Études expérimentales et théoriques de la dependance en frequence des proprietes elastiques des gres

Experimental and theoretical studies of elastic properties of sandstones at different frequency bands

• Auteur / Autrice : Hanjun Yin
• Direction : Yves Guéguen, Shangxu Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 06/07/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec China University of Petroleum
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Satish C. Singh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Guéguen, Shangxu Wang, Satish C. Singh, Angus Best, Mickaële Le Ravalec, Jérôme Fortin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angus Best, Mickaële Le Ravalec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Dispersion

Atténuation

Poroélasticité

Écoulement de fluide

Grès

Dispersion

Attenuation

Poroelasticity

Fluid flow

Sandstone

Résumé

Dans cette thèse, des mesures de laboratoire ont été effectuées sur divers grès à des taux de saturation différents afin d’évaluer la dépendance en fréquence des modules élastiques et leur atténuation sur des gammes de fréquences très larges. Les grès étudiés sont : un grès peu poreux avec une microstructure combinant des pores et des fissures, un grès de Berea et un grès de Thüringen à forte concentration en argile. Les mesures ont été effectuées en saturation à l’azote (conditions sèches), en saumure et en glycérine à l’aide de deux installations expérimentales combinant oscillations forcées (~ 10 Hz) et ultrasons traditionnels (~ 1 MHz). Pour nos échantillons, les modules élastiques pour le cas sec ne montrent aucune dépendance en fréquence. Cependant, pour les échantillons saturés en eau ou en glycérine, la dispersion des modules avec une atténuation dépendante de la fréquence associée peut être clairement observée et interprétée par une transition drainé / non-drainé et non-drainé / non-relaxé liée aux écoulements fissures-pores. Ces mesures ont permis de montrer que l’écoulement fissures-pores peut potentiellement affecter l’atténuation et la dispersion des ondes sismiques sur une gamme de fréquence très large, notamment par sa sensibilité à la géométrie (rapport d’aspect) et à la densité de fissures dans le milieu. Un affaiblissement du cisaillement est montré pour le grès de Thüringen, il est principalement causé par la réduction de l’énergie de surface libre associée aux interactions chimiques entre fluide de pores et roche. Un modèle de substitution de fluide a été développé sur la base d’un milieu effectif à triple porosité incluant la distribution des rapports d’aspects des fissures, plus représentatif d’une roche, afin de modéliser de façon plus réaliste les écoulements fissures-pores. Les estimations obtenues sont généralement en accord avec les résultats expérimentaux.

This dissertation conducted laboratory measurements on different kinds of sandstone to study the frequency dependence of elastic moduli and corresponding attenuation at a broad frequency band. The selected sandstones with varied pore structures were a tight sandstone with a crack–pore microstructure, a Berea sandstone, and a clay-bearing Thüringen sandstone. Measurements were done in dry-, glycerin- and water-saturated conditions by two experimental facilities, which both combines the forced oscillation method (~10 Hz) with ultrasonic transmission method (~1 MHz). For all our samples, the elastic moduli for the dry case show no frequency dependence. However, moduli dispersion with associated frequency-dependent attenuation can be clearly observed for samples under water or glycerin saturation, and were in response to the drained–undrained transition and squirt flow. These measurements illustrated that squirt flow can potentially be a source of moduli dispersion and corresponding attenuation across a wide range of frequencies because of its sensitivity to small variations in the rock microstructure, especially in the aspect ratio of micro-cracks or grain contacts. There is a clear shear weakening for Thüringen sandstone, which is mainly caused by the reduction of surface energy due to fluid-solid chemical interaction. A fluid substitution scheme was developed based on the concept of a triple pore structure to better account for the squirt flow effects. The estimated results were generally in agreement with the experimental results.