un faible diamètre et elles font plu-sieurs révolutions par tour du train de tiges. Il y aura donc usure ra-pide des roulements et des dents.

Les alternances de terrains tendres : argiles, sable et graviersont le plus souvent difficiles à carotter, bien que des exemples de réussi-te soient rapportés (390,573]. On pourra souvent obtenir de bons échantil-lons dans ces terrains par enfoncement d'un tube coupant. Il en existe denombreux modèles qui vont de 1,5' à 5' [/ 0,46 à 1,5 m] de long et 1,5" à6" de diamètre (653]. Ces carottiers peuvent être enfoncés par battage,lorsqu'on travaille par battage au câble, ou par pression hydraulique sil'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 rotationtravaillant en circulation inverse en descendant au fond du trou le carot-tier-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 defondations, mais il présente certaines possibilités en hydrogéologie etrecherche minière (348,372]. En outre le carottage latéral qui remplace ra-pidement le carottage conventionnel dans le pétrole pourra également sedévelopper dans un proche avenir en recherche d'eau souterraine (338].

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Adapter with 21/2"female straight thread

[2) Butt weld

52Figure 75 - 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

2ÈME P A R T I E

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.

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82

S O M M A I R E

Pages

INTRODUCTION 83

1. DETERMINATION DE LA QUALITE DE L'EAU 8411. Utilisation de la P.S 8412. Résistivité de l'eau (R ) déterminée d'après la résistivité

du terrain 9413. Résidu sec (R.S) et chlorures (CI") d'après Rw 94

2. APPLICATION DES MESURES DE RESISTIVITE DE FORMATION 9521. Conductivité de surface (des grains) 9522. Influence de la granulométrie sur le facteur de formation F 9523. Rapports entre F, la perméabilité et la granulométrie 99

CONCLUSION 103

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 104

ANNEXE : 105

Analyse granulométrique 105Détermination du diamètre efficace d 105

eEvaluation du classement 105

N.T. Remarques relatives aux courbes granulométriques. 107

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83

AVERTISSEMENT

Cette note âe R.P. ALGER complète la-première -partie par certainesexplications détaillées et par des exemples âe calcul des paramètres telsque F3 R. etc ...

Sa traduction est partielle : on a volontairement omis les géné-ralités sans importance et les développements repris presque mot pour motdans le texte du W.W.T. présenté en 1ère partie.

INTRODUCTION

On a écrit des volumes sur l'interprétation des logs électriquesen recherche pétrolière, mais on a bien peu publié sur l'interprétation deces logs en forage d'eau douce.

Les méthodes d'interprétation des pétroliers ne sont pourtant pasdirectement applicables sur les forages d'eau douce. On se trouve ici dansun domaine très différent, en particulier par suite des effets dûs à l'eauintersticielle elle-même, à sa force ionique, et au fait que sa résistivitéest environ de deux ordres de grandeur * plus élevée que les eaux connéesliées au pétrole.

L'hydrogéologue et le foreur d'eau n'ont pas les mêmes objectifsque leurs collègues pétroliers ; ils désirent en particulier connaître aumieux la qualité de l'eau et les horizons perméables favorables au captage.

N.T. : en logarithme, soit 100 fois en valeur arithmétique.

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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 laqualité de l'eau. Les rapports entre P.S., activité, résistivité et minéra-lisation de l'eau sont bien connus pour les saumures pétrolières où l'on afait beaucoup d'études et pratiqué de nombreuses expériences d'applications.

Ces rapports appliqués aux eaux douces amènent des résultats erro-nés. Prenons comme exemple le log de la figure 1 enregistré sur un petitforage d'eau douce. La résistivité de la boue, R , est de 68 ohms/m à 25°C, etpar suite de l'absence de produits solides de boue, cette résistivité estégalement 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

RP.S. = - K log - — - (1)

XXla 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 résistivitéréelle de l'eau Rw, qui est d'environ 180 ohms/m, mais il y a aussi une erreursur la résistivité du filtrat Rmf• Pourquoi cette équation (1) qui marchebien en interprétation pétrolière est-elle défectueuse ici ?

La réponse, est que, dans les eaux douces, Na Cl ne prédomine passur les autres sels dissous, comme dans les saumures pétrolières, et quepar conséquent les mêmes équations ne s'appliquent pas. Il faut utiliser deséquations différentes tenant compte des autres ions.

Cations bivalents. En eau douce, les cations bivalents influencent beaucoupplus la P.S que le Na+, ce qui revient à dire que Ca+ et Mg ++ ont une ac-tion plus marquée sur la P.S que ne l'indique la résistivité. GDNDOUIN etalter 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 électrochimi-que de la P.S, sans tenir compte du potentiel d'électrofiltration, quiest d'ailleurs très faible ici, en raison des faibles différences de pres-sions entre formation et colonne de boue.

N.T. : A 25°C on a en effet K = 70,7 (voir plus loin figure 4 bis etN.T. à la page 90.)

Donc avec une P.S = - 70 mV, log -=^- - 1 et — — - 10Rw Rw

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85

SPONTANEOUS POTENTIALmillivolts

RESISTIVITYohms, m ' / m

RESISTIVITYohms. m f / m

NORMALAM = 16" 50

LATERALA0 = 18'8" 50

AM' = 64" 50

Figure 1 - Log électrique enregistré sur un petit forage d'eau àHawkins, Texas oriental.

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6E

a Ca + a

et P.S. = - K log L "" ' L a[3 Na Vm f

a , ar , aM , 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 etde Mg, mais par suite des échanges de bases avec les argiles de la boue etdu terrain, la teneur résiduelle du filtrat en Ca et Ng est souvent réduitepar rapport à ce qu'elle est dans l'eau utilisée pour la boue. Donc, saufavis contraire, on considère habituellement le filtrat comme une solution deNa 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 Clson activité utilisée au dénominateur de l'équation (3) est déterminée lors-que R - est connu. Si la température de R est différente de 25°C; on uti-lise 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'ac-tivité est donnée par la figure 4 sur laquelle le trait plein concerne lesions I\la+ et la ligne tiretée les ions Ca + + et Mg4"*. L'activité totale del'eau, pour l'utilisation de l'équation (3) est la somme de :

Ainsi, si les teneurs en cations des solutions sont connues, on peutcalculer les activités.

Bicarbonates. En eau douce, l'ion H CO" est souvent l'ion prédominant. Si Naest le cation prédominant, l'activité 3e la solution, donc l'effet sur laP.S, est proche de ce qu'il serait avec une solution de Na Cl de même teneuren Na+. Ceci es"t dû à ce que l'activité d'une solution dépend essentiellementde sa teneur en cation. Toutefois les résistivités de solutions de Na Cl etde Na H CD (de mêmes teneurs en Na+) sont différentes. L'ion H CG~ a uneconductivité qui est, à poids égal, 27 % seulement de celle du Cl". End'autres termes R d'une solution de NaHC0„ est 1,75 fois plus grande queR d'une solution de Na Cl ayant la même teneur en Na+.

Les rapports entre concentration et résistivité pour les autresions diffèrent également de ce qu'ils sont avec Na Cl. Voici les coefficientsmultiplicateurs applicables aux ions courants pour obtenir leur équivalence

N.T. : Par exemple une solution de résistivité 10 ohms/m à 25°C sera de6,5 ohms/m à 40°C et 3,5 ohms/m à 100° C.

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Equivalent No CI en ppm

- 15

— 20

- 25

8 g§§§§3 § §

0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 Ii i i i i i i I

10

3 4 5 6 7 8 9 10i i i i i i i i

20 30 40 50 70 100j i i i i • • i i

2 0 0 300__J | Resistí vite oh m / m

Figure 3 = Relation entre les résistivite's ( en o h m / m ) , les températures ( en °C) et la concentration saline ( en p p m ) pour des

solutions dilutes de Na Cl •

d'après document SCHLUMBERGER

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88

79

3

2

O / 0 1

9

+ a M g0/>OI

7

3

2

O ,0001

9

3

2

°r*©«

Activity vs. PPMTemp. = 77°F

i3 *

a NO

.001

75

,0O0l

7

9

3

2

2 3 5 7 1 2 3 9 7 10

PPMca + PPMMg2 3 5 7 IOO 2 3

or P P M N Q5 7 1000

,00001

Figure 4 - Détermination de l'activité des cations en fonction de leurconcentration (en ppm) pour des solutions diluées à 77°F = 25°C

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89

en Na Cl en vue de déterminer R [3Jw

Na = 1,0

Ca + + = 0,95

M g + + = 2,0

Cl

CO.

1,0

0,5

1,26 et HCCL = G,27

En résumé, pour déterminer la qualité d'une eau à partir de la P.Sil faut connaître approximativement la composition ionique de cette eau, car:

1°) l'activité des divers cations diffère, donc la P.S ne répondra pas commeen présence d'une solution de Na Cl.

2°) la relation entre concentration et résistivité dépend de la compositionionique de l'eau.

Réexaminons l'exemple de la figure 1 à la lumière de ces observa-tions. 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 applicationdu coefficient multiplicateur donnant la teneur équivalente de chaque ionen Na Cl pour déterminer R .

T A B L E A U 1

ion

NaCaMgClS04C03H CD3

teneur[en p.p.m)

1030,860

0

29,3

TOTAL F

coefficientmultiplicateur

1,00,952,01,00,5

1,26

0,27

EQUIVALENT Na Cl --

Equiv.(p.p

Na.mj

10,2,1,6,0

0

7,

28,

Cl

0856000

9

35 p.p.m.

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90

D'après la figure 3, à la température de 25°C une solution de28,35 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 donne

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

w

0,00048

0,010

0,01048

D'après la figure 2 , R = 6 8 o h m s / m à25°C donne (a)

ou - 71 log

mf

Donc P.S = - 71 log

0,01048

mf

[a) **w

(a)

0,0012

mf

67 mV

0,0012

N.T.

**N.T.

La P.S statique est la P.S propre d'une couche que l'on mesureraiten isolant la colonne de boue au-dessus et au-dessous de cettecouche pour éviter les pertes de courant, qui donnent une P.S "amor-tie" dans l'enregistrement en continu.

Dans cette équation 71 = K ; K ~ 71 à 25°C. La figure 4 bisqui donne la valeur de K à différentes températures a été tracéed'après les données de R. DESBRANDES [A 5] .

En P.S statique = P.S.S, le potentiel électrochimique Ec = Epss =Em + Ej

a v,-,, RT a

et Ej =RT .

Em = •=— Log e —i 3

v-u

mf

RT w

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=

F = le Faraday = 96 540 C

v, exprime la mobilité des ions Cl" ; v = 67,6 x 10-5

Na+ ; u = 45,6 x 10 5.

-1

-1

298,15

-1

En transformant les Logs népériens en log décimaux:

Ec = 2,302 ( 1 +^IH_ ] ai log JiLv + u F & a .

mf

K = 2,75 ^ x T ou 0,237 T (en °K)

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91

I25

lOO

75 ?

oTe

mpe

ratu

re

en

25

. /

/

/A/K =0,237 T (en °K = • C+ 273,15)

Valeur de K

60 70 72 74 76 78 80Figure 4 bis

90

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92

Ainsi le calcul confirme la P.S enregistrée dans ce forage duTexas oriental, parce que l'on a tenu compte de la composition ionique de1 ' eau.

On peut d'ailleurs se demander à quoi sert la P.S si on a besoin desrésultats 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 composi-tion ionique relative d'une eau est prévisible dans une région donnée (d'a-près les résultats d'analyses existants sur l'eau de la nappe déjà captéeau préalable dans cette région]. On peut alors utiliser des relations em-piriques entre P.S, R et résidu sec (R.S) pour déterminer la qualité del'eau à partir de la p.S. Pour cela il est pratique de considérer R déter-minée d'après l'équation (1) comme une résistivité équivalente (R ) et deconsidérer en outre le filtrat Cmf) comme une solution de Na Cl. Ainsiselon la composition ionique relative de l'eau de la région étudiée, on peututiliser une relation appropriée pour obtenir R à partir de R découlant, , D C HI- K M w M wede la P.S.

Ceci est illustré par la figure 5 = fig. 60 de la 1ère partie etcommentaires donnés dans la traduction p.28.

L'expérience montre que pour les forages d'eau de la Gulf Coastforés avec de la boue douce, les points se situent près de la ligne Na H COmême si les eaux de formation contiennent une bonne proportion de cationsbivalents, dont l'effet est compensé en grande partie par la teneur similai-re du filtrat en ions bivalents. Un exemple est donné par un forage deSugar Land à Fort Bend County, Texas. L'analyse chimique de l'eau prélevéeà 930' donne les résultats ci-après :

Na = 37 p.p.mCa++ = 47Ng++ = 11

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 figureWB

5 que le point R en fonction de R est proche de la ligne Na H CO malgréla proportion assez forte de cations bivalents.

Cl

soH

=4C D 3 =

3110

231

P .p . m

— .———_—. . , _N.T. : D'après l'équation (1) en remplaçant R par R : P.S = -K. loe mf

w we h "T—Rmf Rmf 3 w e

Ici - 3 = - 71 log - — ; log ^ — = — = 0,04225, dont lewe R we

cologarithme 1,10 donne m"F ; avec Rm_p mesuré = 11 ohms/m on trouvewe

R = 10.we

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En fait, la P.S.S calculée d'après les résultats de l'analysechimique, comme indiqué dans notre premier exemple, donnerait une valeurde - 45 mV *. Ce calcul suppose toutefois que tous les cations du filtratsont du Na. Le fait que la diflexion de P.S observée soit beaucoup pluspetite montre à l'évidence que le filtrat renferme une bonne proportionde cations bivalents **.

Le rapport R /R est différent sur les puits forés avec une bouew we

salée. Dans ces puits, le point R /R se rapproche de la courbe CaCl 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 délibérémentsalé 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 dessables 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 totalLa i ig

(a)w = 0,0316 - Par ailleurs avec R =11 ohms/m,la figure 2mf

indique (a] = 0,0071 .mf

On a P.S.S = - 71 log- ¡a¡W = - 71 log D ' ° 3 1 B = - 46 mVlaJmf 0,0071

Ca] Ca]N.T. : Pour - 3 = - 71 log , ,W , ou = 0,04225 = log . ,W ,

laJmf 71 ta]mf

(a)W = 1,102.

(a)mf

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

* * * R

N.T . : P .S.S = - K log - ^ - ; avec P .S .S = + 45 mV et Rm f = 0,75 ohm/m

weR R

On a : 45 = - 71 log -^- , ou log -¿^— = - li = - 0,6338K K /1

we we

Rmf= 0,23232 ; 0,23232 R = 0,75 et R = 3,23R U g *- •-> £- ^J t- » LJ , ¿r- wJ £- \-i £- \ U j / J C U l\

we wewe

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La résistivité de l'eau extraite de ce sable a été mesurée à12 ohms/s à 25°C, ce qui donne, sur la figure 5, un point situé à peu prèsau milieu des courbes Na H CO et Ca Cl . En salant la boue on a réduitl'importance des cations bivalents dans le filtrat et par conséquent déplacéle point R /R de sa position habituelle en Gulf Coast (près de la courbeNa H CO ] pour le rapprocher de la courbe Ca Cl„.

Une réduction d'effets des cations bivalents du filtrat apparaîtégalement 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 ré-duction de concentration des cations bivalents par échange de base. La li-gne tiretée de la figure 5 est déduite empiriquement des eaux saumâtresrencontrées dans les forages d'huile et de gaz.

12 - Rw DETERMINEE D'APRES LA RESISTIVITE DU TERRAIN

Cette deuxième méthode pour déterminer R consiste à diviser larésistivité du terrain (résistivité de formation R ) par un facteur derésistivité de formation F. Cette méthode utilisée par les pétroliers n'est pasapplicable de la même façon pour l'eeu. En eau douce, F varie non seulementavec 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 ceuxqui font intervenir des valeurs de F basées sur des études empiriqueslocales (F = R /R ). En Louisiane, Turcan [5] a par exemple déterminé cefacteur de champ F (= field formation resistivity factor] sur des sablesà eau douce pour lesquels F varie de 1,7 à 3,0.

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

13 - R.S. ET CI" D'APRES Rw

R étant connu, d'après la P.S ou d'après les mesures de résistivi-té, est utilisable pour déterminer la qualité de l'eau. Si la compositionionique typique de l'eau d'une région est connue, on peut déterminer R.S etCl" d'après les valeurs de R calculées.

wLa 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.

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95

2 - APPLICATION DES MESURES DE RESISTIVITE DE FORMATION

(Voir 1ère partie p. 39 à 43 avec figures 9 et 10 = figures 65 et66. 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 dela relation F = R /R , décroît lorsque R croît. Les données indiquent queles variations de F sont les plus accusées pour les hautes valeursde R .

wSur 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[R = 2176Qhms/m) on°a W trouvé pour les échantillons 3 et 4 des F res-pectifs de 0,038 et 0,024. Ces facteurs F calculés sur les réservoirsd'eau douce sont nettement inférieurs à ceux que l'on obtient dans le pé-trole en fonction de la porosité de la roche.

On a observé des variations semblables de F dans des sables argi-leux. Ainsi HILL et MILBURN [fl] ont estimé nécessaire de qualifier le F parla résistivité du fluide de saturation utilisé pour sa détermination. Ainsi,F était le facteur de formation obtenu avec un fluide saturant de

R =0,01 ohm/m. Ils ont remarqué que les fortes valeurs de R tendaient àw H H w

produire des valeurs de F plus basses. Ils prenaient donc F pour indi-quer la valeur maximale de F pour un sable argileux donné.

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 1èrepartie montrent la relation entre la dimension du grain et R /R pour leseaux douces. Plus le grain est petit, plus F = R /R est petit. C'est l'in-verse de ce que l'on rencontre habituellement dans les interprétations pé-trolières. Comme indiqué plus haut, l'effet de la conductivité de surfaceest relativement peu important en eau salée, mais très important pour leseaux douces.

La variation de F en fonction de la granulométrie des sables à eaudouce est illustrée par les mesures en laboratoire réalisées par l'auteursur des échantillons de sable lavé, saturés avec trois solutions différentes,Le diamètre efficace d , des divers échantillons avait été préalablementdéterminé par analyse granulométrique, et les trois saturants étaient : del'eau du robinet de HOUSTON, à 32 ohms/m, et des solutions de Na Cl à7,1 ohms/m et 0,11 ohm/m à 70°F (=21,11°C).

Avant les mesures, on avait déterminé la porosité de chaque échan-tillon par densité apparente *.

N.T. : La densité apparente correspond au rapport entre le poids del'échantillon déshydraté à 1'étuve et son volume.

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Chaque échantillon était divisé en 3 parties, saturées chacuneavec l'une des 3 solutions. La cellule de mesure était d'abord remplie avecl'échantillon d'eau et l'on mesurait R . Ensuite on introduisait dans la

wcellule l'échantillon de sable qui déplaçait une partie de l'eau ; on tapo-tait la cellule pour compacter les grains jusqu'à ce que la lecture de Rsoit stabilisée. On constatait un accroissement de R d'environ 10 %pendant l'opération de compactage et de rangement des grains. Le facteurde formation F correspond au rapport R /R , c'est-à-dire au rapport du ré-sultat lu avec la cellule remplie de sable au résultat lu préalablement surla 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

échan-tillon

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

37.5

37.2

37.5

34.1

35.8

34.5

33.2

33.B

34.0

(1)

de

.003

.003

.003

.005

.007

.007

.0075

.008

.012

R =w

R0

4.30

*

4.30

4.73

4.84

4.92

5.16

5.16

5.50

C2)

0.11

F

3.90

*

3.90

4.30

4.40

4.47

4.70

4.70

5.00

R =w

R0

*

23.4

*

27.75

27.82

27.82

29.1

30.4

29.8

7.1

F

*

3.30

*

3.91

3.92

3.92

4.10

4.27

4.20

R =w

R0

68.5

73.6

79.4

93.5

96.6

91.3

*

98.3

*

32

F

2.14

2.30

2.48

2.92

3.02

2.85

*

3.07

*

Echantillon insuffisant pour avoir une lecture valable de R

N.T.fi) 0 = porosité ; d en pouce : 0,003 0,0762 mm ; 0,012" = 0,305 mm.

Rappelons que pour l'auteur d = d et non d (10 % des grains sontc y u i u

plus petits que d et 90 % sont plus grands).

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

w o

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On note deux tendances principales dans le tableau 2 : F croîtlorsque d croit, quelle que soit la solution saturante utilisée ; d'autrepart, pour un échantillon donné, F décroît lorsque R augmente. Ces mesures delaboratoire tendent donc à confirmer les relations établies entre facteur deformation, granulométrie et résistivité de l'éau R pour les sables à eaudouce.

On a fait des observations identiques sur le terrain, par exemplesur un forage d'eau à Deer Park, Harris County, Texas, où l'on disposaità la fois des carottages électriques et des études granulométriques deséchantillons. Voici les résultats au tableau N° 3.

T A B L E A U

Données d'après Rohm et Haas - Den Park

Intervalle

870'-890'

1093-1120'

1325-1334'

1380-1406'

1416-1448'

R0

30

20

23

23

35

SP

-10

-12

-32

-27

-25

R JHmf we

1.4

1.5

2.9

2.5

2.4

R -mf

8.7 à B7°F

8.6 à 88°

8.5 à 90°

8.5 à 90°

8.5 à 90°

Rwe

6.2

5.7

2.9

3.4

3.6

Rw

11.0

10.0

5.1

6.0

6.3

F

2.7

2.0

4.5

3.8

5.55

de

.010 "

.007 "

.0145"

.013 "

.015 "

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

WS

en R a été faite selon la courbe Na H C0 de la figure 5, c'est-à-direen prenant R = 1,75 R

w weOn 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 mêmetemps que celle de d . Il est vrai que la variation de R n'est pas prise encompte dans ce report, mais cette variation de 5,1 à 11 ohms/m dans cetexemple est supposée de moindre importance que celle de la granulométrie.

Le forage de Deer Park a été crépine en face de tous les horizonsénumérés 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 horizonsinférieurs. Ceci est conforme au fait que ces horizons inférieurs ont un dplus élevé, donc une perméabilité également plus grande que celle des e

deux horizons supérieurs.

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98

10

8

1/

o/

/Ai'

/•/°///»

/

f/

X Deer Park

O Pittiburg

5000

1000

5 500 —

100

oCM

| DA

RCY

0 100

«#v

Si

CM

/

7~ f"

//

//

i /

/

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

c —o

.001 .005 .01 .05GRAIN SIZE (inches)

Figure 11 - Points représentatifs dufacteur de formation F, en fonction dudiamètre efficace d , pour deux foragesd'eau.

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

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23 - RAPPORTS ENTRE LE FACTEUR DE FORMATION, LA PERMEABILITE ET LA

GRANULOMETRIE

Le rapport entre perméabilité et granulométrie est plus ou moinsclassique 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 échantillonconstitué de sable calibré ; ces perméabilités sont données à la fois endarcies * et en unités Meinzer. L'unité Meinzer est plus courante en foraged'eau ; elle représente le débit, en gallons par jour à travers un aquifèreépais de 1' (= 0,3048 m) large de 1 mile (= 1609 mlsous un gradient hydrau-lique de 1' par mile (1,894 x 10"4m/m]. A B8°F (= 20°C) une unité Meinzer =0,0548 darcy.

Dans leur étude, JONES et BUDFORD ont également indiqué les mesuresde résistivité obtenues sur chaque échantillon avec une solution saturantetrès douce : R =35 ohms/m utilisées pour toutes les mesures. Leur travailmontre une progression plus ou moins ordonnée, à la fois de la perméabilitéet 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'eaud'après les logs électriques.

Premièrement, c'est le contraire de ce qui est habituellement admisdans le pétrole. En 1941,G.E.ARCHIE TTàT a montré que, sur des carottes degrès de la Gulf Coast imprégné de saumure, lorsque la perméabilité augmen-tait F diminuait. De nombreuses observations faites par d'autres auteurs ontconfirmé que la remarque d 'ARCHIE est correcte pour des sables imprégnés desaumure. Cependant, en raison de l'importance de l'accroissement de la con'ductivité de surface lorsque la salinité décroît, le concept doit êtrechangé pour les sables à eau douce.

Deuxièmement, les logs électriques apparaissent de plus en plusutiles en ce qui concerne l'évaluation des sables à eau douce. Toutes lescaractéristiques favorables pour un puits d'eau entraînent un accroissementde la résistivité du terrain aquifère. Le résidu sec est lié à R ; plusR est grand, meilleure est l'eau. Plus la granulométrie est élevée, plusil est facile de crépiner et de gravillonner un sable. Et finalement, plusle sable est perméable, plus le débit par unité d'épaisseur de sable estgrand. Puisque chacune des caractéristiques favorables se traduit par uneaugmentation relative de la résistivité du terrain, les zones les meilleuressont 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 pourles évaluations de forages d'eau. Un minimum de 3 pour F = R /R sembleconvenir pour les sables dans lesquels la résistivité de l'eau W R estcomprise entre 5 et 15 ohms/m. Pour les eaux plus salées, le F minimal seraplus 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.

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100

t:Z

NZm

I>-

ui

a.

*nnn

2000

1000

500

100

*JOC

Oo

o

S

S

PERMEABILITY v>. F

7/i

// *1

j1

/l

i

1

3 4F (avg. 0 = 41.5)

Figure 13 - Perméabilité en fonction de F (= R / R ) d'après leso w

données de la figure 12.

Nota : (aug. 0 = 41,5) = porosité moyenne = 4 1 , 5 %

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Si 1' on connaît le F critique correct, le produit FR peut êtreimportant pour déterminer l'épaisseur efficace de sable. A titre d'illus-tration la figure 14 représente des logs enregistrés sur deux forages voi-sins à Pittsburg, dans le Comté de Camp, Texas. On dispose d'une analysed'eau sur échantillon prélevé dans le puits N° 1 entre 525'et 560', dont larésistivité R = 14,4 ohms/m à 72°F (= 22,22°C). Comme la déflexion de P.Sest constante pour chaque horizon sableux recoupé par ce forage on peut nor-malement 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 approxima-tivement les mêmes sur chaque horizon sableux.

Les traits verticaux épais placés sur les logs indiquent les in-tervalles de sable échantillonnés. Les données pour tous les niveaux d'uni-formité 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°

1

1

2

2

2

Intervalle

302-323

425-440

514-560

644-660

680-691

R0

25

43

55

35

15

Rw

(72°F)

14.4

14.4

14.4

14.4

14.4

F14.4

1.74

3.0

3.8

2.43

1.04

de

.005"

.008"

.012"

.009"

.001"

Les valeurs de F, déterminées en divisant R de chaque niveau desable par Rw = 14,4 ohms/m sont reportés sur la figure 11, en fonction dudiamètre efficace obtenu à partir de l'analyse granulométrique. Ces donnéessont très proches de celles du forage de Deer Park. Si nous prenons un d0,01 " (= 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 mini-mal de 49 ohms/m T3.4 R ] pour calculer les tranches captables. Sur ïe fo-rage N° 1, il y a moins de 10' de sable présentant une résistivité qui estmême légèrement supérieure à 49 ohms/m. D'après les essais de productioneffectués sur ce puits le débit s'est avéré beaucoup trop faible pour jus-tifier sa completion. Le forage N° 2, avec une tranche plus épaisse desable efficace entre 510 et 550', a produit davantage que le N° 1, maisc'était encore insuffisant pour satisfaire aux conditions de marché.

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WELL N O . 1 WELL N O . 2

P Loterol 0 Lotero! 50

Figure 14 - Diagraphies sur des puits voisins forés à Pittsburg, dans leComté de Camp , Texas.

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On a fait allusion plus haut au travail de TURCAN mentionnantl'évaluation de R à partir d'un facteur de formation de champ (F.). On fai-sait remarquer que R était calculable en divisant la résistivité du sablepar le F approprié - dans la mesure où les sables étaient propres et degranulométrie relativement constante. Les notions de perméabilité et de fac-teur 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 pourdes échantillons non calibrés, on pourra prendre la valeur mesurée de R etla valeur de R dérivée de la P.S pour estimer la perméabilité. S'il estpossible d'établir une relation de portée générale, il est évident qu'onobtiendra de meilleurs résultats en prenant une formule basée sur des don-nées locales. De telles données rendront mieux compte des conditions localesde porosité, de la granulométrie [diamètre et classification des grains] etdes variations de R . Il est éventuellement possible, que ces études puis-sent conduire au calcul de la productivité spécifique à partir des logs derésistivité.

CONCLUSION

Les logs électriques sont utilisables pour déterminer d'une façonapprochée la qualité de l'eau CR.S et Cl") et les caractéristiques des sa-bles. Toutefois il est bon d'avoir des indications locales pour faire demeilleures interprétations quantitatives.

Il existe déjà beaucoup de diagraphies, d'analyses granulométriqueset d'analyses d'eau'utilisables pour établir des relations empiriques àvaleur locale. Il reste encore beaucoup à faire et nous souhaitons que cettenote puisse stimuler de nouvelles études qui permettront de perfectionnerl'évaluation des caractéristiques des aquifères.

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

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

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

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

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105

A N N E X E

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 suivantspour obtenir les totaux cumulés

7 - Construire la courbe granulométrique avec le diamètre des grains enabscisse 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 sa-ble 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 % dumatériau étudié est constitué de grains plus petits et de 90 % de grainsplus gros £12] *.

Ainsi, on peut utiliser la courbe cumulative des poids retenuspour définir d , diamètre de grain correspondant à l'intersection de lacourbe avec le pourcentage 90 % *. Il est évident que les grains les plusfins conditionnent d , et donc la perméabilité.

6

Evaluation du classement

Le classement du sable, ou l'uniformité de la granulométrie, estune autre caractéristique importante en hydrogéologie. M. Paul JONES, aucours d'un entretien, nous a fait remarquer que d'après ses recherches laporosité ne dépend pas de la granulométrie tant que le coefficient d'unifor-mité [explication ci-dessous) est inférieur à 2,5.

Il existe plusieurs formules pour définir le coefficient d'unifor-mité d'un sable. La plupart sont basées sur des valeurs lues sur la courbecumulative décrite plus haut. La compagnie Layne-Texas utilise un coefficient

N.T. : Voir Remarque à la fin de l'Annexe.

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106

1214 - 1226

de = .0075"

U C = 2.0

<b = 33.2

.01 .02 .03

d — inches

_ \

\

764 - 81c ;

de = -ODî'i

U C = 2.5 !

4> = 3 4 . : !.

.04 0 .01

d -.02 .03

inches

.84

Figure 15 - Analyses granulométriques sur deux échantillons de sables provenantdu forage d'eau n° 3 de Westbury, Houston, Texas.

1 diamètre du grain, en pouce ;

2 pourcentage retenu (total cumulatif en partant des fractions les plus grossièresauxquelles on ajoute les fractions de plus en plus fines)

3 profondeur (en pieds) de provenance de l'échantillon

4 diamètre efficace (en pouce)

5 coefficient d'uniformité (rapport des diamètres de grain à 40 % et à 90 % -d

6 porosité (en %) 9 0

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107

d'uniformité (UC) défini comme le rapport des diamètres de grain à 40 % età 90 % sur la courbe cumulative. SHELL OIL COMPANY utilise un coefficientde classement (sorting Coefft) (So) défini comme la racine carrée du rap-port des diamètres à 25 % et 75 %.

Les sables examinés dans cette étude sont bien classés. Les coef-ficients d'uniformité sont faibles, mais les coefficients de classement(S ) n'ont pas été calculés.

N.T. : Remarques relatives aux courbes granuiométriques

On rencontre divers types de courbes granulométriques ce qui nesimplifie par les comparaisons possibles.

1] Dans l'annexe ci-dessus la figure 15, empruntée par ALGER à la KATYDRILLING COMPANY, présente :

- en abscisse arithmétique normale, c'est-à-dire croissante de gaucheà droite, le diamètre des grains en centièmes de pouce

- en ordonnée les pourcentages cumulés en partant des grains les plusgros auxquels on ajoute successivement les fractions de plus en plusfines.

2) On trouve la même présentation dans "Les Forages d'eau" édité parCREPINES JOHNSON-FRANCE - 86- Naintré, page 8 et planche 8-9 empruntéesau manuel américain édité par la même société.

3) Les auteurs américains tracent également leurs diagrammes en abscisselogarithmique inverse (accroissement de droite à gauche]. L'échelle desdiamètres de grain comporte souvent une graduation en millimètre et unegraduation en pouce (à divisions décimales et non en 1/4" 1/8" 1/16"etc.... comme pour les diamètres d'outils, de tiges tubages, etc..) ;figurent également les numéros des tamis, croissants de gauche a droite,(voir tableau 5 des diverses normes de tamis).

4) Les auteurs français utilisent généralement l'échelle logarithmique enabscisse pour les diamètres des grains (en mm). Selon les cas l'échelleest normale, (croissance de gauche à droite) ou inverse. Les pourcentagessont cumulés en ordonnées, soit en partant des fractions les plus gros-sières auxquelles on ajoute successivement celles qui sont retenues au-dessous, soit en partant des plus fines auxquelles on ajoute celles dudessus.

Une même analyse granulométrique peut donc se traduire par 4 courbes cumu-latives différentes, comme le montre la figure 16 ci-jointe, d'où l'ontire les valeurs ci-dessous et les caractéristiques correspondantes vé-rifiables :

courbe

a

b

c

d

d10

0,08

1,35

1,35

0,08

d25

0,115

0,475

0,475

0,115

d40

0,16

0,26

0,26

0,16

d60

0,26

0,16

0,16

0,26

d75

0,475

0,115

0,115

0,475

d90

1,35

0,08

0,08

1,35

de

d10d90

d90d10

U.C

d60/d10d40/d90d40/d90d6n/dio

S0

/d75/d25VÚ25M7S

"d25/d75Vd75/d25

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108

lOO.

90

80

70

60

50

40

30

20

10

ulés

t3U

M

Poid

\

\

/

\

\

\

/

/

/

/

/

\

\

diamètre ( mm )

^ ^

^

• ^ —

«—

• - — .

— •

—-<

0,05 0,1 0,2 0,5 4 5

100

90

8 0 -

70

6 0 .

50

40

30

20.

10

0

nule

s

u

- o

II

v>

Poi

\

\

/

/

diomètr«

y

A//\ \\\: (mm)

0,5 0,2 0,1 0,05

Figure 16= Representation d'une m i m e analyse granulométrique de quatre manieres

différentes

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109

Pour standardiser la représentation, il semblerait logique d'éli-miner l'échelle logarithmique inversée (courbes c et d), qui ne repose suraucune base ojective. Entre a et b, a nous paraît préférable : l'image desgros éléments en haut de courbe et des petits en bas est conforme à ce quise passe dans la pile de tamis.

On construira a_ en cumulant les pourcentages du poids total en com-mençant par les fractions fines. Le diamètre efficace sera d^n» le coeffi-cient d'uniformité : UC = don/d.n et le coefficient de classement":- _ _ _ _ _ i bU 1U

"d75/d25

En ce qui concerne la dimension des mailles de tamis elles sont va-riables selon les pays (voir tableau 5 p. 110].

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110

TABLEAU 5

MAILLE DES TAMISPrincipales normes françaises et étrangères

FRANCE

AFNOR-Assoc . Fronçoise¿e Normalisation

NF-X -M-50 I1938

Duvef-

mm

- __

0,040

0,050

0.063

0,060

0,100

0,125

0,140

0,200

0,250

0,315

0,40

0,50

0,43

0,80

1,00

1,25

1,60

2,00

2,50

3,15

4,00

5,00

. _

17 i

18 .

19 .

20 N

21 v

22 \

23 v

24 v

25 v

24 s

27 v

28 -

29 ^

30 -,

31 \

32 \

33 \

34 v

35 v

34 v

37 s

38 v

ALLE-M A G N E

deutscheNormen

DtN-41001957.

Ouver-

mm

. . . .

0,0-1

ANGLETERRE

British S t a n d a r d *

Institution

BS-4101943

Ouver -

mm

0,0 -5 | 0 ,0440.050,056 0^053

0 t 0630,0710,08

0,09 :•

0 , 1

0,125

0,16

0,2

0,25

0,315

0,4

0,5

0,63

0,8

1

1.25

1.6

2

2.5

3,15

4

5

0,044

0 , 0 7 6

0,089

0,104

0 , 124

0jJ52

0,178

0j21 1

0,251

0,295

0,353

0,422

0,5000,599

0,699

0,353

1,0031,204

1,405

1,6762.0572,411

Déli-

er, N *

350

300

240200

170

150

120

100

85

72

60

52

44

36

3025

22

18

1614

12

1087

2,812

3.353

6

5

ITALIE

Unifi-cazioneItaliana

UNl-23321943

Ouver-

m m

0 , 0 4

0 ,05

0,0630,0750.0.8

0.-09

0, 10,106

0 , 125

0.150 , 160 , 180,20,212

0,25

0.30,3150,3550,40,425

0,50,60,630,710.750,80,85

1 •1,181.251,41.61,722,362,52,8

3, 153,354

• U . R . S . S .

COST-3584-531953

Ouver-

mm

0,0400,045

Dési-gnation

0040045

0,050 | 0050,056

0,0630,0710,080

0,090

0 , 1 0 0

0 , 1 120 , 1250. 140

0,1600,1300,200

0,2240,250

0,260

0,3150,3550^000,450

0,5000,5600,6300,700

0,800

0,9001,00

1,25

1,60

2,00

2,50

0056

0063

U . S . A .

The W.S.TYLERCleveland 14

OHIO

The TYLER STAN-DARO SCREENSCALE SIEVES

Ouver-

mm

0,038

0 , 043

0,0530.061

0071 ^0^74008

009

01

01 120125014

01601802

0224025028

035504045

0505606307

08

091

1.25

1.6

2

2,5

0,088

0 , 104

0,124

0 ,147

0,175

0,208

0,244

0,295

0,351

0,417

0,495

0,589

0,701

0,8330,991

1,168

1,397

1,4511,9812,342

2,794

3,3273,9424,699

5,613

Déli-

en Mesh

400 +

325

• • • 2 7 0 ' "1

250

200+

170

150+

115

100+

80

65*

60

48 +

42

35+

3228+

24

20+16

14+

12

10+98 +

7

6+

54 +

3 i

Americon Societyfor TestingMaterials

ASTM-E-ll-611961

Ouver-

m m

0,037

0,044

0,053

0^0630,074

0,088

0,105

0,125

0,149

0,177

Deli-

en N*

400

325

2 7 0 "

230200 T

170

140 +

120

IOO+

80

0.210 I 7 0 +

0,250

0,297

0,354

0,420

0,5000,595

0,707

0,341

1,001,19

1,41

60

50+

45

40--

3530+

25

20+

1816

14

1,68 12+2,002,38

2,83

3,364,004,76

5,66

108

7

6+

54

3 £

EQUIVALENCES

échelle de W e n l w o d h

et J. Bourcart

Silt, Limon, Loess

62 .5 a 4 microni.

Soble très fin

125 a 62 .5 microni.

Sable fin

250 à 125 microns.

Soble m o / e n

0.5 à 0.25 m m

Soble grossier

1 à 0 . 5 m m

Sable très grossier

2 o 1 m m

Granulo

2 â 4 m m

(document de la Chambre syndicale de la recherche et de la productiondu pétrole et du gaz naturel)

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111

3 ÈME P A R T I E

ANALYSE SOMMAIRE DES DIARRAPHIES UTILISABLES EN FORAGE D'EAU

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112

S O M M A I R E

Pages

1 - GENERALITES 114

11 - INTRODUCTION 114

12 - RAPPEL DE QUELQUES NOTIONS FONDAMENTALES 114

12-1 But des diagraphies 11412-2 Symboles, définition et formules 115

2 - LE CAROTTAGE ELECTRIQUE 121

21 - LA POLARISATION SPONTANEE = P.S 121

22 - DIAGRAPHIES CLASSIQUES DE RESISTIVITE 123

3 - AUTRES DIAGRAPHIES DE RESISTIVITE 133

31 - MICRODIAGRAPHIES 133

32 - DIAGRAPHIES D'INDUCTION 135

33 - DIAGRAPHIES FOCALISEES : LATEROLOGS ET MICROLATEROLOGS 137

33-1 Les latérologs 13733-2 Les microlatérologs = trumpet logs = microfocus logs 138

4 - AUTRES DIAGRAPHIES 139

41 - DIAGRAPHIES NUCLEAIRES 139

41-1 Généralités 13941-2 Diagraphie de rayonnement gamma = gamma ray 13941-3 Log gamma-gamma = densité 14041-4 Diagraphies de neutrons 14541-5 Autres diagraphies de rayonnement 146

42 - DIAGRAPHIES SONIQUES 146

43 - DIAGRAPHIES ACOUSTIQUES 152

5 - CARACTERISTIQUES DES AQUIFERES A PARTIR DES DIAGRAPHIES 156

51 - PARAMETRES DETERMINABLES EN TERRAIN PROPRE 156

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113

51-1 Résistivité de l'eau de formation : R 15651-2 Porosité des roches propres 0 15651-3 Porosité vacuolaire des roches 15751-4 Perméabilité des terrains 160

52 - ETUDE DES FORMATIONS ARGILEUSES 160

52-1 Généralités 16052-2 Porosité et teneur en argile d'un réservoir

sablo-argileux 1615Z-Z-1 VoKoiitl zt tznzun zn zau 16152-2-2 Votio&itz zt tzne.uA. zn aKgilz. à patáÁA d&¿ log&

dz P.S zt fiz&Utlvitz 16352-2-3 VoKohÁXz à pantin dz& log& nzu&ion, ¿owLquz zt

gamma-gamma 164

52-3 Résistivité des argiles 167

52-4 Résistivité de l'eau des argiles 168

6 - CONCLUSION 171

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114

1 - GENERALITES

11 - INTRODUCTION

En complément aux informations données en première et deuxièmeparties, cette troisième partie décrit sommairement *le principe et l'inter-prétation des diagraphies que 1'hydrogéologue utilisera plus ou moins fré-quemment au cours de ses études :

- soit au stade de l'enquête géologique documentaire où il examinera lesrésultats des forages existants : forages de recherche d'eau, de pétrole,de charbon, de sel, potasse, minerai etc..

- soit à l'occasion de l'exécution des puits dont il assurera le contrôle scien-tifique et technique.

Outre le traditionnel carottage électrique et le gamma ray il estutile, en effet, de connaître au moins l'interprétation qualitative des logsd'induction, neutron, densité sonique, etc.. pour déterminer la nature li-thologique des terrains, distinguer les couches poreuses à eau douce ou saléedes imperméables. Le carottage électrique fait d'ailleurs parfois défautsur des hauteurs importantes dans certains forages pétroliers, ce qui imposede tirer le meilleur parti des autres logs ; même s'il existe, il est inté-ressant de l'examiner simultanément avec les autres diagraphies pour obtenirune interprétation plus complète, plus précise et plus sûre.

Il n'existe pas encore de diagraphie traduisant la perméabilitéexacte des terrains, mais les formules de calcul de leur'porosité sont présen-tées avec quelques abaques et exemples simples d'application dans diverstypes de terrains.

12 - RAPPEL DE QUELQUES NOTIONS FONDAMENTALES

12-1 But des diagraphies

Dans un forage, les diagraphies servent à différencier les terrainsrecoupés à partir de leurs paramètres physiques : conductivité ou résistivité,qui dépendent étroitement de la nature du fluide interticiel, densité, dureté,compaction, teneur naturelle en éléments radioactifs etc

On les utilise également pour définir les caractéristiques géomé-triques de l'ouvrage, sa verticalité, le pendage des couches et tous les élé-ments qui conditionnent les essais, la completion, les déviations, ainsi quepour contrôler la qualité des tubages et cimentation.

Au point de vue quantitatif on s'efforce d'interpréter les diagraphiespour déterminer la porosité, c'est-à-dire le volume relatif des vides d'une ro-che et la résistivité du fluide qui remplit ces vides. Les pétroliers s'intéres-sent au pourcentage du vide saturé par l'eau pour en déduire la saturation ré-siduelle en huile, et ils tentent d'estimer la perméabilité du réservoir.

L'excellent ouvrage de M. DESBRANDES [A 5] a été largement utilisé pour cettedescription ainsi que les documents de la société SchlumbergerfA 10.]. Leslecteurs pourront s'y référer avec profit'pour approfondir ces notions élé-mentaires. (Références bibliographiques générales p.10)

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115

12-2 Symboles, définitions et formules

Les principaux symboles et abréviations employés en diagraphiessont regroupés dans le tableau 1 ci-après ; ceux qui sont utilisés occa-sionnellement en dehors de cette liste sont explicités dans le texte.

Les notions de porosité et de perméabilité sont familières à1'hydrogéologue :

Dans un volume de terrain poreux V , le volume des pores V con-ditionne la porosité 0 :

V= 0

La perméabilité K, qui caractérise la facilité avec laquelle unfluide s'écoule à travers un terrain poreux, est exprimée par les pétroliersen darcy ou millidarcy : 1 darcy = 9,6127 x 10~B m/s pour un liquide dontla viscosité est 1 centipoise (eau à 20°C). Rappelons la formule de Darcyet les unités correspondantes

Q = K

Q = débit, en cm /s. j K = perméabilité, en darcy ; P^ et P2 =pression amont et aval, en atmosphère (1,0133 bar] ; S = section ducylindre de terrain, en cm^ ; 1 = longueur du cylindre, en cm ; v = visco-sité du fluide en centipoise.

La résistivité R d'un terrain représente l'inverse de sa conduc-tivité. Le terrain parfaitement sec a une conductivité extrêmement faible,sauf s'il renferme en proportion notable des sulfures métalliques ou dugraphite.

La conductivité dépend donc essentiellement du pourcentage d'eauimbibant la roche et de la composition ionique de cette eau.

La résistivité de l'eau R. est de l'ordre de quelques ohms/m àquelques dizaines d'ohms/m (quelques centaines à quelques milliers d'ohms/cm)pour les eaux douces et de l'ordre de 1 à 0,01 ohm/m pour les eaux saléeset saumures profondes. La conductivité croît, donc R décroît avec la tem-pérature (cf. figure 3 en 2ème partie). w

Les résistivités des terrains sédimentaires sont de l'ordre de1 à 10 ohms/m pour les argiles et pour les sables à eau salée,rie quelquesdizaines à quelques centaines d'ohms/m pour les sables et grès à eau douce,de quelques centaines à plus de 1 000 ohms/m pour les calcaires et dolomies.

Les résistivités R de deux grès imbibés de la même eau ne sontpas identiques, par suite des légères différences minéralogiques des grainsconstituant la matrice de la roche, mais surtout en raison de la taille desgrains, de leur disposition relative, du degré de cimentation, de la géomé-trie des pores , etc.... On traduit ces différences en disant que les deuxgrès n'ont pas le même facteur de formation F.

Pour expliciter cette notion, considérons un cube de terrain fic-tif parfaitement compact, de résistivité R très élevée ; les vides consti-tués par des tubes capillaires rectilignes, de section uniforme, perpendicu-laires à deux faces opposées du cube, seraient remplis d'une eau minéraliséede résistivité R ; la résistivité R d'un tel cube que l'on pourrait mesu-rer entre deux faces opposées, dépenBra essentiellement :

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116

Tableau 1

Principaux symboles et notations utilisés en diagraphies

(extrait de R . Desbrandes [À5] )

R : résistivité;Ra : résistivité apparente;R¡ : résistivité m o y e n n e de la zone envahie;Rx, : résistivité de la zone lavée pétrolifère;Rxo : résistivité de la zone lavée aquifère;Rm : résistivité de la boue;Rmc : résistivité du dépôt de boue (mud cake);Rmf : résistivité du filtrat;Rw : résistivité de l'eau interstitielle;Rwa : résistivité apparente de l'eau interstitielle;R . : résistivité d'un mélange d'électrolyte;Ro : résistivité d'une formation saturée à 100 % d'eau;R, : résistivité vraie de la formation non-envahie;Rsh : résistivité des argiles compactes;Rc : résistivité des argiles dispersées;BHT ou 7"max : température de fond de sondage;F : facteur de formation;Fa : facteur de formation apparent;0 : porosité;m : facteur de cimentation ;S„ : saturation en eau en pour-cent du volume des pores dans la zone non envahie;Sxo : saturation en eau dans la zone lavée;So : saturation en huile dans la zone non-envahie;ROS : saturation résiduelle en huile dans la zone lavée;n : exposant de la formule donnant la saturation;e : épaisseur de la couche;fmc : épaisseur du dépôt de boue;d : diamètre du trou;D¡ : diamètre de la zone envahie;K : coefficient de la composante électrochimique de la PS;EF : composante d'électrofiltration de la PS;Ec : composante électrochimique de la PS;ex : coefficient de réduction de la PS;K : perméabilité en millidarcys;V : vitesse du son ;

At : temps de parcours du son;PS : polarisation spontanée;E L ou E S : diagraphie de résistivité classique;P N ou S N : petite normale;G N ou L N : grande normale;AMLatAOILIL 40 ou IL 27 : diagraphie d'induction d'espacement 1 m (40") ou 0,70 m (27");LLMLMLLPLGRNGR-NCDSSTFTTFIT

espacement des normales;latérale ou inverse;espacement de la latérale;diagraphie d'induction;

diagraphie de latérolog;diagraphie de microlog;diagraphie de microlatérolog;diagraphie de proximité;diagraphie de rayon g a m m a ;diagraphie neutron;diagraphie combinée de neutron et rayon g a m m a ;diagraphie de pendagemètre continu;carottage latéral à balles;appareil d'essai des formations sur câble électrique;appareil d'essai des formations par intervalles.

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>rmations: Humble Formula For F = 0.81,<f>-.

-ormations: F - 1 (/>'". with apfcementation factor

Carbonates (not fractured) :

Shell Formula — 1

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Formules F((|))

recommandées :

en terrainsmeubles

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pour les terrainscarbonates de faibliporosité (nonfracturés)

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10,000

Figure 1 - Relation entre porosité <J> et facteur de formation F (document Schlumberger)

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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 lasurface de vide par rapport à celle de la face du cube, c'est-à-dire laporosité 0.

On pourra écrire :

R = R /0 ou encore R /R = 1/0 = F

O W 0 W

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.

1Par 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 selondiverses formules et valeurs de a et de m.

On retiendra qu'avec la formule simplifiée F = 1/02, F varierade 10 000 à 4 si la porosité varie de 0,01 [1 %) à 0,5 (50 % ) , et quela résistivité R d'une roche poreuse propre (sans argile]*, saturée d'eaude résistivité R , s'exprime par la formule :

w

R = F x R ; avec F = 1/02 : R = R /0 2

o w 0 w

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

R = F x R _ c ou F = R / R „xo mf xo mf

La figure 2 illustre ce qui se produit dans un forage à la boueau 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 àcelle du fluide imbibant le terrain j l'eau libre, ou filtrat C= mud filtrate]

Le problème des roches argileuses sera examiné en 5.

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119

ADJACENT BED

UNVÄSION DIAMETERS) A 0 J A C E N T BED

OA

symbole de la résistivité de la zone

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)

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120

de résistivité Rmf, envahit la zone périphérique immédiate du forage ; c'estla zone lavée (= flushed zone] dont la résistivité Rxo est modifiéepar Rf-p comparativement à ce qu'elle était avant de forer"] et à cequ'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 résis-tivité 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 an-neau (zone of transition or annulus) a des caractéristiques intermédiaires ;cette zone de transition est parfois absente, le passage étant brusque entreles deux précécentes.

La figure 2 souligne par un trait noir épais le cake (= mud ca-ke) d'épaisseur h et de résistivité R qui s'est déposé sur la paroi du

me me p

trou.

Enfin la figure 2 indique les couches adjacentes (= adjacentbeds] de résistivité R , le diamètre du trou ( = hole diameter) = dh, lesdiamètres 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 sa-turation) concerne le degré de saturation en eau des vides 0, le com-plément 1 - 0 = So étant la saturation en huile (oil saturation), ces deux

dernières notions n'intéressant pas directement 1'hydrogéologue.

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121

2 - LE CAROTTAGE ELECTRIQUE

Le log électrique ou carottage électrique comprend deux typesd'enregistrement :

- la polarisation spontanée, ou potentiel de courant d'origine électrochi-mique lié aux échanges ioniques entre les fluides du terrain et la bouede forage

- la résistivité du terrain mesurée à partir de sondes relativement simplesappelées "normale " ou "latérale".

21 - LA POLARISATION SPONTANEE = P.S

On admet que la différence de potentiel mesurée entre une élec-trode placée à la surface du sol et une autre électrode descendue dans unforage en boue a une double origine :

a) Un potentiel d'électrofiltration Er dû à la différence de pression entrela colonne de boue et la pression— du fluide de la formation ; la fil-tration se fera du terrain vers le forage ou du forage vers le terrainselon la valeur relative des pressions, le sens forage-terrain étantbeaucoup plus fréquent. GONDOUIN a montré que ce potentiel est générale-ment faible par rapport au potentiel électrochimique.

b] Un potentiel électrochimique E dû au passage des cations de l'eau duterrain vers l'eau de la boue, ou vice versa, l'argile de la boue jouantle rôle d'une membrane semi perméable, c'est-à-dire perméable uniquement auxcations. A cette circulation sélective des cations s'ajoute une diffusiondes ions de la solution la plus concentrée vers la solution plus diluéequi peut également jouer dans les deux sens.

Parmi ces deux composantes de E , on constatera que dans uniorage utilisant une boue douce et traversant des aquifères d'eau égalementdouce, le potentiel de diffusion sera très limité et E résultera essen-tiellement 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 droitde la couche sableuse (S ,) qui serait séparée artificiellement des argiles(S ] par des bouchons isolants (insulating plug]. La partie inférieure dela figure 3 montre la diffusion des courants dans les terrains et l'allureréelle 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 ledessin réel de la P.S, comparé à celui de la P.S.S, et surtout l'effet durapport R /R = Résistivité du terrain/Résistivité de la boue.

On y remarque que la P.S enregistrée avec R égal ou proche deR donnera des déflexions aux contours accusés se rapprochant de ceux de laP.S statique. Inversement si R, est élevé par rapport à R "l'attaque" de la

t mdéflexion moins franche présentera un arrondi et l'amplitude de la P.S seraréduite, surtout sur les couches minces.

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122

Static SPdiogram--potential in mud when S Pcurrents are prevented from flowing

• : S P log-potential in mud when S P currentsare flowing.

I00 mv 100 mv

Permeable Strata

Static S P Diagram

Impervious Strata

S P Log

Figure 3 -^Représentation schématiqueet distribution du courantde la PS _

dans et autour d'une couche perméable(§) (document Schlumberger)

diagramme de PS statique. Poten-tiel en boue sans circulation descourants.log de PS. Potentiel en boue aveccirculation des courants.

Figure 4 - Courbes de PS dans descouches d'épaisseurs différentes,pour R = R (à gauche) et R = 21 R

t m tau centre (document Schlumberger)

m

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123

De même l'amplitude de la déflexion sera réduite d'autant plusque la zone d'invasion par le filtrat est importante.

Pour obtenir la P.S statique = P.S.S on pourra effectuer descorrections de la P.S enregistrée à partir des abaques de la figure 5.

Comme indiqué en 2ème partie, la détermination de la résistivitéde l'eau de formation R à partir de la P.S.S sera calculée d'après l'équa-tion : . . R

we

Pour une solution de Na Cl, la résistivité équivalente du fil-trat : R mf a est pratiquement égale à R^, lorsque Rmf > 0,13 ohm-m. Si Rmf

est inférieure à 0,13 ohm-m, ou si le filtrat renferme une proportion nota-ble d'ions autres que Cl" et Na+ - ce qui est le cas du filtrat de la bouefabriquée avec une eau douce dans la plupart des cas - on déterminera R fen fonction de Rm^ mesurée à partir de l'abaque figure 5 bis.

Connaissant R _,, et la P.S.S on trouve R , la résistivitémfe we

équivalente de l'eau j on détermine ensuite R , la résistivité de l'eau deformation, en fonction de son faciès (ou famille] hydrochimique avec l'aba-que figure 60 de la 1ère partie.

22 - DIAGRAPHIES CLASSIQUES DE RESISTIVITE

La mesure de résistivité du terrain la plus simple est faite avecune sonde monoélectrode A descendue dans le forage à l'extrémité d'un câ-ble électrique isolé. Un générateur envoie le courant dans cette électrodeet le retour se fait par le terrain dans lequel on place une électrode Ben 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, approximative-ment égale au diamètre de la sonde, il y a une forte influence de la résis-tivité de la boue et des variations de diamètre du trou ; elle ne rend doncpas du tout compte de la résistivité réelle du terrain.

Deux types de sonde sont utilisés classiquement pour mesurerla résistivité : les sondes normales et les sondes latérales.

Dans les sondes normales on envoie un courant alternatif entreles électrodes A et B disposées comme ci-dessus. Le résistivimètre estintercalé entre une troisième électrode IM, placée à la surface du sol etune quatrième électrode M située dans le forage à distance variable de A jcette distance AM, ou espacement (spacing), conditionne la profondeurd'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)

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124

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Figure 5 - Abaques de correction de PS (document Schlumberger)

1. Choisir la rangée d'abaques pour la valeur de R s / R m * a P^ u s adaptée2 . Choisir l'abaque le plus adapté , sans invasion, ou avec invasion de dj/dh = 53. Entrer en abscisse avec la valeur de h/dh (épaisseur de couche/diamètre du trou)4 . Monter verticalement jusqu'à la courbe appropriée Rt/Rm (s'il n'y a pas d'invasion)

o u Rxo/Rm (s'il y a invasion). Interpoler éventuellement entre deux courbes5. lire en ordonnée PS/PS corrigée ; calculer PS corrigée = PS/(PS/PS corr.)

Nota : les abaques sans invasion donnent généralement une bonne approche.

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125

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ohm-mètres

Figure 5 bis - Résistivité vraie de l'eau, R w , en fonction de la résistivitééquivalente de l'eau, R w e / ou résistivité vraie du filtrat Rmf, en fonction de larésistivité équivalente du filtrat, Rmf e .

(document Schlumberger, extrait de R . Desbrandes f"5j)

Nota : Utiliser les traits pleins pour Rmfe ou R w e < 0,13 o h m - m et pour l'eau oufiltrat à NaCl prédominant.Les lignes tiretées sont utilisables dans les autres cas ; elles donnent unevaleur approchée pour la "moyenne" des eaux douces dans lesquelles dessels, autres que NaCl, atteignent une teneur significative.

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126

Les sondes latérales ont les électrodes A et B disposées commecelles des sondes normales, mais M et N assez rapprochées sont descenduestoutes deux dans le forage ; l'espacement AO entre le milieu 0 de MN etl'électrode A est grand ; le plus souvent AD = 16'8" / 5,70 m [cf. fig.7).

rp 1

Generator

•il

Meter

•0-N

N0

Mo-

-o

A

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0

1

Meter

Generator

SPACING

A

MJ0

Lateral ( Basic Arrangement)

Figure 6 - Sonde normale. Schémadu dispositif(document Schlumberger)

Figure 7 - Sonde latérale. Schémadu dispositif(document Schlumberger)

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127

Les réponses des sondes normales selon les terrains sont schéma-tisées par les figures 8 a, b, c, d pour des couches épaisses et minces, plusou moins résistantes que leurs épontes, par rapport à l'espacement AM.

On voit qu'en a :

- la résistivité apparente R = 7,2 ohms/m, est presqu'égale à la résistivitévraie R. = 8 ohms/m du terrain non envahi

- la courbe donne une épaisseur de couche légèrement inférieure à la réalité,la différence étant en principe égale à l'espacement AM.

en b :

- la résistivité apparente n'a rien à voir avec la réalité (inversion]- les deux protubérances, au-dessus et au-dessous du pic inversé en face de

la couche mince, sont à une distance égale à AM + h (h = épaisseur de lacouche.

en c et d :

- la résistivité R est également proche de R en couche épaisse et trèséloignée en coucne mince

- dans les deux cas l'épaisseur est égale à h + AM.

Les réponses des sondes latérales sont données par les figures9, a, b, c, ~d~, ë pour des couches * résistantes que leurs épontes, d'épais-seurs h = 0,5, 1,5 et 10 fois AO

On remarquera, en a b et c que pour les intercalations plus ré-sistantes :

- toutes les courbes sont dissymétriques. Pour a et b (h > AO), on voitqu'à l'approche de l'éponte supérieure la déflexion ne se produit qu'au-dessous d'une distance égale à AO

- en a et b, l'amplitude du pic à la base de la couche est supérieure à R .En a, on obtient la vraie valeur de R = 8 ohms/m sur la plus grande partiede la déflexion ; compte-tenu des perturbations supérieures et inférieures,on atteint cette vraie valeur de R avec AO = 18'8" à condition queh > 2 AO ce qui explique que cette vraie valeur n'apparaisse pas en b_ et c_.

- en c, la figure montre la zone aveugle (blind zone) dans le creux inter-calé entre le pic correspondant à la couche mince et la protubérance sous-jacente dont le maximum est à une distance égale à AO par rapport à la basede la couche mince.

Avec les intercalations moins résistantes, on retrouve en d et eles courbes dissymétriques au sommet et à la base, et la véritable valeurde R pour la couche épaisse en d.

Les rayons d'investigation des sondes normales dépendent durapport R /R, (résistivité de la boue/résistivité du terrain non envahi).

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128

0 11 2 3 4 5 6 7 8

"s ' R m'i A

THINBED

-XV-

AM +i

h

THICKBED

h= IO AM AM-t-hI

Figure 8 - Courbes de résistivités.Sondes normales(document Schlumberger)

et(b) : couches, épaisses et minces,plus résistantes que lesépontes

e t @ : couches, épaisses et minces,moins résistantes que lesépontes

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129

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R s = R m ' '

min max Ra minL

Rs

THICKBED

h =10 AO

ijA

BED

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Ra0 I 2 3 4 5 6 7 B

fe AO

Figure 9 - Courbes de résistivitéSondes latérales(document Schlumberger)

couches plus résistantes queles é ponte s

couches moins résistantes queles é ponte s

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130

Si R - Rm : le signal maximal provient de la distance AN x 1,5soit 0,60 m pour la PIM = 0,40 m et 2,40 m pour la GN = 1,60 m.

Si R £ Rm. le rayon est compris entre 0,5 AM et Ail

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

Pour les sondes latérales, le maximum du signal provient de lazone située à une distance voisine de AM, soit environ 5 m de rayon d'in-vestigation pour AM = 5,70 m.

Ces divers rayons d'investigation permettront d'approcher lesrésistivités Ro de la zone lavée par le filtrat, R. = résistivité moyennede la zone envahie et R résistivité vraie du terrain?" ou R si ce terrainest naturellement sature d'eau à 100 %. °

Pour déterminer R ou R. en fonction de R on fera une correc-tion de l'influence du trou de sonde avec un abaque du type de celui fournipar Schlumberger pour une sonde de 85 mm (cf. fig. 10).

10 000' I I I

5 000

1000

5 000 10 000

_R¡_

Rm Rm

Figure 10 - Courbes d'écart simplifiées des sondes de résistivité en fonction dudiamètre du trou (document Schlumberger)Normale : A M = 0 ,40 m ;Latérale : A O = 5 , 70 m . , , . . , , r, T^ U _• r*,-i \

(extrait de R . Desbrandes, [A5| )

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131

On obtiendra des valeurs plus précises avec les diagraphiesspéciales évoquées plus loin : induction, micrologs, latérologs et microla-térologs. En.première approximation, R. DESBRANDES QQ estime que l'on peutprendre :

R. = R, , [donnée par la latérale] si h > 10 m

R ^£R si 10 m >h > 5 mètres

R,. = 3/2 R_M si 5 m >h > 3 mètres.t bN

Pour terminer ce résumé sur le carottage électrique la figure 11montre un extrait de diagrammes de résistivités et P.S. sur lequel on no-tera :

- 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 nor-males 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] correspon-dant 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 ; ona l'équivalent avec le trait plein de gauche = 1 division = 10 ohms/m. A916/917 m la courbe sort de l'échelle 100 ohms/m et le trait pleinépais (1 division = 100 ohms/m) apparaît. La GN en trait pointillé, compor-te deux échelles de 100 et 1 000 ohms/m pour 10 divisions, de même que lalatérale A0 = 10'8".

En application des remarques faites précédemment on voit, vers917/918 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 et100 ohms/m pour la P.N.

REMARQUE : Un type spécial de latérale est la sonde à calcaire, qui souligneles strates plus conductrices au sein d'un calcaire massif trèsrésistant ; ces strates peuvent correspondre à des zones favora-bles aux circulations d'eau. La sonde à calcaire, remplacée parle latérolog n'est plus utilisée aujourd'hui.

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RÉSISTIVITÉ100 ohms - m V m

RÉSISTIVITÉ100 ohms - m V m

POLARISATION SPONTANEElOOmillivolts

Rm V a a Î6 C S C H L . P L . _ 929,2Rm» à C FOND SCHL _ 9?9Rmc à C FOND

T . m p . M . « 4P_ _ . C Élévation _

Figure 11 - Exemple de carottage électrique avec les en-têtes de diagrammedonnant les diverses échelles

(extrait de R . Desbrandes, [A¿] )

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133

3 - AUTRES DIAGRAPHIES DE RESISTIVITE

31 - MICRODIAGRAPHIES

II s'agit des micrologs enregistrés par Schlumberger, qui portentd'autres dénominations : minilogs ou contact logs pour d'autres sociétés.

Ces diagraphies détaillées donnent finement la succession litho-logique et, en raison de leur faible profondeur d'investigation, la résisti-vité R de la zone lavée par le filtrat, que l'on utilise pour calculer lefacteur de formation F.

La sonde comporte trois petites électrodes distantes de 1"(= 2,54 cm] encastrées dans un patin isolant appliqué fortement contre laparoi du sondage.

On enregistre en même temps :

- la micro-inverse, espacement 1" x 1", généralement en trait plein sur lediagramme

- 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 me-sure la résistivité de la boue, ou dans certains cas l'appareil fait desprélèvements de boue à différentes profondeurs, dont le filtrat peut êtreétudié à la sortie pour mesurer R _.

mfLes opérations se font à la remontée. Les valeurs des résistivi-

tés 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 quis'y développe sur une grande épaisseur est souligné par l'écart entre micro-inverse 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 ap-paraissent également au microdlamétreur, par réduction de diamètre dû àl'épaisseur du cake au droit des sables et augmentation au droit des argilestendres cava&les. L'épaisseur du cake ou t n c (thickness mud cake] est égale-ment 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 commeindiqué au chapitre 1 : R x o a

F = R = Wmf

Les valeurs de R , R et R sont mesurées sur échantillonsm mf me

de boue de filtrat et de cake au laboratoire de chantier. Eventuellement onprend R = R - 0,25 si R ^ 0,13 ohm/m ; si R < 0,13 ohm/m on tire R

mf m m m md'un abaque. De même Rmc est tiré d'abaques à partir de Rm, en fonction soitde la température, soit de la densité de la boue.

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134

; Marnes ' ~

" non cavies

Sablea

Huile

SableJ

Eau

Formationcompacte ~

• Marnes —' . cavies • "..:

Figure 12 - Résumé schématiquedes réponses du microlog

(extrait de R. Desbrandes, |A5] )

SERIE CAbaque dWecprétahonPaHn hydraulique l"ype I

trou de 2 0 cm (8"Conslruif pour Kis^s _o.

viliUe pour s«ndn R O Aiioliil et pour tondu*RSK n W R S NatrcBo'U plaque « m ert.Coonettir ritctrj.otieacnr. celteH culot il braicntwidc

Figure 13 - Abaque pour la détermination de Rxt °u Rxo à partir du microlog,

(document Schlumberger)

(extrait de R. Desbrandes, \A{\ )

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

Un abaque (figure 13] donne R /R en fonction de ces deux rap-ports et de l'épaisseur du cake t x me

m C RxoOn tire R et l'on calcule facilement F = •=—

Rmf

32 - DIAGRAPHIES D'INDUCTION

Ces diagraphies, qui tendraient à remplacer les logs de résisti-vité dans le pétrole, consistent è mesurer la conductivité des terrains. Ellesont été créées pour travailler dans les forages effectués sans utilisationd'une boue conductrice, l'huile, l'air, etc.. On peut les réaliser égale-ment avec une boue normale, et les résultats seront meilleurs si la bouen'est pas trop salée : R /R £ 5

La sonde comprend une bobine émettrice d'un champ électromagné-tique sinusoïdal qui induit des courants dans les terrains,lesquels "répon-dent" sur une bobine réceptrice en fonction de leur conductivité.

La conductivité est mesurée en millimho/m = —r—?— . En prati-ohm/m

que un réciprocateur transforme les conductivités en résistivités, qui sontprésentées ainsi sur les logs pour faciliter la comparaison avec les autreslogs de résistivité.

De la même façon que les espacements des électrodes des sondesde résistivité déterminent la distance d'investigation dans le terrain, ilexiste des sondes d'induction sensibles aux signaux provenant en particulierd'une distance d_ variable selon les types de sondes, qui portent des symbo-les tels que 5 F F 27, 5 F F 40, 6 F F 40, etc

Les déflexions des logs d'induction sont moins compliquées etmoins déformées aux changements de terrain que celles des logs de résistivi-té; pour des couches d'au moins 2 m d'épaisseur, les limites horizontalesentre couches se situeront à mi-hauteur du trait d'entrée ou de retour de ladéflexion.

Il existe des abaques de correction de l'influence de la colonnede boue, de l'influence des épontes d'une couche, et de l'influence de lazone envahie.

A titre d'information, la figure 14 donne un exemple de diagram-me 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 ).

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2 I L - LL8

100 1000

ILd

Figure 14 - Diagrammes combinés :à gauche PS ; à droite deux logs d'induction8 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 Latérolog7 et des diagraphies de résistivité classiquesen face d'une couche résistante d'épaisseurh = 10 d (document Schlumberger)

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

R m f •L\ K .0,035

Rs

R T =

Ri

Rm

= 5.

250.

- •

=.05

th= eo"

R E S I S T I V I T Y

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

I I I I I I

S.N.

220 -

L A T E R O L O G : 0 , 0 2 = 32" • 4d , A , A 2 « 80"= lOdIL0,

o?1

Aï'

25a

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Ces courbes d'induction sont le 6 F F 40 et le 8 F F 32 désignéségalement par ILd [induction log deep] = grande pénétration et ILm, à moyennepénétration. On remarquera l'échelle logarithmique employée, qui donne davan-tage de détail dans les faibles valeurs et empêchent les sorties de spotdans les valeurs fortes.

33 - DIAGRAPHIES FOCALISEES : LATEROLOGS ET MICROLATEROLOGS

Pour éviter les erreurs de lectures en face des couches minceset celles dues à la salinité de la boue, Schlumberger a sorti les premierslatérologs en 1927. Ces diagraphies s'appellent Guard logs ou Focus logsdans la terminologie d'autres sociétés.

33-1 Les latérologsLes 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 pourenvoyer le courant dans les terrains, ce courant se répartira selon un el-lipsoïde de révolution dont l'axe sera l'électrode et les 2 foyers? lesextrémités de celle-ci.

Au centre, à mi-distance entre les deux foyers on aura unerépartition radiale horizontale des "filets" de courant. Le principe dulatérolog consiste à mesurer ces courants centraux focalisés horizontale-ment 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 cons-tant en A et l'on maintient égaux les potentiels entre A,.,A et A. en envoyantun courant variable en A. et A . On peut au contraire maintenir à poten-tiel constant et mesurer les courants variables en A. et A , ce qui donnela conductivité des terrains, présentée sur le log sous forme de résistivi-té par réciprocateur.

Les échelles de présentation des logs sont souvent hybrides oumixtes . En échelle hybride les divisions donnent 1/R, par exemple : 0,55125, 215, 333, 500, 750,1 165,2 000,4 500, °° (exemple d'échelle hyperboli-que] .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 minceavec LL7 comparée aux courbes de résistivité classiques.

En conclusion, le latérolog donnera de bien meilleures informa-tions que les logs classiques de résistivité : en couches minces, en boueconductrice, 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 :Rxo < 3 R

t

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33-2 Les microiatérologs = trumpet logs = microfocus logs

Comme celles des micrologs, les électroiodes des microlatérologssont encastrées dans un patin isolant appliqué contre la paroi du sondage.Elles comprennent une électrode centrale A entourée de 2 électrodes annu-laires M et M dont les potentiels sont maintenus égaux par une 3ème élec-trode annulaire A qui émet un courant variable.

Par suite de l'étalement des lignes de courant en pavillon (detrompette] la mesure porte sur les quelques centimètres de terrain lavécorrespondant au centre du cône, soit théoriquement 1,75" (= 43 mm] c'est-à-dire la moyenne entre M = 1,5" et M = 2" .

Comme pour le latérolog, l'échelle d'enregistrement du microla-térolog est une échelle hybride (cf. fig. 16).

La résistivité donnée par le microlatérolog, R , correspondà R si le cake est mince (t < 1/2 " = 12 mm). Pour des épaisseurs

xo meplus grandes, il existe des abaques de correction de R

xo

Le log de proximité (proximity log) est une variante du microlatérolog dontles électrodes annulaires ont un diamètre plus grand, ce qui permet d'obte-nir R

xopratiquement sans influence du cake.

Figure 16 - Exemple de microlatérolog enéchelle comprimée, (document Schlumberger)

d = 15 cm (611)Boue : densité = 1,4 6 ; viscosité = 57 ; pH=12;perte d'eau = 4 c m 3 / 3 0 mn ; R m = 0, 038 à89°C (BHT) = (bottom hole temperature) =température de fond de trou

(extrait de R. Desbrandes, [AS] )

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4 - AUTRES DIAGRAPHIES

41 - DIAGRAPHIES NUCLEAIRES

41-1 GénéralitésA la différence des diagraphies décrites précédemment qui doi-

vent être exécutées en forage découvert, les diagraphies nucléaires sontréalisables en forage tube.

Elles consistent à enregistrer le rayonnement naturel des rochesou les modifications d'un rayonnement artificiel produit par une sourceradio-active descendue dans le forage.

Les roches renferment en proportion variable, généralement fai-ble, des éléments radio-actifs, comme le potassium 40, isotope du potassium39, et des éléments lourds des familles de l'uranium et du thorium. Tandisque les particules a et ß sont peu pénétrantes, l'énergie du rayonnementgamma varie entre 0,1 et 10 millions d'électron-volts, aussi ces particulessont-elles capables de traverser plusieurs centimètres à plusieurs décimè-tres de terrains avant d'être totalement absorbées.

41-2 Diagraphie de rayonnement gamma = gamma rayL'intensité du rayonnement gamma émis par un terrain est expri-

mée en unités API ; cette unité API est définie par convention comme 1/200de la déflexion d'une sonde gamma ray entre deux formations étalons d'unpuits artificiel de l'Université de Houston, Texas.

Les différentes sociétés du service utilisent des unités dif-férentes dont elles donnent l'équivalence en unités API :

Pour Schlumberger, le microgramme de radium équivalent par tonne =16,5 APILane Wells, l'unité de radiation (L.W. scintillateur) = 2,16 "PGAC, un microroentgen/h (PGAC scintillateur) =15,0 "

" Me Cullough, un microroentgen/h =10,4 "

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

20 30 40 50 60 70 80 90 1(10

Anhydrite

Charbon

Sel g e m m e

Dolomie

Calcaire

Sable grès

Argile lagunaire

Argüe marine

Potasse

/ j g R a e'q/t

-

_

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

(extrait de R . Desbrandes, JA5J )

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140

En diagraphie gamma, le rayonnement des roches est mesuré parun compteur à scintillation constitué d'un cristal qui émet un photon lumi-neux lorsqu'il est traversé par un rayon gamma ; l'énergie du photon émisest proportionnelle à celle du rayon gamma. En principe les opérateurs doi-vent donner un diagramme d'étalonnage de leur sonde en même temps que ladiagraphie gamma.

Les enregistrements sont influencés par la radio-activité proprede la boue, par le diamètre du puits et par le tubage + épais. La figure 18schématise ces diverses incidences et les figures 19 a et b sont des abaquesde correction de la société Schlumberger. Malgré les corrections possibles,le gamma ray présente une valeur qualitative certaine pour les coupureslithologiques et les corrélations entre forages d'un même secteur, mais soninterprétation quantitative reste souvent imprécise.

41-3 Log gamma-gamma = densitéLe principe de cet enregistrement consiste à émettre des rayons

gamma dans un forage et à les détecter à une certaine distance de l'émet-teur, après leur "cheminement" dans le terrain. Lorsque ces rayons pénètrentdans une roche, ils entrent en collision avec les électrons des atomes dematière ; comme le nombre d'atomes d'un matériau est approximativement pro-portionnel a sa densité les collisions seront d'autant plus nombreuses etle faisceau du rayonnement diffusé d'autant moins intense que la formationrencontrée est plus dense. Par ailleurs les variations de densité d'une ro-che sont directement liées au volume des vides de celle-ci, donc à sa poro-sité.

Il existe une relation entre la porosité totale [0), la densitéde matrice, (celle des grains de la roche) (d ), la densité du fluide in-tersticiel Cd-p ] et la densité globale (d ) lue sur le diagramme du rayonne-ment gamma diffusé

d - djn g0 =

m- d.

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

Tableau 2

DENSITÉ DES ROCHES COMPACTES

Anhydrite 2,95Dolomie 2,85Calcite 2.71Quartz 2,66Kaolinite 2,63 (')lllite 2,76 (')Montmorillonite 2,70 ( ')Charbon 1 à 1,80

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

(extrait de R . Desbrandes, [À5J )

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Ois. »end. —¥•

tubage T

fDis. Sond.

"-g ni

boue tl

m-ciment

i /

• \

DIAMEJK aisamviE EH toxrs| | , , , . | , . , . |O S 10 I!

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

extrait de R. Desbrandes, [A5j )

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12.5 15 17.5 20 ¿7,i MAs (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 17.5épaisseur Je houe (cm)

Figure 19 b - Abaque de correction du gamma ray pour la boue, le tubage etle ciment, (document Schlumberger)

(figures extraites de R. Desbrandes, A5 )

Pour 19a : entrer en abscisse par le diamètre du sondage, puis monter vertica-lement jusqu'à la courbe de densité de la boue. lire le rapport enordonnée.

Pour 19b : la ligne fléchée donne le cheminement : en bas à droite entrer parl'épaisseur du cake, puis densité de la boue, épaisseur du tubage,épaisseur du ciment.

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143

La figure 20 donne la réponse d'une sonde gamma-gamma [en coupspar seconde] en fonction de la densité de la roche, et l'abaque figure 20permet de corriger éventuellement l'influence du cake -, l'exemple montrequ'avec 6 mm de cake la densité passe de 2,25 à 2,18 dans la réalité. L'aba-que figure 21 indique que le grès correspondant à dg = 2,18 aurait une poro-sité de 29 % au lieu de 24 % pour dg = 2,25.

Un appareil à deux détecteurs, situés à des distances diffé-rentes de l'émetteur permet d'éviter la correction due au cake : c'estla sonde de densité compensée à double espacement [dual spacing formationdensity] qui donne directement la densité de la formation.

Figure 20 a - Réponse schématique d'unesonde gamma-gamma.

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

12 mm

6mm

\ \\w1\ \ww \

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

2 0 Zf 2,2 2,J 2,4 tfi 2,« 2,7 2,8 2,9 iji

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

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; 144

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

fie. densité -

rliamèlreur 3.0 2.5

= 1,27

u

SONDAGE BPOROSITÉ %

6AMMA -GAMMAImpulsions/Seconde

COURBE IPS POROSITÉMoyenne M o y . %

0 500 450 10 »

o Porosité densiCé•Poros/éê carottes i

Figure 22 - Exemple de diagraphiegamma-gamma compensée,(document A . I . M . E . )

Figure 23 - Corrélation porosité carotte etporosité déterminée à partir du gamma-gamma(document A . F . T . P . )

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

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'-L 145

41-4 Diagraphies de neutronsLe principe de ces diagraphies repose sur le."bombardement" du terrain

à partir d'une source émettrice de neutrons rapides,du béryllium-plutoniumgénéralement. Par suite des collisions dans les roches, ces neutrons sontde plus en plus ralentis, principalement par les noyaux d'atomes d'hydro-gène de même masse, pour devenir des neutrons lents, puis épithermiques, etenfin thermiques après capture, qui s'accompagne de l'émission de rayonsgamma.

On pourra donc utiliser plusieurs types de détecteurs pour cesdifférents stades, c'est-à-dire des détecteurs de neutrons lents, de neu-trons épithermiques ou de gamma de capture. Dans tous les cas la valeur ob-tenue sera fonction de la teneur en hydrogène du terrain, donc essentiel-lement de sa teneur en eau et en hydrocarbures. La totalité de l'eau inter-viendra dans la réponse, qu'elle soit libre, pelliculaire, adsorbée ou deconstitution ¡ la porosité déduite du résultat sera supérieure à la porositéefficace,et même à la porosité totale déterminée à l'étuve, pour l'argile etle gypse par exemple (cf.J 5221].

L'étalonnage des diagrammes de gamma de capture varie selon lesopérateurs et l'API a défini une unité-neutron conventionnelle ; la SociétéSchlumberger par exemple utilise le coup par seconde standard (c.p.s.) quivaut 3,85 unités API. Les sociétés éditent des abaques correspondant à leurappareillage pour traduire les valeurs lues sur les diagrammes en porosités.

Si les logs, qui se présentent grossièrement comme l'image dugamma ray dans un miroir, donnent une définition lithologique assez fine,leur interprétation quantitative en porosité n'est pas toujours très préci-se. La mesure est meilleure dans un trou non tube, mais il faut tenir comptede plusieurs causes possibles de perturbations : le diamètre du forage, lecentrage de la sonde, la nature de la boue, la température, la présence dechlore.

Neutron épithermique de paroi = (Side wall neutron] .

Dans ce type de log, appelé.encore neutron-neutron, puisqu'on détecteles neutrons épithermiques, on utilise une source et un compteur incorporésdans un patin appliqué contre la paroi en trou ouvert, vide ou plein de boue.Les perturbations indiquées plus haut dans le log neutron classique, dia-mètre, centrage, etc.... sont donc supprimées ou corrigées automatiquement.

Le diagramme est exprimé directement en porosité, dans uneéchelle que l'on choisit sur le tableau de commande en fonction de la ro-che diagraphiée : selon les cas on affichera l'échelle de porosité du cal-caire, celle de la dolomie, celle du sable, etc....

En même temps on enregistre un log de densité compensée, quidonne la densité vraie des différentes roches traversées par le forage. Apartir de ces deux diagrammes on sera donc en mesure de calculer la porositéréelle de la roche.

Dans des terrains imprégnés d'eau, la porosité neutron, qui re-flète la proportion des atomes d'hydrogène, donc de l'eau essentiellement,est généralement surévaluée ; en effet l'eau de constitution des moléculesd'argile ou des évaporites, l'eau intercristalline, absorbée etc.. inter-vient au même titre que l'eau libre. La porosité neutron est donc assez re-présentative dans les formations propres saturées ; lorsque les terrainscontiennent de l'argile, ce qui est très fréquent, il faut faire une correc-tion assez compliquée, et nous verrons cette question des terrains argileuxau chapitre 5.

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41-5 Autres diagraphies de rayonnement

Elles seront seulement désignées pour mémoire puisque la plu-part d'entre elles sont encore au stade de recherche ; il s'agit :

- de la spectrométrie du rayonnement gamma de capture ou chlorinolog ; dansune zone à huile et eau salée ce log indique la présence du chlore, donc sonabsence en face de l'huile non mélangée d'eau salée.

- du log de temps de relaxation neutronique, qui remplacerait le chlorinologpour déterminer la saturation en eau S dans les gisements d'huile, en for-mations peu argileuses. Elle est réalisable après tubage.

- de la diagraphie d'activation neutronique : on "active" certains atomesdu terrain : silicium, aluminium, etc... . polir connaître leur teneur.

- diagraphie de fluorescence nucléaire résonnante : pour identifier égalementcertains atomes du terrain.

- les diagraphies de fluorescence X, de diffusion X, de diffraction X servi-raient aussi à identifier les formations.

- les diagraphies de résonnance magnétique nucléaire seraient intéressantesen hydrogéologie pour connaître la nature du fluide de formation et la pro-portion de fluide libre, c'est-à-dire susceptible de s'écouler [cf. 1èrepartie).

42 - DIAGRAPHIES SONIQUESCe type de diagraphies consiste à déterminer les vitesses de pro-

pagation des vibrations élastiques dans les roches. Les vibrations longitudinales dans les roches se propagent à des vitesses comprises entre 3 000et 8 000 m/seconde et les vibrations transversales à des vitesses de 1 500 à4 000 m/seconde ¡ les vibrations transversales ne se transmettent pas dans lesfluides.

On peut également caractériser ces propriétés de transmissiondes solides et des fluides par le temps de parcours At =~r, ; ainsi pour unedolomie 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-secondepar mètre ou par pied de quelques terrains et matériaux.

Dans une roche poreuse cimentée, on suppose que le temps deparcours d'une vibration est la moyenne volumétrique des temps de parcoursdans la matrice et dans le fluide intersticiel remplissant les vides. Endésignant par :

At : le temps de parcours dans la matrice,m

At : " " " " " le fluide intersticiel.

At : " " " " donné par la roche poreuse,

la formule de Wyllie donne :

Atn = 0 At_ + (1 - 0) Atlu f m

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Tableau 3

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

terrains et matériaux

i (pied/s)

! l 000: I 450' 5 000-5 300

4 2506 000-8 0006 500-15 5008 500-23 0009 800-26 00020 000-21 000

1500016 50011 500

16 500-17 500

At((jis/m)

3 0002 260

655-620770

548-410500-212384-141333-126164-161218200286

185-195

At(us/pied)

910690

200-190235

! 167-1151 150-65i 120-43

100-3850-49666187

57-60

Air 0 °C, p. atm 330Méthane 0 °C, p. atm . . . 442Eau-boue 1 530-1 620Huile 1 300Argile I 830-2 440Grès 2 000-4 700Calcaire 2 600-7 100Dolomie 3 000-7 900Anhydrite 6 100-6 200Sel 4 580Gneiss 5 000Ciment (forage) 3 500Acier (tubage 5 000-5 400

(extrait de R. Desbrandes,

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

0 1-0

'lue f m

L'opération consiste à utiliser un émetteur magnétique excitépar 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 tempsde parcours. Avec un appareil à deux récepteurs, à distances variables de1'émetteur,on connaîtra les différences de temps de parcours d'un mêmesignal pour corriger l'effet des trajets obliques dans la boue.

Dans la pratique on travaille avec un appareil compensé pour letrou de sonde de diamètre variable (Bore hole compensated = BHC) et enmême temps il y a correction de l'inclinaison éventuelle de la sonde. L'ap-pareil comprend quatre récepteurs qui enregistrent les ondes envoyées al-ternativement par deux émetteurs.

La distance émetteur-récepteur, ou espacement, est de 0,90 m, etla distance entre récepteurs, ou écartement varie entre 0,30 m et 0,90 m. Onobtiendra la vitesse réelle dans la formation si la couche a une épaisseurau moins égale à la valeur de 1'écartement, et la zone intéressée par lamesure est la zone lavée à la périphérie immédiate du trou.

Logiquement, on devrait interpréter les mesures en tenant comptede la pression de la matrice = pression d'étreinte f P_^ et de la pressiondu fluide intersticiel (Pi] qui sont importantes en profondeur.

En fait ces pressions ne sont pas prises en compte, non plusque l'influence de la température, ce qui donne une valeur approximativeaux résultats.

Pour l'interprétation des diagrammes, on distinguera :

a] les formations consolidées ou bien compactées dans lesquelles V > 5 500m/sou At < 182 micro-secondes/m(=55,5 micro-sec./pied)

b) les formations meubles ou peu compactées dont V < 5 500 m/s ouAt > 182 micro.sec./m(> 55,5 micro-sec./pied).

a) Formations consolidées^ La vitesse lue, dépend assez peu dede la pression d'étreinte P_ et l'on peut appliquer la formule de Wyllie :

At. = 0 At. = 0 At. + (1-0) At , ou encorelu lu f m

At. - At0 = i ü H l

At. - Atf m

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

m f

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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 longi-tudinales, (document Schlumberger)

(extrait de R . Desbrandes, \_As\ )

Nota : D'après3 Schlumberger (1972)correspondants sont

DolomiesCalcairesGrès

Vma(ft/sec)

23 000 à 2621 000 à 2318 000 à 19

les vitesses maximales Vmales suivants :

•SX

000000500

\ ma (Vsec)

7 000 à 86 400 à 75 500 à 5

000000950

Atm

43,47,55,

et

(jxsec/it)

5 à 386 à 435 à 51

552

temps de parcours

Atm (yUsec/m)

143 à 126156 à 143182 à 168

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

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Le tableau 4 fournit les valeurs de V , Vf, Atm, Atf, 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 zonecompacte, qui seront par ailleurs indiquées par les fortes valeurs des logsneutron, microlog ou microlatérolog.

De même, dans les zones certainement aquifères, dont les résis-tivités donneront R , on déduira 0 par la relation : 1 _ o , avec

° W =1

0

R

A partir de 0 on retrouvera At par la formule de Wyllie, con-naissant At, et At„.

lu f

Si le terrain consolidé contient de l'argile, celle-ci est, soitdisséminée au sein de la matrice rocheuse, soit sous forme de couches mincesalternant 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 argilesdans le terrain.

Pour l'argile en couches minces :

At - At

avec Atsh

temps de parcours dans l'argile [shale) ;

(cf.0 522)At , - At

n i sh mOn pose K = -r—

s At „Atm

Tableau 4

FORMATION

DolomieCalcaire . . .GrèsSable

PROFONDEURS

(m)

0 à 1 000 m1 000 à 2 000 m .2 000 à 3 000 m .3 000 à 4 000 m .

1 ym

(m/s)

70006 4005 9505 500

: (m/s)

1 6001 7501 9002 150

(as/m)

143156168182

At,(as/m)

625570525465

(as'pied)

43.547,551

! 56

(as pied)

190174160142

Vitesses de matrice (Vm) et temps de parcours Atm d e quelques roches ; vitesses

(Vf) et temps de parcours Atf dans un fluide en fonction de la profondeur.

(extrait de R. Desbrandes, [A5J )

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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 P S _ pseudo PSP S S PS statique

ensuite on prend 0 = 0 x

Une diagraphie sonique, continuée avec d'autres logs est repro-

duite sur la figure 25, à titre d'exemple. Les temps de parcours y sont ex-

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 par-

cours 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'induc-tion 5 FF 40

Rmf = 0,25 o h m / m - diamètre du sondage 6" 7/8 = 17,5 cmR w =0 ,06 o h m / m - C^tsh = 100 (document Schlumberger)

(extrait de R. Desbrandes, JA5] )

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43 - DIAGRAPHIES ACOUSTIQUES

Tandis qu'en diagraphie sonique on enregistre les vitesses depropagation des ondes dans le terrain, en diagraphie acoustique on enregis-tre les variations d'amplitude de ces mêmes ondes sonores.

La première et principale application des logs acoustiques estla diagraphie d'adhérence du ciment [= cement bond log = CBL) pour vérifierle remplissage complet de l'espace annulaire entre tubage et terrain déjàévoquée en 1ère partie. La figure 26 montre des exemples de signaux enre-gistrés selon la qualité de la gaine de ciment.

5038

[

:

^= M M

< 1 1 1 un

•iun Mil "ii

• •

5106'

>1

M -

.i

I • 1 •

AA

AA

m i

ak A ñ A L

IT»\M¡ 11Íffil

• i 1 i 1 1 i

M

5146

Figure 26 - Diagrammes d'adhérence du ciment (cement bond logs)

a) en haut : pas de ciment ; en bas : bonne cimentationb) haut et bas : mauvaise cimentation

(extrait de R . Desbrandes.

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On peut décomposer schématiquement ces diagrammes de gauche àdroite en 3 parties. Par exemple, en haut et à gauche les diagrammes reçusen tubage non cimenté montrent :

- un palier de temps de deux divisions entre l'émission et l'arrivée dusignal de réception

- sur les trois divisions suivantes, le signal reçu présente une grande am-plitude, l'onde n'étant pas atténuée par la gaine de boue

- entre la 5ème et la 10ème division l'onde s'atténue progressivement dansle terrain.

En bas à gauche, les diagrammes sont du même type au début età la fin, mais il y a une forte atténuation d'amplitude due au ciment surles divisions 3 à 5.

En bas à droite l'atténuation d'amplitude du ciment n'est quepartielle. Enfin en haut à droite l'atténuation est bonne au début puisla formation séparée de la gaine de ciment "répond" mal.

Dans la pratique l'amplitude est "traduite" en potentiel etexprimée en millivolts; une bonne cimentation amènera la courbe à 1 à 2millivolts, et celle-ci augmentera à 20 ou 30 millivolts au droit des zonesnon ou incomplètement cimentées.

L'interprétation n'est pas toujours aussi simple et les poten-tiels faibles au droit des horizons mal cimentés ou forts au droit de ceuxqui sont correctement cimentés sont dans certains cas imputés à un mauvaiscentrage de la sonde. Les opérateurs signalent également des absences d'at-ténuation en face des terrains très denses et compacts qui ont des vitessesde formation très élevées. Ce log très utile ne donne donc pas la certitudeabsolue.

Le C B L est souvent complété par le V D L ( = variable densitylog] = diagraphie en densité variable qui se présente sur film photographi-que comme un micro-sismogramme pour visualiser les joints de tubages, lagaine de ciment, les fractures verticales ou horizontales, etc.... (cf.col6, à gauche de la figure 27). Le terme "densité variable" indique que l'in-tensité des taches portées sur le film est fonction de la valeur de l'am-plitude des ondes de l'oscilloscope.

En diagraphie d'amplitude sonique, on a envisagé de comparerles réponses des ondes transversales en plus de celles des ondes longitu-dinales données par le C B L. En laboratoire, on a constaté qu'en faced'une petite fissure l'atténuation de l'onde transversale apparaissait endébut de réponse tandis qu'il n'y avait pas d'atténuation de l'onde longi-tudinale. Ensuite on constate une atténuation de l'amplitude maximale enface de la fissure par rapport à celle que l'on enregistre en face de laroche compacte. C'est en définitive la comparaison des valeurs d'amplitudedu début de l'onde longitudinale (ou compressionnelle) et d'amplitudemaximale à une certaine distance qui est retenue sur le chantier. La figure27 montre, en colonne 4, un log d'amplitude compressionnelle (en pointillé)et d'onde transverse (trait plein). La colonne 3 donne le log d'amplitudemaximale à une distance de 3'.

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AMPL. MAX.

ESPACEMENT 3

DIAG. DE PERIOD

ESPACEMENT 3'CAL. SONIQUE DIFF.

+ 20 0 - 20 us

M M T)CD CD CD

Figure 27 - Diagraphie composée représentant les différents types de diagraphiesacoustiques, (document A . I . M . E . )

(extrait de R. Desbrandes, [A5] )

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Enfin la figure 27 comporte en outre :

- en colonne 1, le log de période sonique qui donne la durée (en micro-se-condes) de la première onde reçue, qui pourrait caractériser la présence defractures selon P G A C

- en colonne 2 le diamétreur (caliper) sonique différentiel qui accuse lesécarts entre diamètre théorique et diamètre réel du trou, donc les rugositésliées souvent aux fractures

- en colonne 5, on retrouve le log sonique classique à un récepteur et enpointillé le B H C (Bore hole compensated) = log sonique compensé pour letrou, à 2 émetteurs et 4 récepteurs.

Signalons en conclusion, que selon les praticiens, bon nombrede diagraphies acoustiques devraient disparaître pour laisser la place àquelques logs éprouvés seulement dans l'avenir.

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5 - CARACTERISTIQUES DES AQUIFERES A PARTIR DES DIAGRAPHIES

Après la présentation des principales diagraphies utilisables enforages d'eau ce dernier chapitre résume ce que 1'hydrogéologue peut en at-tendre pour calculer ou estimer au mieux certains paramètres de l'eau et duterrain 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 sonten 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 larégion d'après l'abaque figure 60, en 1ère partie. Voici la formule reliantR à la P.S :we

P.S.S - - K logwe

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,

mfR = R „ . S i R „ < 0 , 1 3 ohm/m faire la correction de Rmfe mf mf mfe

B) A partir de la P.S on peut également écrire :

[a)wP.S.S = - K log

[a)mf

En dosant Na, et Ca + Mg sur le filtrat, on peut calculer l'activité du filtrat (a)mf (cf. fig. 4 en 2ème partie]. On calcule alors faci-lement (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 saturée d'eau F = R /R ou R = R /F.

o w w o

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 suffisammentpénétrantes, la sonde latérale, l'induction ou le latérolog, et 0 par l'undes logs de porosité comme rappelé plus bas.

Une autre méthode pour obtenir R est indiquée au sous-chapi-ir df

0 . (cf § 524).

tre 52 à partir de la résistivité des argiles R et de leur porositéS M

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 = _° = aR Ww

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

RVQ

2) On peut également partir du rapport - — en lisant R de la zonemf

envahie sur la petite normale, le microlog ou le microlatérolog. R _ estmesurée sur le filtrat. Comme dans la formule ci-dessus :

Rxo F _ aR . ~ Wmf

B) Utilisation du log neutron

B1 - Le log neutron est enregistré sur une échelle conventionnelle variableselon les opérateurs, qui fournissent des abaques de conversion desrayons gamma de capture en porosité neutron 0 N

B2 - Avec le neutron épithermique de paroi les diagrammes sont gradués di-rectement en 0 dans un registre choisi, le calcaire par exemple, et latranscription dans un centre registre est faite par comparaison avecle 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 densitéest donnée directement par la sonde compensée, et l'on détermine la porositéen 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 si-tuation dans la roche aquifère. Ce temps de parcours global lu sur le dia-gramme (At lu) dépend du temps de parcours Atf dans le fluide qui remplitles vides représentant la porosité 0, et du temps de parcours At dans lamatrice de la roche, dont le volume est 1 - 0 :

Atn = 0 At_ + (1-0) At , ou encorelu f m

At l u - Atm

0„ = —T-r r r — (formule de Wyllie)S At_ - At

f m

La sonde compensée donne des valeurs At lues beaucoup plus exactesen face des différentes roches. L'abaque figure 24 fournit la porosité soni-que de différentes roches ; pour les sables renfermant de l'argile il faututiliser l'une des droites C At à condition d'avoir l'expérience régionalede cette valeur.

51-3 Porosité vacuoiaire des roches

Pour distinguer la porosité en grand de la porosité en petit on peutcomparer 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 lescavités de dissolution.

En revanche le log sonique est essentiellement sensible aux videsintercristallins et intergranulaires mais pas aux vacuoles.

Le report des porosités densité (0D) en fonction des temps de par-

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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] )

F O R M A T I O N

Sable non consolidéGrèsCalcaireDolomie

a

\111

m

1,3 à 1,61,8 à 2,0

2,02,2

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

60 70 80A t /J s/pied

Figure 28 - Identification des zones vacuolaires. (d'après document Schlumberger)

(extrait de R . Desbrandes, j~A5] )

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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 6points proviennent des " réponses" obtenues en face des mêmes calcairescomportant des petites cavités.

Par exemple, le point M montre une porosité totale 0 R = 16 % quireprésente la somme des vides intergranulaires, et des vacuoles. En l'ab-sence de vacuoles on aurait sa porosité sonique 0 sur la verticale de N,approximativement au milieu des deux droites, soif 0 = 11 % pour les micro-vides. Par différence on trouve les vides vacuolaires :

16 h - 11 % = 5 %

L'identification des zones vacuolaires ou fracturées en particulierdans les zones calcaires est possible à partir de plusieurs diagraphies :

- la P.S. présente de nombreux pics en face des interlits aqui-fères ou des cavités dans la masse du calcaire

- les diagraphies focalisées et microdiagraphies de résistivitéLL, ML, MLL soulignent les intervalles de faible résistivité en face despics de P.S

- sur le log sonique on observe des cycles manques, c'est-à-diredes augmentations brusques de At, au droit des cavités où l'énergie soniqueest fortement atténuée. En outre, comme signalé plus haut, 0 est inférieureà 0 dans ces zones vacuolaires.

- sur les logs acoustiques il y a atténuation du microsonique audroit des fractures et apparition de figures en W sur le microsismogramme.

Lorsqu'on examine la zone d'invasion au droit des fissures, on peutéventuellement distinguer les vacuoles interconnectées des cavités isolées.Dans le premier cas la zone d'invasion plus étendue donne des valeurs derésistivités voisines avec les microsondes ML, MLL, et, avec la petite nor-male ou le latérolog ; en vacuoles isolées au contraire les résistivités desmicrosondes seront différentes de celles des sondes pénétrantes.

Un exemple de calcul du pourcentage de la porosité totale 0 occupépar les vacuoles est donné ci-après à partir des deux équations :

v0t . 1-v0t 1 v0t + 1-v0tR~. R „ R ' R, R Rti mf ro fo w ro

dans lesquelles : R = résistivité de la roche vacuolaire envahie par lefiltrat

R = résistivité de la roche vacuolaire non envahie, maissaturée par l'eau de formation

R = résistivité de la roche poreuse saturée d'eaurov = porosité des vacuoles 0 / porosité totale 0t

V3C

( 0 /0t)vac

R = résistivité de l'eau de formation et R = résisti-vité du filtrat. m f

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160

Les logs de résistivité ; petite Normale, latérale, et micrologindiquent des résistivités proches dans un horizon aquifère salé, on en dé-duit que les fractures sont connectées.

Avec : R „ (mesuré) = 0,8 ohm/m ; R (d'après P.S) = 0,18 ohm/mrriT w

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

On lit : R sur la petite normale = 6 ohms/m

Rn sur la sonde latérale = 2 ohms/m,fo

Ces valeurs reportées dans les deux équations ci-dessus donnent

2 = vxO,3 + 1-0,3v J_ = vxO,3 + 1-0,3v6 0,B + R ; 2 0,18 + R

ro ro

Gn trouve v = 26 % et R = 1 3 , 5 ohm/mro

51-4 Perméabilité des terrainsLes diagraphies donnent surtout des informations qualitatives sur

la perméabilité : la P.S, le microlog, les logs neutron, gamma-gamma, soniqueindiquent la porosité et d'après la matrice de la roche, précisée par lediamétreur pour les sables et terrains cavables, on peut délimiter les cou-ches perméables ; dans les formations propres à forte porosité la perméabi-lité sera normalement élevée.

Le degré d'invasion d'une couche poreuse par le filtrat sera éga-lement un indice de la perméabilité. Cette invasion apparaîtra sur les cour-bes de résistivité plus ou moins pénétrantes : selon l'espacement des élec-trodes de mesure on lira les résistivités des zones, lavée, envahie et vierge.

Le log de résonance magnétique nucléaire, qui donne l'eau libredu terrain est celui qui fournirait la meilleure approche de la perméabilité.

Des recherches sont en cours pour mettre au point un bon outil dediagraphie capable de traduire correctement la perméabilité.

52 - ETUDE DES FORMATIONS ARGILEUSES

52-1 Généralités

Les roches argileuses : argilites, marnes, schistes etc.... existentdans le sous-sol sous deux présentations différentes :

- en couches bien individualisées épaisses ou très épaisses, qui constituentles épontes des réservoirs ; elles offrent sous cette forme peu d'intérêtpour le géologue et le géophysicien qui cherchent à définir la présenceet les caractéristiques des couches emmagasinant de l'eau ou de l'huileexploitables

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- en couches minces (ou laminations) alternant avec des formations poreusespropres renfermant des fluides récupérables, ou encore disséminée en pro-portion variable entre les grains de quartz des sables et des grès. Cesmagasins partiellement argileux sont très fréquents ; on utilisera lesdiagraphies 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 oùelles se traduisent par une séquence de faibles résistivités R ., dues àl'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 sable-argile donnent une P.S en dents de scie avec réduction d'amplitude de ladéflexion en face des sables où l'on a une pseudo-P.S = P.P.S. La véritableP.S statique P.S.S peut être lue sur un horizon sableux propre plus épaisrenfermant la mime eau et l'on peut alors calculer le coefficient de réduc-tion a de la P.P.S qui est : P.P.S . Eventuellement la P.S.S sera calcu-

a ~ P.s.slée, si l'on connaît la résistivité de l'eau de formation R , à partir del'équation : R

P.S.S = - K logwe

L'argile disséminé dans le sable entraîne une diminution de saP.S, mais n'apparaît évidemment pas sur les microdiagraphies. A défaut deP.S, nous verrons plus loin que les diagraphies de porosité, telles que leneutron, le gamma-gamma et le sonique, permettent l'évaluation de la teneuren argile.

L'argile dispersée dans le sable est moins compactée que celledes couches individualisés et des laminations. On admet que par rapport àla résistivité R , de l'argile en couche, la résistivité de l'argile dissé-minée R est plus faible,

c

R = 0,4 R , d'une couche compacte voisine. Dans la zone envahie par le fil-c sh R

trat on aura : R . = R •=—ci 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 rochesdu fait que les minéraux argileux renferment une proportion notable d'eaude constitution. Ainsi des argiles anhydres, c'est-à-dire déshydratées àl'étuve à 110°C contiennent encore 5 % d'eau en volume pour l'illite et lamontmorillonite et 14 % pour la Kaolinite.

A l'état hydraté la porosité 0 . d'une argile s'exprime par lerapport du volume d'eau emmagasinée (et éliminable à l'étuve] au volumetotal V de la roche hydratée : V = volume de l'argile anhydre + volume d'eauemmagasinée (correspondant à 0 ). Cette porosité 0 . dépend de la compac-

sn sntion de la roche, donc de la pression des couches sus-jacentes. Chilingar aétabli un abaque représentatif de la porosité des argiles en fonction de lapression (voir fig. 29).

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i _ vd d'eau libre » adsorb»?* vol. tafo I

P . prrman appliquée sur rargile

101 P MPt 1C»

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

(extrait de R . Desbrandes, [A5j )

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Pour imager ce qu'est la porosité d'un terrain argileux, rappelonsles diverses composantes d'un échantillon de grès argileux aquifère de volumeV. 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 géo-physiciens admettent par convention que l'argile désydratée représentera lamoitié de p et l'eau liée à l'argile l'autre moitié.

L'échantillon de grès se décomposera par exemple en :

l'argile.

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

Sur un échantillon de carotte de ce grès desséché à l'étuve à 110°Con 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 del'argile 0 = 12 % ; 0t déterminé sur carotte est donc supérieure à la po-rosité 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 utiliserales 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 parailleurs :

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

dessus il vient :

R. = pR . + (1-p)F x Rt v sh H s w

De même, dans la zone envahie par le filtrat on pourra écrire :

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

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On pourra calculer la teneur en argile p du terrain par comparaisonde 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 , RP.S.S = - K log ^ ou P.S.S = - K log ^ ° -

W 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 KK. Kt W

L'étude d'une série de diagrammes dans des sables argileux saturésd'eau a montré que :

RP.P.S = - K log ^ , a v e cK

O

R = résistivité de la zone lavée de la formationxo

R = résistivité de la formation saturée d'eauo

La teneur en argile p dans le sable correspond à

Rshp = FT"xo

Par ailleurs on pourra obtenir la porosité effective 0 _ du sable

argileux en utilisant l'abaque figure 30 qui suppose la connaissance de R ,

Rt' Rmf e t *'

52-2-3- Porosité à partir des logs neutron, sonique et gamma-gamma

Rappelons qu'en terrains mixtes, sable + argile, la porosité neu-tron 0 N est la somme de la porosité effective du sable 0 et de la porositéde l'argile correspondant à 0,5 p : 0 = 0 + 0,5 p

Le log densité (gamma-gamma] donne :d d .

« rt m - sn0D = 0 + P d - d a v e C

m f

d i d. et d , a densités de la matrice, du fluide et de l'argile,m t sh

d - d .i- m 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,B6m), d= 1 pour l'eau pure à 20°C,0,99 à 45°C, 0,98 à B5°C, 0,97 à m85°C, 0,96 à 97°C j augmenter dg u de0,7 %o par gramme litre de sels. (Ces corrections sont généralement inutilesen forage d'eau). On lira d , sur le log densité en face d'un banc d'argilevoisin du réservoir sablo-argileux étudié. A défaut on pourra prendre 0,20de 0 à 250 m, 0,19 de 250 à 500, 0,18 de 500 à 750, etc 0,11 de 2250 à2500 m et 0,10 au-dessous de 2500 m.

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165

Figure 30

— Déterminationde lu porosité des sablesargileux. (Document Jour-mil of Petroleum Techno-

logy.)PSP

Nota : x = p s s -

(extrait de R . Desbrandes, A5 )

Utilisation : selon la ligne fléchée, entrer en bas, à l'intersection de la ligneRxo (ici = 0,8) avec la ligne pointillée o< (ici = 0 ,7) . Monter verticalement

RxoRtjusqu'à ^ 7 = Fa (ici Fa = 7,5) et partir horizontalement à droite vers l'échelle

de porosité (ici 25 %).

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

At = p At . + 0 At + (1 - p - 0) Atsh f m

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

At = 0 C At. + (1 - 0„)AtS f S m

on peut égaliser les deux équations et :At . - At

* r* sh m0S = 0 + P At. - Atf m

At - At— - r-r varie de 0.2 à 0,6 dans les laminations et de 0,4 à 1 pourA tf - A tmles argiles disséminées.

Les porosités neutron 0 , densité 0 et sonique 0 , peuvent s'ex-primer en fonction de la porosité effective 0 et du pourcentage d'argile:

6 T

B.p

C.p

on pourra donc calculer 0 et p à partir de deux logs.S T

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

0 = 0 + 0,15 p et 0 = 0 + 0 , 8 p

Supposons que les logs densité et sonique indiquent par exemple, en faced'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'argiledisséminé p = 15,4 % et 0 = 27,7 %

Simplification éventuelle. Pour les sables avec argile disperséeTIXIER propose de considérer que la réponse au log sonique du mélange

At diminue lorsque la compaction de ]'argile est plus forte, c'est-à-direen profondeur. On choisira donc les coefficients les plus élevés : 0,6

pour les laminations et 1 pour l'argile disséminée, ai.-: profondeurs faiblesinférieures à 500 m par exemple et des coefficients de plus en plus faibleslorsque la profondeur augmente.

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

0 = 0 + p

De même, si l'on admet que la densité de l'argile est proche decelle 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 et 0 proposées plus haut, soit :

0 = 0,4 et 0 = 0,3, on aurait directement 0 = 0,3 et p = 0,1

0 1L'argile remplissant les pores serait : q = ' = 0,25, et la

porosité utile deviendrait 0,3 (1-0,2:5]= 22,5 %

52-3 Résistivité des argiles

Dans la plupart des roches on considère que la matrice minéraleest isolante et que la conductivité est fonction du pourcentage d'eau in-tersticielle et de la composition ionique de celle-ci.

Les argiles se comportent différemment ; on constate que la con-ductivité C d'une argile saturée avec des solutions de conductivité C

croissantes croît moins vite que C . On en déduit que la conductivité Wdel'argile dépend en partie de celle de la roche elle-même et que le facteurde formation apparent :

R CFa = -g— = •=— croît en fonction de C , alors que dans les roches propres

KL WW O

F est une constante. La matrice de l'argile contribue donc à la conductivitéen 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 conductivité1/R peuvent être calculées par la formule suivante qui tient compte de laporosité de l'argile :

0m

, Ksh w

0 = porosité de l'argile

(ß J) dans laquelle :V Sh7

m = facteur analogue au facteur de cimentation ; m vaut respectivement2,95, 3,40 et 5,60 pour la Kaolinite, l'illite et la montmorillonite

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C (0 ,) = facteur de la conductivité [exprimée en mho/m] dépend de la po-S rosité de l'argile 0 .. La figure 31 montre que ce facteur est

peu influencé par la nature de l'argile ; il passe de 0 à0,2 mho/m quand 0 , passe de 0 à 0,5 et atteint un maximum de0,79 mho/m lorsqul 0 = 0,9 = 90 %

S M

Pour une eau de résistivité Rw il est possible de construire unabaque de 0 d'une argile donnée, l'illite par exemple, en fonction de sarésistivitéS R ; on tiendra compte de l'exposant m = 3,4 pour l'illite etde 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 laporosité est de 32 % supporte une pression de 31 M Pa *. En supposant lacouche d'argile à 2 000 m de profondeur, la pression des sédiments est de2 000 x 2,6

10052 MPa, et celle de l'eau est de 52 - 31 = 21 MPa

Au lieu de déduire la porosité 0 de la résistivité R des ar-giles 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'échellelogarithmique et dans les argiles cavées le gamma-gamma fonctionne mal.

C E . Hottman a pu dresser un abaque (cf. figure 33] de 0 . desargiles oligo-miocènes de Louisiane du Sud en fonction du temps de parcoursAt , du log sonique, qui varie avec la pression. La courbe en trait pleincorrespond à At pour une pression d'eau normale (1 kg/cm2/10m de profon-deur] j elle se situe entre les courbes pointillées de gradient de pressionde fluide AP anormalement élevé (2 kg/crrr/10m) et anormalement basC0,5 kg/cm^/IOm]. L'auteur reporte sur diagrammes At et R en abcisselogarithmique 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'. AudessousS At n'évolue pratiquement plus jusqu'à 14 000' (= 4 270m], commesi 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 argilesTIXIER a elaboré une formule empirique de calcul de la résistivitéiu des argiles en fonction

temps de parcours du log sonique Atr

R

R(i de l'eau des argiles en fonction de la résistivité de l'argile R . et du

At , - 230 S h

R R .W S h 1640

M Pa = mégapascal = 10 Pascal

1 M Pa = 10 bars = 10,2 kgf/cm2

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1.0

0.5

•litte• Kaolimte

0.5 T 10

Figure 31 - Conductivité desurface des argiles. .(document I .F.P.)

(extrait de R . Desbrandes, [A5l )

-il

IJO . .

\

Ea

V

*

I

.aczom

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

(extrait de R . Desbrandes,

3 R,h a m A

50

40

20

10

0.

—. — =

y

- "

V

70 to 90 no no no no M O 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 )

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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 . - 70R - R shw sh 500

II est possible également de prendre la formule du $ 52.3. :

,m0"

sh sh

R . Rsh w

+ C (0 . ] , ou R -sh w 1

hsh

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

Un abaque figure 34 établi pour l'illite est donné à titre d'exemple;pour R = 30 ohms/m et 0 , = 30 % on lira en ordonnée R =0,64 ohms/m.

Les praticiens estiment que cette méthode de détermination resteimprécise et qu'il est préférable de la calculer à partir de la P.S ou mieuxencore de la mesurer sur échantillon d'eau prélevé dans un niveau sableuxvoisin.

Figure 34 - Relation résistivité de l'eau interstitielle-résistivité des argilescompactes pourl'illite. (document I.F.P.)

(extrait de R. Desbrandes, [A5] )

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171

6 - CONCLUSION

Si les diagraphies présentées permettent d'aboutir à une bonneidentification des terrains, c'est-à-dire à une distinction correcte de lanature et de l'épaisseur des différentes couches, il est nécessaire de dis-poser d'un choix de logs assez large pour définir la résistivité de l'eauet surtout la porosité utile intergranulaire et vacuolaire des divers typesde formations :

- l'exactitude de la résistivité vraie d'une eau douce dépendrade la validité du modèle hydrochimique supposé localement ou de la validitédes paramètres a et m de la porosité 0 retenus pour le calcul du facteur deformation F.

- La porosité déterminable par diverses méthodes donne de bonsrésultats en terrains propres. En terrains partiellement argileux, il y adisparité des valeurs obtenues avec les divers logs, et l'on aurait intérêtà calculer la teneur en argile p et la porosité 0 en comparant deux logsdifférents, par exemple le sonique et le gamma-gamma ou le sonique et leneutron.

Enfin il n'est pas inutile de rappeler que la qualité des diagra-phies, donc la compétence des opérateurs et la qualité du matériel de mesureet d'enregistrement, est d'une importance primordiale. Les conditions demise en oeuvre, le contrôle des appareils, leur étalonnage correct, la véri-fication de leur fonctionnement par des essais successifs sur une même tran-che d'un forage pour s'assurer de la répétitivité des mesures, les diversesprécautions à prendre, la présentation des résultats, etc ... ont fait l'objet

de recommandations rédigées par des praticiens expérimentés, par exemple ceuxde la Chambre syndicale de la recherche et de la production du gaz naturel.

L'interprétation précise des logs serait illusoire si les mesuressont inexactes ou approximatives. Au contraire de bonnes diagraphies appor-teront certainement des informations nouvelles, souvent indispensables, surle forage étudié. Encore plus certainement la comparaison d'une série de logsconstituera le meilleur moyen de connaître le sous-sol d'un bassin ou d'unerégion , sa lithologie, sa structure, les aquifères de bonne ou mauvaisequalité, etc.. Ces logs seront consultés longtemps après les travaux pardes géologues de toutes disciplines.

La méthodologie de l'interprétation bénéficiera en outre régiona-lement, des vérifications fournies par les analyses de l'eau captée et par laproductivité des puits, qu'il s'agisse des faciès hydrochimiques, des facteursde formation, de la résistivité, compacité et autres caractéristiques desargiles. Indirectement, ces valeurs régionales permettront d'aborder l'analysede logs effectués ailleurs avec des points de comparaison extrêmement précieux.