Porosité

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La porosité est l'ensemble des vides (pores) d'un matériau solide, ces vides sont remplis par des fluides (liquide ou gaz). C'est une grandeur physique qui conditionne les capacités d'écoulement et de rétention d'un substrat (voir aussi Loi de Darcy).

La porosité est aussi une valeur numérique définie comme le rapport entre le volume des vides et le volume total d'un milieu poreux.

avec :

• la porosité
• le volume des pores
• le volume total du matériau, c'est-à-dire la somme du volume de solide et du volume des pores

Type de porosité

La porosité peut avoir diverses origines, propre au matériau et à son évolution dans le temps, ce qui conduit à des pores de taille et de géométrie différentes, plus ou moins interconnectés.

Selon la forme et l'origine des pores

On distingue ainsi la porosité de pores (ou « porosité primaire » et la porosité de fissures (ou « porosité secondaire ») ;

• Un pore est un espace dont les dimensions dans les trois directions de l'espace sont similaires, il peut s'agir de l'espace entre les grains d'une roche sédimentaire (gravier ou sable par exemple) ou d'espaces internes au matériau (dans le charbon, les schistes ou le charbon de bois par exemple) ;
• Une fissure est un espace vide dont la dimension dans une direction de l'espace est nettement inférieurs à celles dans les deux autres. La porosité de fissure provient des contraintes mécaniques ou thermiques subies par le matériau au cours des âges (ou à la suite de travaux qui ont perturbé l'équilibre de compression/décompression. Une forte porosité secondaire augmente la vitesse de transit du fluide et diminue les capacités de filtration/rétention du substrat.
  Dans l'industrie pétrolière et gazière ou dans d'autres contexte (ex : stimulation d'un captage par forage d'eau), la fracturation hydraulique de la roche vise à en augmenter la « porosité de fracture » : résultant en une argumentation de la macro-porosité, et moindrement la micro-porosité.
• Une autre forme de porosité peut résulter d'une condensation de « lacunes » dans un cristal. Il s'agit en général de pores fermés, situés au sein d'un cristal ou bien aux interfaces : joint de grain, interface métal/oxyde.

Selon la taille des pores

On peut distinguer les pores par la taille, et ainsi définir plusieurs porosités :

• Microporosité : relatif aux pores dont le diamètre n'excède pas les 2 nanomètres ;
• Mésoporosité : relatif aux des pores dont le diamètre est compris entre 2 et 50 nanomètres ;
• Macroporosité : relatif aux des pores dont le diamètre est supérieur à 50 nanomètres.

La « porosité multimodale » est celle de solides comportant deux types de porosité (micro-mésoporeux par exemple).
Dans le cas de pores connectés, le fluide contenu dans les pores s'écoule beaucoup plus rapidement dans les pores de grande taille, formant la macroporosité, que dans ceux de petite taille, formant le microporosité.

Porosité et exploitation de ressource souterraines

Dans le contexte de l'exploitation de ressources souterraines on distingue :

• porosité occluse ou fermée : c'est la porosité des pores non accessibles par les agents extérieurs (inutilisables pour l'exploitation de la ressource) ;
• porosité libre : par opposition à la porosité occluse ou fermée ;
• porosité piégée : c'est une porosité libre ne permettant pas la récupération des fluides piégés ;
• porosité utile : c'est la porosité qui permet la récupération de la phase piégée (terme principalement utilisé par les pétroliers) ;
• porosité résiduelle : c'est la porosité due aux pores ne communiquant pas entre eux ou avec le milieu extérieur ;
• porosité totale : c'est la somme de la porosité utile et de la porosité résiduelle ;
• porosité efficace : c'est un terme surtout employé en hydrogéologie, qui caractérise le réseau de pores où l'eau circule et est récupérable.

Les roches poreuses

Elles peuvent capter et stocker des gaz ou liquides. On les dit « roches réservoirs » ce fluide est du (gaz naturel, du pétrole ou du bitume ou de l'eau) ; ce fluide peut être arrivé naturellement (réserves naturelles de pétrole ou de gaz) ou avoir été injecté par l'homme stockages souterrains).

Modèles de porosité

Modèles statistiques

Les modèles statistiques consistent à définir une fonction de points f(M), où M est un point dépendant des coordonnées d'espaces.

On attribue alors la valeur 1 à la fonction si le point M se situe dans le vide, et la valeur 0 si le point se situe dans le solide.

Ces modèles permettent de modéliser dans l'espace la porosité d'un matériau. Cependant ils donnent de mauvais résultats qualitatifs.

Faisceau capillaire - Modèle de Purcell

Ce modèle permet de modéliser la porosité mais également la perméabilité. Il consiste à définir un certain nombre de capillaires droits qui traversent le matériau. Ce modèle est satisfaisant conceptuellement mais dans la pratique il représente mal la réalité. En effet, les capillaires sont droits et ne communiquent pas entre eux.

Rose et Bruce ont amélioré ce modèle en prenant en compte la tortuosité « Τ » des capillaires.

Mesure de la porosité

Pour mesurer la porosité, on peut déterminer trois paramètres :

• Vt, qui est le volume total de l'échantillon ;
• Vs, qui est le volume de l'échantillon sans sa porosité ;
• Vp, qui est le volume des pores.

Méthodes directes de mesures au laboratoire

On distingue :

• les mesures sur échantillons non-remaniés ;
• les mesures sur des échantillons remaniés.

Mesure de la porosité sur des échantillons non-remaniés

Il existe une seule méthode qui est dite "de sommation des fluides". Elle implique d'enrober l'échantillon (avec de la paraffine par exemple) à la sortie du carottage, pour que les fluides présents dans la porosité ne s'échappent pas.

Les volumes d'air sont mesurés à l'aide d'un porosimètre à mercure. Les volumes d'eau et d'hydrocarbures sont mesurés par distillation fractionnée à température ordinaire.

Mesure de la porosité sur des échantillons remaniés

En laboratoire, les échantillons doivent être dans le même état physique avant de réaliser les mesures, ce qui impose de les préparer. Il faut tout d'abord extraire les fluides de l'échantillon, avec, par exemple :

• un extracteur Soxhlet ;
• un extracteur Dean-Stark ;
• une extraction par centrifugation ;
• une extraction par distillation sous vide.

Mesure du volume total Vt

• Mensuration
• Mesure à l'aide d'une pompe volumétrique
• Mesure par poussée d'Archimède

Mesure de Vs

• Utilisation du pycnomètre
• Méthode d'immersion
• Utilisation d'une chambre de compression

Mesure de Vp à l'aide d'un porosimètre à mercure

Il s'agit d'injecter sous pression un volume de mercure à l'échantillon.

Le mercure remplit les vides d'un échantillon de roche préalablement séché. Il ne reste qu'à regarder le volume de mercure injecté pour avoir le volume des pores ainsi que la distribution de la taille des pores.

Détermination de la porosité in situ : diagraphies

Diagraphie neutron

Une sonde envoie des neutrons dans un puits. Ceux-ci se réfléchissent sur les hydrogènes de l'eau et reviennent à un récepteur ralentis. Le capteur compte le nombre de neutrons revenus. Cette méthode n'est pas fiable pour les sols contenant une trop grande fraction d'argiles. De plus elle a l'inconvénient de faire l'hypothèse que le sol est saturé en eau.

Mesure de la résistivité du terrain

À l'exception des argiles, les matériaux usuels du sol sont isolants, mais l'électricité circule dans la phase mouillée du sol.

De ce fait, en faisant l'hypothèse de sols saturés en eau, la résistivité du sol sera fonction de la porosité.

Notes et réfences

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

• Équilibre et transferts en milieux poreux. Livre sur HAL par Jean-François Daïan

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