DIAGRAPHIES (géophysique)

DIAGRAPHIES (géophysique)

On désigne par diagraphie (du grec dia , «à travers», et graphein , «dessiner») ou, plus couramment, par le terme américain log (qui signifie bûche, rouleau...) tout enregistrement continu des variations, en fonction de la profondeur, d’une caractéristique donnée des formations traversées par un sondage.

Suivant ces caractéristiques et le moment où les mesures sont enregistrées, on parlera de diagraphies de boue , de diagraphies (ou mesures ) en cours de forage ou de diagraphies différées , ces dernières étant appelées ainsi parce qu’elles ne peuvent être effectuées qu’après plusieurs passes d’outils et l’arrêt du forage.

À la première catégorie se rattachent les mesures du débit d’entrée – et parfois de sortie – de la boue, de sa température et de sa teneur en sels, ainsi que la mise en évidence d’hydrocarbures (gaz ou pétrole) par fluorescence ou chromatographie, ou encore de sulfure d’hydrogène H²S (ce gaz, très dangereux, doit être détecté pour que la sécurité du personnel soit assurée). La description et l’analyse des déblais de forage ressortissent aussi à cette catégorie.

La deuxième catégorie regroupe les mesures des vitesses de pénétration et de rotation de l’outil, du poids et du couple exercés sur cet outil, la trajectométrie – mesures directionnelles – du trou de forage (angle par rapport à la verticale et azimut à chaque profondeur); cette catégorie s’est enrichie récemment de certaines mesures de paramètres physiques qui jusqu’alors étaient réalisées à l’aide de sondes descendues au bout d’un câble. Ces derniers paramètres, qui appartiennent donc aussi à la troisième catégorie, sont la résistivité, la radioactivité naturelle, la densité et un indice d’hydrogène.

La troisième catégorie concerne l’ensemble des paramètres physiques dont la mesure est réalisée à l’aide d’appareils suspendus à un câble, ce dernier assurant à la fois la descente et la remontée des sondes, la liaison entre ces dernières ou les cartouches électroniques et les enregistreurs de surface, et la mesure de profondeur.

On décrira ici les méthodes de mesure des paramètres physiques – que l’enregistrement soit réalisé en cours de forage ou en différé – et on exposera les applications de ces mesures.

Historique

C’est le 5 septembre 1927, à Pechelbronn, en Alsace, que, pour la première fois dans le monde, des mesures géophysiques furent effectuées dans un sondage afin d’identifier les formations traversées et de détecter les niveaux pétrolifères. Cette première diagraphie, fruit des travaux de deux frères, Conrad et Marcel Schlumberger, consista en une succession de mesures ponctuelles, espacées d’un mètre, de la résistivité des formations géologiques. Ses auteurs lui donnèrent le nom, évocateur et combien prémonitoire, de «carottage électrique», indiquant par là que cette méthode remplaçait en quelque sorte le carottage des formations, opération coûteuse et dont le succès n’était pas toujours assuré, des pertes de carotte pouvant intervenir par suite de la non-consolidation ou de la fracturation des formations traversées (une «carotte» est un cylindre de roche prélevé dans les terrains). Aujourd’hui, les paramètres mesurés sont très nombreux et concernent à peu près tous les domaines de la physique. L’utilisateur dispose ainsi d’une grande quantité d’informations qui vont lui permettre d’analyser au mieux les formations traversées par un forage, et cela de façon quasi continue.

Principes physiques des différentes mesures

Diagraphies de résistivité

La résistivité d’une roche est la résistance électrique d’un cube de cette roche d’arête unité (l’unité employée est l’ohm-mètre). Différents facteurs influent sur ce paramètre:

– la composition de la roche, c’est-à-dire la nature et le pourcentage du «contenant», donc des éléments solides (grains, cristaux, ciments), et du «contenu», donc des fluides (eau et hydrocarbures); à de rares exceptions près (graphite, sulfures et éléments natifs), les minéraux entrant dans la constitution des roches sont pratiquement des isolants; le gaz et le pétrole sont eux aussi des isolants; en revanche, dans la mesure où elle contient des ions en solution, l’eau est conductrice; cette conductivité augmente avec la teneur en sels;

– le pourcentage des fluides dans la roche (porosité) et dans les pores (saturation); la porosité est définie comme le rapport du volume des «vides» (pores) au volume total de la roche; la saturation en un fluide (par exemple, l’eau) est définie comme le rapport du volume occupé par ce fluide au volume total des vides;

– la texture de la roche, c’est-à-dire la taille, la forme, l’arrangement, le classement, l’orientation des grains ou des cristaux, le volume de ciment; tous ces paramètres conditionnent le volume des pores, leur taille, leur répartition, la taille des seuils ou des canalicules les reliant, et la connexion des pores entre eux;

– la distribution des minéraux conducteurs dans la roche;

– la structure de la roche (massive ou hétérogène, laminée, granoclassée, plissée ou fracturée) ainsi que l’épaisseur des bancs;

– la température; plus celle-ci est élevée, plus la formation est conductrice, toutes choses égales par ailleurs.

Ainsi, si une roche n’est pas isolante, c’est qu’elle est poreuse et que les pores sont connectés: le courant passe dans l’eau qui occupe les pores. Une formation poreuse ne contenant que de l’eau chargée en sels aura une résistivité beaucoup plus faible qu’une formation de même porosité contenant une petite fraction d’eau de même teneur en sels (eau irréductible) et des hydrocarbures, ce qui explique l’importance du paramètre résistivité.

Au voisinage du sondage, la boue de forage, dont la pression est maintenue supérieure à celle des fluides des formations (afin d’éviter des éruptions d’hydrocarbures qui pourraient s’enflammer), pénètre dans les formations perméables en déplaçant les fluides qui s’y trouvaient. Il importe donc de connaître la résistivité de la formation au-delà de la zone contaminée par le filtrat de boue, ce qui nécessite l’utilisation de dispositifs de mesure ayant une profondeur d’investigation suffisante. Il est en outre indispensable d’obtenir des mesures qui aient une bonne définition verticale; l’instrument doit donc être capable de donner des mesures correctes dans le cas des couches minces et de suivre fidèlement les variations verticales rapides de résistivité.

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour mesurer la résistivité. La première consiste à faire passer un courant électrique entre deux électrodes, l’une d’envoi de courant, placée à l’extrémité inférieure du câble de retenue, l’autre de retour, en surface; on mesure le potentiel d’une électrode, ou la différence de potentiel entre deux électrodes qui occupent une position fixe par rapport à l’électrode d’envoi de courant (fig. 1). Le potentiel, ou la différence de potentiel, est fonction de la résistivité de la formation. Cette méthode, dite non focalisée, présente certains inconvénients:

– dans le cas de bancs minces, les mesures s’écartent beaucoup de la résistivité vraie par suite de l’influence des couches encaissantes (épontes);

– la colonne de boue perturbe la mesure, et cela d’autant plus qu’elle est plus conductrice;

– la délimitation des bancs est souvent difficile à réaliser correctement.

C’est pourquoi cette première méthode, utilisée à l’origine, a été remplacée par des méthodes à focalisation. Deux types de dispositifs focalisés, assez complexes, donnant satisfaction tant pour la profondeur d’investigation que pour la définition verticale, sont mis en œuvre.

Dans le premier type, représenté par le latérolog et le sphéricalog , un courant électrique est envoyé dans les formations par un système de plusieurs électrodes: certaines focalisent le courant, l’obligeant à pénétrer latéralement par rapport au sondage, deux autres servent à mesurer la chute de potentiel ohmique due au passage du courant à travers la formation (fig. 2); cette chute de potentiel est proportionnelle à la résistivité de la formation.

Dans le second type, représenté par l’inductolog , un courant de fréquence élevée passe dans un ensemble de solénoïdes émetteurs coaxiaux. Les courants de Foucault induits dans la formation par le champ électromagnétique induisent à leur tour, dans un ensemble de solénoïdes récepteurs coaxiaux, un signal (force électromotrice) proportionnel à la conductivité (inverse de la résistivité) des formations.

Par ailleurs, on utilise de très petits dispositifs (dits microdispositifs) à électrodes montées sur un patin isolant appuyé contre la paroi du sondage (microlog , microlatérolog , microsphéricalog ) pour mesurer la résistivité de la zone contaminée par le filtrat de boue, au voisinage immédiat du sondage. La comparaison des résistivités mesurées par un tel dispositif et par un dispositif pour mesure profonde est précieuse pour la détection des hydrocarbures.

La résistivité permet de déterminer la saturation en eau, et, par différence, celle en hydrocarbures, dès l’instant où l’on connaît la résistivité de l’eau de la formation et la porosité de la roche.

Diagraphie de potentiel spontané

On entend par potentiel spontané la différence qui existe entre le potentiel, fixe, d’une électrode placée en surface et le potentiel, variable, d’une électrode se déplaçant dans le trou de sonde (l’unité employée est le millivolt).

Cette différence de potentiel est pratiquement constante dans les argiles non perméables, tandis que dans les formations poreuses perméables, susceptibles de renfermer des hydrocarbures, les mesures diffèrent; la différence, mesurée à partir de la lecture au droit des argiles, dépend du rapport de la résistivité de la boue de forage à la résistivité de l’eau présente dans les pores de la formation.

Cette différence de potentiel est liée à des phénomènes électrocinétiques ou d’électrofiltration qui se développent lorsqu’un électrolyte traverse un milieu poreux non métallique, mais elle résulte surtout de processus électrochimiques qui se développent lorsque deux types de fluide de teneurs en sels différentes sont en contact direct (potentiel de jonction) ou par l’intermédiaire de membranes semi-perméables, les argiles jouant généralement ce rôle (potentiel de membrane).

Cet enregistrement permet de différencier les formations poreuses et perméables des formations argileuses. En outre, on peut, à partir de cette mesure, déterminer la résistivité de l’eau de la formation, renseignement qui est indispensable au calcul exact de la saturation en eau.

Enfin, enregistré en même temps que la résistivité, le potentiel spontané peut être un indicateur de la teneur en argile.

Diagraphies nucléaires

Radioactivité naturelle

La radioactivité naturelle est mesurée à l’aide d’un compteur à scintillation descendu au bout d’un câble (l’unité employée est l’A.P.I., pour American Petroleum Institute). La radioactivité gamma naturelle est liée à la présence dans les roches d’isotopes radioactifs émetteurs de rayons gamma appartenant à la famille des trois éléments radioactifs à longue période – le potassium ⁴⁰K, le thorium ²³²Th et l’uranium ²³⁸U et ²³⁵U – ou à leurs descendants ^{[cf. RADIOÉLÉMENTS ET RAYONNEMENTS IONISANTS]}.

Les principales roches radioactives sont: les roches plutoniques ou volcaniques acides et acido-basiques; les arkoses et grauwackes, riches en feldspaths et en micas; certains sables riches en minéraux radioactifs (zircon, monazite, sphène, allanite, xénotime), en phosphates ou en glauconie; les argiles; les sels de potassium (évaporites potassiques); les phosphates; certains dépôts carbonatés riches en phosphates ou en matière organique; les gneiss, micaschistes, phyllades et ardoises.

La mesure de la radioactivité présente évidemment un intérêt particulier pour la recherche de minerais radioactifs, notamment la potasse et les sels d’uranium, mais aussi pour la détection des bancs d’argiles ou de fins lits radioactifs, par exemple les projections de cendres volcaniques (cinérites, tonsteins des houillères), qui risquent d’échapper à toute autre méthode d’investigation et jouent pourtant un grand rôle en tant que niveaux repères isochrones.

Par une analyse du spectre du rayonnement gamma naturel émis par les formations (mesure de l’énergie et de l’intensité des rayons gamma), on peut détecter mais aussi doser les éléments radioactifs naturels (potassium ⁴⁰K, thorium ²³²Th et uranium ²³⁸U) à l’origine de ce rayonnement. Ces mesures permettent, par combinaison avec les autres données diagraphiques, de déterminer le type minéralogique de l’argile (kaolinite, chlorite, illite, montmorillonite) et de la doser, mais aussi de reconnaître la présence et de calculer le pourcentage d’autres minéraux radioactifs comme les micas, feldspaths, phosphates ou minéraux lourds porteurs de thorium ou d’uranium, sels d’uranium – souvent liés à la matière organique – et sels potassiques.

Indice hydrogène-neutron

La formation est bombardée en continu avec des neutrons d’énergie incidente de l’ordre de 4 à 6 mégaélectronvolts émis par des sources spéciales à l’américium-béryllium ou au plutonium-béryllium; l’américium ou le plutonium engendrent des particules 見 qui, par combinaison avec le béryllium, produisent du carbone ¹²⁶C et des neutrons. Ces neutrons, doués à l’origine d’une grande vitesse, entrent en collision avec les noyaux atomiques de la formation. Ainsi ralentis, surtout par les collisions avec les atomes légers d’hydrogène, ils atteignent un niveau d’énergie thermique (énergie égale à 0,025 eV) à partir duquel leur vitesse moyenne demeure constante, jusqu’au moment où ils sont capturés par un noyau de la formation; la capture est généralement suivie de l’émission de rayons gamma. Un détecteur situé à une certaine distance de la source (40 cm environ) mesure soit le flux des neutrons thermiques, soit celui des neutrons épithermiques (énergie entre 100 eV et 0,1 eV). Cette mesure (sans unité) dépend surtout du nombre d’atomes d’hydrogène par unité de volume dans la formation, ceux-ci étant soit liés à l’eau ou aux hydrocarbures (donc à la porosité et à la saturation), soit à la composition cristalline de la roche (atomes d’hydrogène entrant dans le réseau cristallin, par exemple dans le gypse); cependant, ce rayonnement est aussi dû, à un moindre degré, aux autres atomes entrant dans la composition de la roche ou de la boue, par suite soit de leur pouvoir ralentisseur (carbone, oxygène, silicium, etc.), soit de leur pouvoir absorbant (gadolinium, bore, lithium, chlore, titane, fer, etc.). Mais, du fait que, dans une formation poreuse, l’atome présent en abondance et ayant le plus fort pouvoir ralentisseur est l’hydrogène, qui se trouve par ailleurs pratiquement en même quantité par unité de volume dans l’eau et dans les hydrocarbures liquides, on a coutume de dire que ce dispositif mesure la porosité.

Densité électronique

On mesure la masse volumique des formations d’une manière analogue à la méthode précédente, mais on soumet cette fois les formations à un bombardement continu de rayons gamma d’énergie égale à 662 kiloélectronvolts émis par une source de césium ¹³⁷Cs. Ces rayons gamma perdent de l’énergie par collision avec les électrons (effet Compton). Un détecteur à scintillation situé à une certaine distance, fixe, de la source mesure l’intensité du rayonnement gamma diffusé par effet Compton, intensité qui est proportionnelle à la densité électronique dans la formation, elle-même proportionnelle à la masse volumique globale. Un système d’écrans et l’emploi d’un patin mobile appuyé contre la paroi du sondage permet de réduire l’influence de la colonne de boue. On utilise en fait deux détecteurs situés à des distances différentes, et un calculateur électronique, ce qui permet d’éliminer quasiment toute perturbation qui proviendrait d’une mauvaise application du patin contre la formation, et d’enregistrer directement la masse volumique de la formation.

Cette masse volumique dépend:

– de la masse volumique des différents minéraux constituant le contenant et de leurs pourcentages volumétriques respectifs;

– éventuellement, dans le cas de roches poreuses, de la masse volumique des différents fluides (contenu) et de leur pourcentage dans la roche (porosité) et dans les pores (saturation).

La masse volumique des fluides étant inférieure à celle des solides, une formation poreuse aura une masse volumique plus faible qu’une formation compacte. Cette méthode permet donc de mesurer la porosité par une autre approche que celle de l’indice hydrogène-neutron.

Indice d’absorption photoélectrique

L’interaction des électrons et des rayons gamma émis avec une énergie égale à 662 kiloélectronvolts par une source de césium ¹³⁷Cs conduit, d’une part, dans le domaine des hautes énergies, à une mesure de la densité électronique par application de l’effet Compton (cf. supra ), d’autre part, dans le domaine des basse énergies, à la détermination d’un indice d’absorption photoélectrique par application de l’effet photoélectrique. Quand un photon gamma de basse énergie (inférieure à 100 keV) entre en collision avec un électron, il est absorbé, communiquant à l’électron la presque totalité de son énergie. Les électrons les plus liés, ceux de la couche K, possèdent le plus fort pouvoir absorbant. L’indice photoélectrique est proportionnel à la section de capture photoélectrique de l’atome, qui est d’autant plus élevée que l’atome a un numéro atomique élevé. Pour une roche, cet indice est proportionnel au numéro atomique «moyen» des éléments entrant dans sa composition; il est très sensible, par exemple, à la présence d’éléments à numéro atomique élevé, comme le fer, le strontium, l’étain, le baryum, etc. Cet indice est donc un bon indicateur de la composition des formations, et, combiné aux mesures précédentes, il permet de déterminer le pourcentage volumétrique des principaux minéraux présents dans la roche.

Spectrométrie du rayonnement gamma induit

L’interaction de neutrons de haute énergie incidente (14 MeV), émis périodiquement par un générateur de particules, avec le noyau des atomes conduit à l’émission de rayons gamma soit par collision inélastique, soit par capture de neutrons thermiques. La spectrométrie de ce rayonnement permet de doser les éléments hydrogène, carbone, oxygène, soufre, chlore, calcium, silicium, fer, titane, et gadolinium (fig. 3). On conçoit aisément que cette analyse élémentaire conduit à une bien meilleure connaissance de la composition des roches qu’au préalable, puisqu’on connaît alors les éléments fondamentaux entrant dans la composition des minéraux dont elles sont constituées.

Activation neutronique

Les éléments peuvent être rendus radioactifs par des neutrons d’énergie thermique. Le retour des noyaux excités à l’état stable s’accompagne d’une émission de rayons gamma dont l’énergie est caractéristique de l’élément. Une spectrométrie de ce rayonnement permet donc de détecter et de doser certains éléments. On dose de la sorte l’aluminium – qui est lié fondamentalement aux argiles, aux feldspaths et aux micas et, naturellement, à la bauxite – et, dans une certaine mesure, le manganèse. D’une période de 2,24 min, l’isotope radioactif de l’aluminium ²⁸Al se prête à une mesure en continu. Dans cette application, la source de neutrons est du californium ²⁵²Cf qui émet 10⁸ neutrons par seconde avec une énergie moyenne de 3 mégaélectronvolts. Cette énergie, relativement faible, est requise pour éviter les interactions de neutrons à très haute énergie avec le silicium, qui engendreraient le même rayonnement gamma, faussant ainsi le dosage de l’aluminium.

Temps de relaxation neutronique

La formation est bombardée de façon intermittente par des neutrons de haute énergie incidente (14 MeV, comme dans la spectrométrie du rayonnement gamma induit), mais on mesure cette fois la population en neutrons thermiques à deux instants donnés. La variation de cette population est fonction de la section globale de capture des neutrons thermiques de la formation, elle-même reliée à la section de capture de chacun des noyaux atomiques entrant dans la composition de la roche (contenant et contenu), et au pourcentage volumétrique de chacun des éléments correspondants dans la roche. L’élément le plus abondant ayant la plus grande section de capture est le chlore, qui est présent dans les eaux de formation sous forme généralement de chlorure de sodium (sel). Une formation ne renfermant que de l’eau salée aura une section de capture plus élevée que la même formation renfermant, en plus de l’eau salée irréductible, des hydrocarbures. On peut donc déterminer la saturation en eau des formations, même à travers les tubages.

Diagraphies acoustiques

Mesure du temps de trajet des ondes longitudinales

On enregistre le temps mis par la composante longitudinale d’une onde sonore – dont la fréquence est de l’ordre de 20 à 40 kilohertz – pour parcourir la distance entre un émetteur et un récepteur situé, en général, à une distance de 60 centimètres. Le temps étant mesuré à la première arche de l’onde sonore, cette arche appartient à l’onde longitudinale (ou de compression) qui est la plus rapide. Un système complexe à deux émetteurs et quatre récepteurs permet d’éliminer l’effet perturbateur de la colonne de boue.

Enregistrement du train d’onde complet

Dans les dispositifs modernes, on procède à l’enregistrement numérique du train d’onde complet reçu par une série de récepteurs. L’instrument de mesure comprend toujours deux émetteurs d’ondes sonores (fig. 4 a). Ce dispositif permet de déterminer le temps de trajet des ondes de compression, de cisaillement, et de Stoneley (fig. 4 b et c).

Ces temps de trajet dépendent: de la nature de la roche, par l’intermédiaire de sa masse volumique et des paramètres d’élasticité de ses constituants; de la nature des fluides présents dans la roche; de la texture (taille et forme des grains et des pores, nature des contacts entre grains ou cristaux, répartition et connexion des pores); de la structure (homogénéité ou hétérogénéité, présence de laminations, de fractures, pendage des couches et des fractures); de la pression et de la température.

Une étude des propriétés mécaniques des roches peut donc être entreprise à l’aide de ces différentes données. La mesure des temps de trajet des ondes de compression et de cisaillement, combinée à celle de la masse volumique, conduit notamment à la détermination des modules d’élasticité de la roche.

Diagraphie électromagnétique

À l’aide d’émetteurs, on envoie dans la formation une onde électromagnétique de très haute fréquence (1,1 GHz). Le dispositif de mesure comprend en fait deux émetteurs et deux récepteurs montés sur un manchon appuyé contre la paroi du trou, cela afin de corriger d’éventuels effets dus à la colonne de boue.

On mesure en premier lieu le temps que met cette onde à parcourir la distance entre les deux récepteurs (4 cm). Ce temps dépend de la constante diélectrique moyenne de la formation, laquelle est reliée à la nature minéralogique de la roche, à la nature des fluides présents dans le volume étudié, à la texture de la roche (forme et arrangement des grains, disposition par rapport au champ électromagnétique, répartition des pores), et à sa structure sédimentaire (pendage apparent). Quelle que soit sa teneur en sels, l’eau a une constante diélectrique très élevée – 78,3 farads par mètre – comparée à celle des hydrocarbures – de 1 à 2 farads par mètre – et des minéraux communs – de 4 à 9 farads par mètre. Cette mesure permet de déterminer la saturation en eau des formations poreuses, même dans le cas d’eau douce, de résistivité élevée et dont l’effet sur les mesures de résistivité est par conséquent difficilement séparable de celui qui est dû aux hydrocarbures.

En second lieu, on mesure l’atténuation de l’onde, celle-ci dépendant surtout de la teneur de l’eau en sels.

Diagraphie de thermométrie

La température des formations est mesurée à l’aide d’un thermocouple dont l’élément sensible est un filament métallique dont la résistance varie avec la température. Le gradient géothermique dépendant de la lithologie, ses variations peuvent caractériser des changements lithologiques, en particulier la présence de couches d’évaporites ou de charbon, d’intrusions volcaniques, ou de roches poreuses contenant du gaz.

Diagraphie de diamétrage

Le diamètre d’un trou de forage est en principe légèrement supérieur à celui du trépan. En fait, il varie avec la cohésion des roches traversées, leur porosité, leur texture, leur structure et la diagenèse qu’elles ont subie. Au droit des roches poreuses et perméables, on observe un rétrécissement léger du diamètre dû au dépôt d’une couche constituée par les éléments solides de la boue, qui ne peuvent pas pénétrer dans les pores des roches (le terme américain est mud-cake , ce qui se traduit littéralement par «gâteau de boue»). Les graviers et sables non consolidés peuvent s’ébouler, les argiles et les roches fracturées s’effriter, occasionnant de fortes augmentations de diamètre du trou et souvent son ovalisation. En revanche, des argiles gonflantes ou sous-compactées réduisent le diamètre du trou et peuvent même bloquer le trépan ou la sonde diagraphique.

Diagraphie de pendagemétrie

Toutes les diagraphies permettent d’établir des corrélations entre plusieurs sondages voisins, par conséquent de connaître le pendage des couches profondes, déterminé par l’angle de la ligne de plus grande pente des couches, supposées planes, avec l’horizontale, et par l’orientation de cette ligne par rapport au nord. Toutefois, les résultats ainsi obtenus ne sont pas toujours corrects (par exemple, s’il existe une faille ou un pli entre les sondages considérés); de plus, c’est souvent au moment où un premier forage est effectué, en général sur la base des renseignements donnés par la géophysique de surface, que la connaissance des pendages est le plus utile. Cette détermination est faite au moyen d’une sonde de pendagemétrie (fig. 5 a). Cet instrument enregistre 4, 6 ou 8 courbes de résistivité ou de conductivité au moyen de dispositifs – semblables à un microlatérolog pour la mesure de résistivité, et à un micro-inductolog pour la mesure de conductivité – montés sur des patins appuyés contre la paroi du sondage à l’aide d’un système hydraulique. Ces patins sont fixés à l’extrémité de quatre ou six bras indépendants formant entre eux un angle de 90⁰ ou 60⁰, respectivement. Ces mesures ont une très grande résolution verticale grâce, d’une part, à la très petite taille des électrodes (1 cm de diamètre), d’autre part, au très petit pas d’échantillonnage des mesures de résistivité (tous les 2,5 ou 5 mm de déplacement vertical de l’outil). La résolution est un peu moins bonne avec le dispositif à induction (3 cm environ). Ces deux caractéristiques permettent la reconnaissance d’événements sédimentaires très fins (de l’ordre du centimètre), dès l’instant où ils se traduisent par un contraste de résistivité. On atteint ainsi une connaissance de l’organisation interne des roches, tant du point de vue textural que structural.

Si ces événements peuvent être corrélés, on peut déterminer leurs décalages en profondeur d’une courbe à l’autre et en calculer le pendage. Cependant, le calcul exige en outre la connaissance de tous les paramètres définissant la position de la sonde de mesure: profondeur, inclinaison par rapport à la verticale et orientation par rapport au nord de l’axe de la sonde, orientation de l’un des dispositifs de mesure par rapport au nord, diamètre du sondage et accélération de la sonde (fig. 5). Tous ces renseignements sont enregistrés simultanément (fig. 5 a) et interprétés pour donner la mesure du pendage à chaque limite de couche (fig. 5 b).

Diagraphies d’imagerie de la paroi du trou

Imagerie par scanner électrique

Grâce à un astucieux dispositif constitué de très petites électrodes (5 mm de diamètre environ) noyées dans un patin (fig. 6 a), on obtient une «image électrique» de la paroi du trou par conversion en intensité de gris des mesures faites par chaque électrode (fig. 6 b).

Imagerie par balayage ultrasonique

Un appareil émetteur-récepteur rotatif envoie 750 impulsions par seconde (250 par tour). Chaque impulsion dure 10 microsecondes et a une fréquence de 450 kilohertz. L’énergie acoustique est réfléchie par la paroi du trou et revient vers le récepteur, où elle est captée. On mesure l’amplitude et le temps du trajet aller et retour de cette impulsion. L’exploitation de ces deux données permet d’obtenir une «image acoustique» de la paroi du trou qui reflète ses irrégularités, elles-mêmes liées à la lithologie et à l’existence de fractures ou de vacuoles (fig. 7).

Sismique de trou

On ancre contre la paroi une série de géophones triaxiaux qui captent les ébranlements (trains d’ondes) émis par une source placée en surface (canon à air, chute de masses ou vibrateur). Plusieurs types d’ondes parviennent aux géophones: les ondes directes et différentes ondes réfléchies (fig. 8). Ce profil sismique de trou, comparable aux enregistrements de surface, offre l’avantage d’une plus haute résolution et permet de capter les ondes directes – à la différence de la sismique de surface – et de les séparer des ondes réfléchies et des ondes multiples. L’analyse de ces trains d’ondes permet une étude très détaillée du sous-sol, et les horizons réflecteurs peuvent être localisés avec précision.

Autres méthodes

Bien d’autres mesures sont réalisées à l’aide de sondes descendues au bout d’un câble dans le trou de forage. Citons les mesures de la qualité de la cimentation des tubages, les mesures de pression, de débit, les mesures de corrosion du tubage, de détection des joints... On peut également obtenir des échantillons

de roche ou de fluide à l’aide d’appareils spéciaux: carottiers latéraux à balles ou à couronne, testeurs de formation, etc.

Méthodes d’acquisition

Dans le cas des mesures au bout d’un câble (fig. 9), le matériel mis en œuvre doit permettre d’obtenir des résultats corrects dans des conditions extrêmement difficiles, à très grandes profondeurs (jusqu’à 9 000 m environ) et, par conséquent, à des températures et pressions très élevées. Ce matériel comprend un camion-laboratoire comportant un treuil de grande capacité (de 8 à 9 km de câble), un treuil auxiliaire, un ensemble de tableaux de commande, d’instruments de contrôle, et d’appareils d’enregistrement photographique et numérique, un dispositif de mesure de profondeur, un générateur de courant, une chambre noire pour le développement du diagramme enregistré sur film (la diagraphie), une tireuse sur papier, enfin, un ordinateur de bord.

Le câble est composé en général de sept conducteurs isolés protégés par une armature de fils d’acier.

Les sondes, plus ou moins complexes, sont couplées à une cartouche qui contient un appareillage électronique. L’ensemble sonde-cartouche doit être capable de supporter à la fois les chocs et les très hautes températures et pressions.

Dans le cas des diagraphies en cours de forage, les instruments sont inclus dans les masses-tiges et les mesures des paramètres sont stockées sur une bande magnétique, l’enregistreur fonctionnant à l’aide d’une batterie incluse dans les masses-tiges. Des essais de transmission directe en surface, soit à l’aide d’impulsions (variations de pression) transmises par la boue de forage, soit par des impulsions électromagnétiques guidées le long du train de tiges, sont en cours.

Applications

Les paramètres physiques mesurés par les méthodes diagraphiques sont utilisés à des fins multiples. Ils sont d’abord interprétés, à l’aide de programmes informatiques souvent très complexes, pour déterminer les caractéristiques pétrophysiques des réservoirs (porosité, minéralogie, teneur en argile, perméabilité, etc.), la nature des fluides présents dans les pores ainsi que leur volume (porosité et saturation); ce fut, jusqu’à ces dernières années, la principale application des diagraphies.

On conduit aussi ces études pour la recherche minière – en particulier pour la détection d’accumulations de sels d’uranium, l’évaluation des gisements de potasse et de charbon –, en hydrogéologie et en géothermie, ou encore pour le stockage de gaz dans le sous-sol.

On exploite également ces données à des fins géologiques pour déterminer la lithologie, la composition minéralogique des roches, et pour obtenir des informations sur leur texture et leur structure interne (figures de sédimentation, fractures...), ce qui conduit à une meilleure connaissance du faciès et du milieu de dépôt des formations (fig. 10). Cela permet de sélectionner la direction dans laquelle il faut se déplacer pour retrouver des réservoirs présentant des propriétés identiques ou améliorées.

On tire aussi des diagraphies des informations relatives à la diagenèse, à la compaction et aux propriétés mécaniques des roches.

Les données de pendagemétrie et de sismique de trou sont exploitées pour préciser la géométrie des couches et la présence éventuelle de failles ou de discordances. Elles permettent également une meilleure interprétation des profils sismiques de surface.

Les diagraphies sont enfin utilisées pour des études stratigraphiques, en particulier pour l’établissement de corrélations entre sondages, et pour la cartographie de paramètres géologiques: isobathes, isopaches, isolithes, isofaciès, etc.

Il n’est plus pensable aujourd’hui d’explorer le sous-sol sans faire appel aux techniques diagraphiques, qui offrent de multiples avantages: les données sont quasi continues, quantifiées, objectives, se prêtent à des traitements par ordinateur; enfin, elles sont économiques, comparées aux autres méthodes d’analyse des roches.

Encyclopédie Universelle. 2012.