Porosimétrie

1 Définition de la porosité
Les roches sédimentaires sont constituées par des particules, de forme quelconque, plus ou moins cimentés entre elles, et entre lesquels existe des espaces vides qui ont la faculté de contenir un ou plusieurs fluides interstitiels tels que de l’air, de l’eau ou des hydrocarbures liquides ou gazeux, et de les laisse circuler : la roche est alors dite poreuse et perméable (Monicard, 1965 ; Deveughele, 1992).
La porosité (Φ ou f) correspond au volume total occupé par les vides de la roche (Vp) divisé par le volume total de la roche (Vt), elle s’exprime le plus souvent en pourcentage mais on peut la trouver sous forme de fraction (Monicard, 1965).
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- Φ : porosité [%]
- Vt : volume total (ou apparent) de l’échantillon [m3]
- Vp : volume des vides (ou volume des pores) entre les grains solides [m3]
- Vs : volume réel des grains [m3]</blockquote>
L’espace poreux est une continuité d’absence de matière solide imbriquée dans la continuité de matière solide ; il est par essence irrégulier dans ses formes et inconstant dans ses qualités ce qui lui confère une grande complexité (Monicard, 1965). Il apparaît donc logique d’étudier sa variabilité spatiale.
2 Les différents types de porosité
La porosité utile (ou connectée ou effective) de l’échantillon est le rapport du volume des pores qui sont reliés entre eux au volume total de l’échantillon. Il peut exister des pores qui ne communiquent pas entre eux. On peut ainsi définir une porosité résiduelle (ou occluse) due aux seuls pores non reliés. Il peut s’agir soit de vides intracristallins (inclusions fluides ou gazeuses par exemple), soit intercristallins mais reliés au reste du réseau poreux par des accès trop étroits. La porosité totale (utile résiduelle) est celle qui est mesurée par les procédés de diagraphies électriques ou nucléaires (Monicard, 1965). La porosité utile est en général inférieure de 20 à 25%, parfois de 50% à la porosité totale. Ce coefficient est d’autant plus élevé que la granulométrie de la roche est fine, ce qui accentue l’action des phénomènes capillaires. Dans le cas de pores et d’interstices très étroits, conséquence d’une granulométrie très fine, de l’eau interstitielle reste absorbée de façon irréductible aux grains sous l’action des forces capillaires (Perrodon, 1985).
Les traditionnels termes exprimant une notion de temps pour la porosité dans les carbonates sont primaire et secondaire. La porosité primaire inclut tous les espaces poreux présents immédiatement après le dépôt final. La porosité secondaire désigne ceux crées après le dépôt final (Choquette et Pray, 1970).
Ces deux termes dépendent uniquement du moment où le pore est crée ; leurs définitions sont indépendantes du mode d’origine du pore et de l’état de lithification.
Conformément à ces définitions, si des pores primaires sont remplis et des processus plus tardifs développent des ouvertures sur le lieu de ces pores, la nouvelle porosité sera classée comme secondaire ou post-dépositionnelle (ces deux termes étant synonymes) (Choquette et Pray, 1970).
3 Facteurs contrôlant et modifiants la porosité
La complexité de la taille et de la forme des pores dans les roches carbonatées est induite par beaucoup de facteurs. Premièrement, elle est reliée en partie à la large gamme de taille et de forme des particules carbonatées, lesquels créent les pores par leur assemblage ou leur dissolution, de plus elle est aussi reliée en partie à la variation de taille et de forme des pores intragranulaires.
La complexité physique au sein d’une roche carbonatée augmente grandement avec les processus de dissolution (Choquette et Pray, 1970).
Morphologiquement et quantitativement, la porosité est extrêmement variable d’une roche à l’autre.
On a longtemps considéré que l’essentiel de la porosité des roches sédimentaires carbonatées était post-dépositionnelle. C’est ainsi qu’une attention toute particulière a été donnée aux processus de dissolution et de dolomitisation. En revanche, l’oblitération systématique de la porosité primaire et secondaire qui se produit dans la majorité des carbonates anciens a suscité moins d’attention. Ainsi les sédiments carbonatés récemment déposés ont communément des porosités de l’ordre de 40 à 70 % alors les carbonates anciens n’en possèdent plus que quelques pourcents (Choquette et Pray, 1970).
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3.1 Diagenèse et porosité
L’influence de la diagenèse sur la porosité est majeure. En effet, elle peut en créer (dissolution, fracture, …), l’oblitérer (recristallisation, cimentation, …) ou alors complètement la transformer.
Tous les types de porosité sont particulièrement susceptibles de subir l’altération diagénétique depuis leur temps de formation. La plupart des roches carbonatées révèlent une histoire complexe de l’évolution de leur porosité. La porosité préexistante peut être augmentée par de la dissolution, de la dolomitisation ou de la fracturation. Cependant, la plupart des processus diagénétiques favorisent fortement la réduction ou l’occlusion total des pores. Ces processus sont par exemple l’infiltration de boue, la recristallisation, la compaction physique et chimique ou encore la cimentation partielle ou complète par de l’aragonite, de la calcite, de la dolomite, …
Les deux changements diagénétiques majeurs qui se produisent lors du passage d’un sédiment carbonaté récemment déposé à une roche ancienne sont (Land et al., 1967) : <blockquote>
- la grande diminution de porosité.
- le passage d’un assemblage minéral contenant des formes instables à un assemblage stable. </blockquote></blockquote>
4 Micro vs macroporosité
En dehors des descriptions purement qualitatives, il existe toutes celles issues de méthodes d’analyse directes ou indirectes qui permettent une quantification. On aboutit dans tous les cas à des classifications par coupures de type granulométrique. Il faut cependant remarquer que ces classifications ne sauraient être considérées comme des granulométries réelles. Puisque la porosité n’a pas une morphologie granulaire, mais qu’elle constitue un milieu continu (Bousquie, 1979).
De nombreux auteurs proposent une coupure séparent micro et macropores. Cette coupure est variable selon les auteurs et les méthodes utilisées.
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1/8 mm	Choquette et Pray (1970)	sur lames minces
0,5 μm	Pittman (1971)	au M.E.B.
0,01 μm	Combarnous et Marle (1965)	au porosimètre à mercure
0,1 μm	Alonzo (1965)	au porosimètre à mercure
1 μm	Bousquie (1975)	au porosimètre à mercure
5 μm	Bousquie (1975)

La topologie du milieu poreux des roches calcaires est à la fois complexe et extrêmement variable d’une roche à l’autre. L’utilisation conjointe d’essais indirects de caractérisation (par ex. : porosimétrie au mercure), d’essais de comportement (par ex. : perméabilité) et de l’observation directe en lames minces et au M.E.B. a permis de mettre en évidence le point suivant : la porosité des calcaires est généralement uni ou bimodale. Elle est constituée d’une microporosité correspondant aux espaces entre les cristaux des phases microcristallines (éléments figurés ou phase de liaison micritique), et d’une macroporosité généralement intergranulaire mais parfois interne aux éléments figurés. La microporosité se présente la plupart du temps, sous forme d’un réseau d’abeilles constitué de plans joints de 0,1 à 0,5 μm d’épaisseur. Ces joints interconnectent des pores de quelques microns de rayon. La macroporosité est au contraire plus complexe, parfois bien classée, parfois très étalée avec des rayons moyens très variables (Bousquie, 1979).
5 La porosité dans les récifs
L’intérêt des scientifiques à étudier les récifs fossiles provient de leur importance économique. En effet, ces derniers possèdent souvent une porosité résiduelle considérable ce qui en fait d’excellentes roches réservoir. Plusieurs facteurs expliquent la raison de cette porosité élevée (Davaud, 1985) :
Dans les récifs actuels, la porosité primaire peut atteindre jusqu’à 60%. Même si les vides se colmatent progressivement lors de l’enfouissement du récif sous l’accumulation continuelle des sédiments, on peut encore compter sur des porosités de l’ordre de 15 à 20% à des profondeurs de quelques milliers de mètres
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Tous les coraux ont des vides primaires qui étaient originellement occupé par des tissus coralliens vivants. Ces pores varient en taille et en forme. La plupart des coraux ont des formes irrégulières mais des pores arrondis ou tubulaires. A ces macropores s’ajoutent des micropores qui sont présents le long des parois de la plupart des espèces de coraux (Pittman, 1974).
Les vides d’origine secondaire sont de deux types : perforation par des organismes lithophages et figures de dissolution. Les perforations par des organismes sont de tailles micro et macroscopique. Les microperforations faites par des algues, champignons et des éponges endolithiques font 5 à 20 μm de diamètre. Elles s’intersectent et bifurquent pour créer un réseau interconnecté. Les perforations macroscopiques font jusqu’à 1 cm de diamètre et sont faites par les pélécypodes.
Les vides de dissolution sont de taille microscopique, comme ceux causés par la dissolution d’aragonite dans le squelette, à macroscopique comme ceux qui affectent la colonie entière de corail (Pittman, 1974).
Beaucoup de figures ou événements diagénétique influence sur la porosité des coraux. En milieu marin, la porosité diminue avec la croissance de ciment sous-marin dans les chambres des coraux. En présence de nappes d’eau douce, la recristallisation, la croissance de ciment calcitique à l’intérieur des pores des coraux et la dissolution dominent (Pittman, 1974).
Un facteur critique influençant le développement de la porosité dans les récifs de corail est la cimentation péloidale (Sun et Wright, 1989). Des quelques exemples documentés (Baria et al., 1982 ; Crevelo et al., 1985) sur les réservoirs dans les récifs du Jurassique Supérieur, un modèle émerge dans lequel la porosité primaire est initialement perdue dans quelques récifs par le résultat de la cimentation marine, spécialement par du ciment stromatolitique-péloïdal.
Le remplacement de l’aragonite par de la calcite est le facteur principal influençant la porosité et la perméabilité des coraux dans la zone vadose. La porosité diminue majoritairement à cause de la croissance de sparite dans les pores, alors que la perméabilité augmente grâce au changement de la taille des seuils de pores (Pittman, 1974).
6 Classification de la porosité
La littérature portant sur la classification de la porosité dans les carbonates peut être groupée en deux types généraux basés sur :<blockquote>
- les propriétés physiques pour l’évaluation ou l’exploitation des fluides contenus dans la roche
- des critères plus géologiques et génétiques</blockquote>
Certaines classifications dans la littérature géologique pétrolière se concentrent sur la description exclusive du système poreux, le pourcentage volumique de la porosité ou d’autres propriétés physiques comme la taille, la forme et la distribution des pores. Le principal objectif de ces classifications est la corrélation de ces propriétés physiques avec des propriétés pétrophysiques comme la perméabilité, la perméabilité relative, la pression capillaire, les saturations en fluides et les résistivités électriques. Les classifications de ce type incluent notamment celle d’Archie (1952) (Choquette et Pray, 1970).
D’autres articles ont contribué à la compréhension de la porosité, mais en accentuant les caractéristiques géologiques ; existence et origine de l’espace poreux plutôt que la classification, comme par exemple ceux de Murray (1960) ou de Lucia (1962).
De nombreux auteurs ont élaboré leur propre classification sans réellement pour autant aboutir à une classification unique mondialement reprise. Cependant, les trois classifications suivantes sont régulièrement utilisées : <blockquote>
- Archie (1952) : La classification d’Archie est basée d’une part par la description de la texture de la matrice à l’œil nu ainsi qu’au microscope, et d’autre part sur la taille des pores visibles au microscope (grossissement 10x). On utilise encore aujourd’hui cette classification pour estimer les propriétés pétrophysiques. L’avantage de cette classification est qu’elle simple et accessible.
- Lucia (1995) : L’espace poreux est divisé en porosité interparticulaire (intergranulaire et intercristalline) et en porosité vacuolaire. Cette porosité vacuolaire est séparée en pores interconnectés et en pores isolés.
- Choquette et Pray (1970) (Fig. 6) : Cette classification est la plus fréquemment utilisée. Elle se base sur des critères génétiques et non pétrophysiques. Ils divisent les pores en deux classes : la porosité est dite « fabric selective » si une relation dépendante peut-être perçue entre la porosité et les constituants solides primaires et secondaires de la roche (par exemple : porosité interparticulaire primaire) et dans le cas contraire d’une porosité « non fabric selective » (par exemple : fracture tectonique dans un calcaire non poreux). La majorité de la porosité primaire et dans une large proportion la porosité secondaire dans les faciès carbonatés sont « fabric selective ». Ce concept de « fabric » sélectivité est spécialement utile pour la détermination de l’âge de l’origine des pores en relation aux autres événements de l’évolution diagénétique de la roche.
15 types basiques de porosité sont définis. Sept d’entre eux sont extrêmement communs et volumétriquement importants, formant la majorité des espaces poreux dans les sédiments carbonatés. Il s’agit de : l’interparticulaire, l’intraparticulaire, l’intercristallin, le moldique, le fenestré, le fracture et le vacuolaire. </blockquote>
Comme nous pouvons le voir, ces quatre auteurs utilisent une approche totalement différente dans leur classification. Chacune de ces classifications possède leurs propres avantages ainsi que ses défauts. Dans cette étude, la classification de Choquette et Pray (1970) a été reprise régulièrement pour sa clarté, son aspect morphologique et ses nombreux types de porosité.
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6.1 Descriptions des principaux types basiques de porosité selon Choquette et Pray (1970) :

Fig. 6 : Classification de la porosité selon Choquette et Pray
- Porosité intercristalline (intercrystal) : Porosité entre les cristaux. La porosité intercristalline peut être une porosité primaire ou secondaire.
- Porosité intracristalline (intracrystal) : Porosité à l’intérieur d’un cristal, pores dans les grands cristaux d’échinodermes, et inclusions fluides forme la plus grande partie de cette catégorie de porosité.
- Porosité interparticulaire (interparticle) : Porosité entre les particules. La porosité interparticulaire donne une information sur la position et non sur son origine génétique. La porosité interparticulaire est le type de porosité dominant dans la plupart des sédiments carbonatés.
- Porosité intraparticulaire (intraparticle) : Porosité à l’intérieur d’une particule ou d’un grain. La porosité intraparticulaire donne une information sur la position et non sur son origine génétique. Elle est abondante dans les sédiments carbonatés et peut être une partie importante de la porosité préservée dans les roches carbonatées. L’essentiel de la porosité intraparticulaire dans les carbonates correspond à des chambres internes ou d’autres ouvertures à l’intérieur d’un squelette d’organisme colonial ou individuel. Cependant, une quantité appréciable de porosité intraparticulaire dans les sédiments carbonatés consiste en des espaces poreux à l’intérieur de pellets, d’intraclastes, ooïdes et autres grains non squelettiques.
- Porosité intergranulaire (intergrain) : Porosité entre les grains. « Intergranulaire » est le terme le plus commun pour la porosité située entre les grains dans les grès et les carbonates. Occasionnellement mais malheureusement, ce terme fut considéré synonyme avec porosité primaire, comme dans la classification de Fraser (1935). Cependant, il semble préférable d’employer « intergranulaire » pour désigner seulement la position de la porosité en respectant les grains indépendamment du temps de sa formation. La porosité intergranulaire est utilisée plus couramment que le terme plus large de porosité interparticulaire. La limite inférieure de la taille des grains s’échelonne de 0,004 à 0,06 mm dans la majeure partie des classifications des carbonates.
- Porosité intragranulaire (intragrain) : Porosité à l’intérieur d’un grain.
- Porosité vacuolaire (vug) : C’est probablement le terme décrivant une porosité dans les carbonates le plus utilisé. C’est aussi celui qui a la large variété de définition et d’usage. Choquette et Pray (1970) ont attribué le terme “vacuole” à un pore qui (1) est quelque peu équidimensionnel ou pas nettement allongé, (2) suffisamment grand pour être visible à l’œil nu (diamètre plus grand que 1/16 mm), et (3) n’est pas spécialement conforme dans la position, forme, ou limites à un élément particulier de fabrique (en d’autres termes n’est pas « fabric selective »). La dissolution est le processus dominant de formation des vacuoles.
- Porosité de fracture (fracture) : Porosité formée par fracturation. La porosité de fracture est employée généralement pour la porosité le long des cassures dans un sédiment ou dans un corps rocheux où il a eu un déplacement du bloc opposant.
- Porosité moldique (mouldic) : Un pore moldique est pore formé par une oblitération sélective, normalement par dissolution d’un ancien constituant du sédiment ou de la roche comme une coquille ou une oolite. La porosité résultante est dite moldique. Les pores moldiques sont très abondants dans beaucoup de roches carbonatées poreuses. Particulièrement lorsque le sédiment initial est constitué de particules aragonitiques (ooides ou bioclastes).
- Porosité de matrice (matrix) : La porosité de la matrice ou de la fine portion d’un sédiment carbonaté ou d’une roche, en opposition à la porosité associée avec les particules ou les constituants.


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intérréssant de savoir y a t-il des textes sur les methodes de mesure de la porosité????merci et boncourrage