Assessing the Permeability in Anisotropic and Weakly Permeable Porous Rocks Using Radial Pulse Tests

Estimation de la perméabilité d’une roche anisotrope très faiblement perméable par pulse tests radiaux

Laboratoire Géoressources, ENSG-Université de Lorraine, UMR 7359, 2 rue du Doyen Marcel Roubault, TSA 70605, 54518 Vandœuvre-Lès-Nancy – France
e-mail: richard.giot@univ-lorraine.fr – albert.giraud@univ-lorraine.fr – christophe.auvray@univ-lorraine.fr

^* Corresponding author

Abstract

The pulse test is usually considered to be an efficient method for measuring the permeability of weakly permeable porous rocks. Classically, the test consists of imposing a pressure drop on the base of a cylindrical sample and measuring the pressure variations in the upstream and downstream reservoirs. In the present work, we propose a new apparatus and procedure for hollow cylindrical samples in which the pressure drop is imposed in an axial hole and the pressure is measured both in the hole and on the circumference of the sample. Unlike the classical axial pulse test, this configuration results in a flow in both the axial and transversal directions rather than only in the axial direction. For transverse isotropic rocks, this configuration allows the assessment of the permeability in the isotropy planes and normal to the isotropy planes in a single sample when the samples are appropriately oriented. The test is fully hydro-mechanically coupled; therefore, no analytical solution exists. The test is then interpreted through fully coupled numerical modeling in 3D, considering the anisotropy of the samples. In previous works, we developed and implemented a transverse isotropic poroelastic constitutive law in the finite element code Code_Aster (Edf), as well as an inverse method coupled to the numerical modeling for parameter identification. The method is adapted to the radial pulse test and then applied to hollow cylindrical samples of Meuse/Haute-Marne argillite with the axis either parallel or perpendicular to the isotropy planes. Although this method requires 2 samples for the assessment of permeability in the isotropy planes and normal to the isotropy planes in the axial pulse test, the method applied to the radial pulse test allows the assessment of intrinsic permeability in both directions on a single sample, which allows freeing ourselves from a heterogeneity effect.

Résumé

Le pulse test est généralement considéré comme un essai adapté pour la mesure de la perméabilité des roches poreuses très faiblement perméables. Classiquement, l’essai consiste à imposer un saut de pression à la base d’un échantillon cylindrique et à mesurer les variations de pression dans les réservoirs amont et aval. Dans les présents travaux, nous proposons un nouveau dispositif et une nouvelle procédure sur échantillon de type cylindre creux : le saut de pression est imposé dans un trou axial et la pression mesurée dans le trou et à la circonférence de l’échantillon. Cette configuration génère un écoulement à la fois axial et transversal, et non seulement axial comme dans le cas de l’essai classique. Pour les roches isotropes transverses, cela permet la détermination de la perméabilité dans les directions parallèle et perpendiculaire aux plans d’isotropie, à partir d’un seul échantillon, judicieusement orienté. L’essai est couplé hydro-mécaniquement, et en conséquence aucune solution analytique ne peut être considérée. L’essai est alors interprété en ayant recours à des modélisations numériques couplées HM 3D, prenant en compte l’anisotropie des échantillons. Dans les travaux précédents, une loi poro-élastique isotrope transverse, ainsi qu’une méthode inverse couplée aux modélisations numériques pour identifier des paramètres, ont été développées et implantées dans le code aux éléments finis Code_Aster (Edf). La méthode est adaptée pour l’interprétation de l’essai de pulse radial et appliquée à des échantillons cylindriques creux d’argilites de Meuse/Haute-Marne, avec axe soit perpendiculaire soit parallèle aux plans d’isotropie. Alors que pour l’essai de pulse axial classique, la méthode requiert deux échantillons pour déterminer les perméabilités intrinsèques dans les directions parallèle et perpendiculaire aux plans d’isotropie, la méthode appliquée à l’essai de pulse radial permet la détermination des perméabilités intrinsèques dans ces deux directions sur un seul échantillon. Ceci permet de s’affranchir d’effets d’hétérogénéités des échantillons.