Dispersion of the elastic moduli of saturated carbonate rocks : experimental study and modelisation

Pour les roches saturées, la comparaison entre les mesures ultrasoniques (1 MHz) au laboratoire et les mesures sismiques (100 Hz) ou de diagraphie (10 kHz) sur le terrain n’est pas directe à cause de la dispersion des vitesses des ondes. Les mécanismes impliqués dans la dépendance en fréquence sont les écoulements de fluides à différentes échelles provoqués par le passage de l’onde. La dispersion et l’atténuation des modules élastiques de roches carbonatées ont été étudiées expérimentalement. Les calcaires étudiés sont : un Lavoux, un Indiana intact et craqué thermiquement, un calcaire Urgonien de Provence (Rustrel), et un coquina pré-sel du Congo. Les mesures ont été faites sur une large gamme de fréquence, en combinant les techniques d’oscillations forcées (10-3 to 102 Hz) et ultrasoniques (1 MHz) dans une presse triaxiale, pour différentes pressions effectives. Le forçage peut être hydrostatique pour mesurer un module d’incompressibilité, ou axial pour mesurer le module de Young et le coefficient de Poisson. Pour étudier l’effet de la viscosité, les mesures ont été faites en condition sèche, puis saturée en glycérine et en eau. Le drainage global et le mécanisme d’écoulement crack-pore ont été caractérisés, en termes d’amplitude de dispersion, d’atténuation viscoélastique, et de fréquence de coupure. Pour nos échantillons, la théorie de Biot-Gassmann s’est montrée valide pour les fréquences sismiques (10-100 Hz) sauf pour l’Indiana craqué thermiquement. La dispersion liée à des écoulements crackspores a été observée pour tous les échantillons sauf le Lavoux. Les fréquences de coupures de ceux-ci sont toutes dans la gamme des fréquences des diagraphies (10 kHz) pour des conditions de saturation en eau. Un modèle simple, combinant poroélasticité et milieux effectifs, a été développé pour prédire la dispersion des modules sur toute la gamme de fréquence, et s’est montré généralement en accord avec les résultats expérimentaux.For fluid-saturated rocks, comparing ultrasonic measurements (1 MHz) in the laboratory and seismic (100 Hz) or logging (10 kHz) measurements in the field is not straightforward due to dispersion of the bodywave velocities. The frequency-dependent mechanisms involved are wave-induced fluid flows that occur at different scales. The dispersion and the attenuation of the elastic moduli of four fluid-saturated carbonate rocks have been studied experimentally. The selected limestones were a Lavoux, an intact and thermally cracked Indiana, a Urgonian limestone from Provence (Rustrel), and a presalt coquina from offshore Congo. Measurements were done over a large frequency range, by the combination of forced oscillations (10-3 to 102 Hz) and ultrasonic measurements (1 MHz) in a triaxial cell, at various effective pressures. The forced oscillations were either hydrostatic to deduce the bulk modulus, or axial to deduce Young’s modulus and Poisson’s ratio. The measurements were done in dry-, glycerinand water-saturated conditions to investigate the effect of viscosity. For all our samples, the global drainage and the squirt-flow mechanisms were characterized experimentally, in terms of amplitude of dispersion, amount of viscoelastic attenuation, and cut-off frequencies. Biot- Gassmann’s theory was found to be valid at seismic frequencies (10-100 Hz) for all the samples except the thermally cracked Indiana. Squirt-flow transitions were observed for all the samples, except the Lavoux. The cut-off frequencies were all in the range of logging frequencies (10 kHz), for watersaturated conditions. A simple model, combining poroelasticity and the noninteraction approximation effective medium, was developed to predict the dispersion of the moduli over the whole frequency range, and was generally in agreement with the experimental results