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Mechanism and Application of Electrical Resistivity Responses in Annular Adsorbed Water Films: Insights From Capillary Theory

Cette étude propose un modèle à l'échelle des pores physiquement contraint pour les réservoirs de faible résistivité fortement mouillables à l'eau, qui attribue la conductivité anormale à des films d'eau adsorbés continus sur les parois des pores, en utilisant une approche combinée d'intrusion de mercure à haute pression et de résonance magnétique nucléaire pour quantifier le contenu en eau des films et établir un modèle de conductivité à double réseau pour une évaluation précise de la saturation en eau.

Auteurs originaux : Yuanjun Zhang, Ming Cai, Chengguang Zhang, Lei Zhang, Lihong Tan, Nan Yan, Guangyao Chen

Publié 2026-10-12

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Yuanjun Zhang, Ming Cai, Chengguang Zhang, Lei Zhang, Lihong Tan, Nan Yan, Guangyao Chen

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Profondément sous la surface de la terre, dans les roches poreuses qui renferment du pétrole et du gaz, les fluides ne se comportent pas comme de simples liquides remplissant un contenant. Au lieu de cela, ils existent dans un état d'équilibre complexe, régi par des forces invisibles qui dictent la façon dont l'eau s'accroche aux grains de roche et dont le pétrole pousse à travers les minuscules espaces entre eux. Dans de nombreux réservoirs, les géologues s'appuient sur des diagraphies électriques pour déterminer la quantité de pétrole présente par rapport à celle de l'eau. La logique est simple : l'eau conduit bien l'électricité, tandis que le pétrole ne la conduit pas. Par conséquent, une roche qui conduit facilement l'électricité est supposée être pleine d'eau, tandis qu'une roche qui résiste à l'électricité est supposée contenir du pétrole. Cependant, cette règle s'effondre dans certains réservoirs profonds où la roche est intensément « mouillable à l'eau », ce qui signifie que les surfaces minérales possèdent une forte attraction naturelle pour l'eau. Dans ces environnements, même lorsque le pétrole a déplacé la majeure partie de l'eau libre, une fine couche continue d'eau reste collée aux parois de la roche. Ce film résiduel crée une autoroute cachée pour l'électricité, trompant les outils de mesure standards en leur faisant voir une roche remplie d'eau alors que du pétrole est réellement présent. Ce phénomène, connu sous le nom de réservoir de pétrole à faible résistivité, a conduit à la mauvaise identification de champs de pétrole précieux comme étant des zones d'eau inutiles, causant des pertes économiques significatives dans l'industrie de l'énergie.

Des chercheurs de l'Université de Yangtze et de PetroChina Tarim Oilfield Company ont entrepris de résoudre cette énigme en observant le monde microscopique du champ de Lunnan, dans le bassin de Tarim en Chine. Ils ont commencé par éliminer systématiquement les suspects habituels qui provoquent souvent une faible résistance électrique. Ils ont analysé les échantillons de roche pour identifier les minéraux argileux, qui peuvent conduire l'électricité, et pour les minéraux lourds et conducteurs comme la pyrite. Leurs conclusions étaient claires : la quantité d'argile et de minéraux conducteurs dans ces roches était trop faible pour expliquer les anomalies électriques généralisées. Ils ont également examiné la mouillabilité de la roche et ont constaté que les surfaces minérales étaient effectivement fortement attirées par l'eau. Cela a confirmé que la clé du mystère ne résidait pas dans la composition de la roche, mais dans le comportement de l'eau elle-même. L'équipe a réalisé que, dans ces conditions de forte mouillabilité à l'eau, l'eau ne se contente pas de stagner dans les pores minuscules et étroits où elle est piégée par des forces capillaires ; elle forme également un film persistant, en forme d'anneau, qui tapisse les parois des pores plus larges, créant un chemin conducteur continu même lorsque le centre du pore est rempli de pétrole.

Pour comprendre exactement comment ce film se comporte, les scientifiques ont développé une nouvelle façon d'observer la structure interne de la roche. Ils ont combiné deux types différents de mesures de laboratoire pour séparer l'eau piégée dans les pores minuscules de l'eau qui adhère sous forme de film aux pores plus larges. En utilisant l'intrusion de mercure à haute pression, ils ont cartographié la taille des pores et identifié un seuil de taille spécifique en dessous duquel l'eau est piégée de façon permanente. Ils ont ensuite utilisé la résonance magnétique nucléaire, une technique similaire à l'imagerie médicale, pour mesurer la quantité totale d'eau qui restait dans la roche après qu'elle ait été soumise à une rotation rapide pour éliminer l'eau libre. En comparant l'eau liée totale mesurée par la résonance magnétique avec l'eau piégée dans les pores minuscules, ils ont pu calculer le volume exact des films d'eau adhérant aux pores plus larges. Cela leur a permis de déterminer une constante physique spécifique décrivant la force de l'interaction entre la roche et l'eau, quantifiant ainsi l'épaisseur de la couche d'eau invisible en fonction de la taille du pore.

Armés de cette compréhension physique, les chercheurs ont construit un nouveau modèle pour expliquer les signaux électriques. Ils ont reconnu que le film d'eau n'est pas seulement une couche passive ; parce que la surface de la roche est chargée, elle attire les ions de l'eau, créant une double couche électrique qui rend le film encore plus conducteur que l'eau ordinaire. Ils ont créé un modèle à double réseau qui traite la roche comme possédant deux systèmes conducteurs distincts : un pour l'eau piégée dans les pores minuscules et un autre pour le film amélioré et hautement conducteur sur les parois des pores plus larges. Lorsqu'ils ont testé ce modèle sur des échantillons de roche réels, il a réussi à expliquer pourquoi la résistance électrique restait faible même lorsque la quantité d'eau dans la roche était faible. Le modèle a montré que la combinaison du film continu et de la conductivité accrue des ions à proximité de la surface était suffisante pour maintenir le courant électrique, imitant la signature d'une roche saturée en eau.

La dernière étape consistait à voir si cette nouvelle compréhension pouvait fonctionner dans le monde réel. L'équipe a appliqué son modèle à de véritables diagraphies de puits du champ de Lunnan, remplaçant les calculs traditionnels qui avaient précédemment mal identifié ces zones. Dans un intervalle spécifique, les méthodes standards suggéraient que la roche était pleine d'eau car la résistance électrique était faible. Cependant, le nouveau modèle, qui tenait compte des films d'eau et de la structure poreuse spécifique de la roche, a calculé une saturation en eau bien plus faible. Ce résultat concordait parfaitement avec les tests de production historiques du même intervalle, qui avaient confirmé la présence de pétrole circulant avec très peu d'eau. L'étude démontre qu'en comprenant la physique microscopique de la formation des films d'eau et de leur conduction électrique, les géologues peuvent distinguer l'eau du pétrole dans ces réservoirs complexes. Cette approche offre une méthode physiquement fondée pour évaluer la saturation en eau dans les roches fortement mouillables à l'eau, permettant potentiellement d'éviter la perte de champs pétroliers qui étaient auparavant négligés en raison de lectures électriques trompeuses.

Résumé technique : Mécanisme et application des réponses de résistivité électrique dans les films d'eau adsorbés annulaires

Énoncé du problème
Dans les réservoirs de pétrole à faible résistivité et fortement mouillables à l'eau, l'interprétation conventionnelle des diagraphies échoue souvent car les modèles de résistivité de roche standards (par exemple, Archie) surestiment la saturation en eau. Cela se produit parce que ces modèles supposent que la résistivité est principalement régie par la fraction volumétrique des fluides interstitiels. Cependant, dans les systèmes fortement mouillables à l'eau présentant des pores de taille micro à nanométrique, l'eau résiduelle ne se présente pas simplement sous forme de gouttelettes déconnectées ou d'eau liée par capillarité dans les pores fins. Au contraire, une partie significative subsiste sous la forme de films annulaires continus ou semi-continus adsorbés sur les parois des pores plus larges. Ces films, influencés par les effets de la double couche électrique (DCE) et l'enrichissement ionique de surface, créent des voies conductrices effectives qui abaissent la résistivité globale même lorsque la saturation en hydrocarbures est élevée. La contribution quantitative de ces films adsorbés à la réponse de résistivité a été difficile à caractériser, conduisant à la mauvaise identification de zones pétrolifères comme étant des couches aquifères.

Méthodologie
L'étude, centrée sur la zone de Lunnan dans le bassin de Tarim, emploie une approche multi-échelle combinant l'analyse géologique, la thermodynamique interfaciale et la pétrophysique expérimentale pour développer un modèle de résistivité de roche physiquement contraint.

Criblage géologique : Les auteurs ont d'abord écarté d'autres causes de faible résistivité. Les analyses lithologiques, de la teneur en argile et des minéraux conducteurs ont indiqué que la teneur en argile (moyenne de ~3,44 %) et les minéraux conducteurs (ex. pyrite, magnétite) étaient trop faibles pour expliquer indépendamment les anomalies de faible résistivité généralisées. Inversement, les tests de mouillabilité ont confirmé que les réservoirs sont principalement fortement mouillables à l'eau.
Cadre théorique :
- Équilibre thermodynamique : Une relation entre l'épaisseur du film d'eau ( $X$ ) et le rayon de la pore-throat ( $r$ ) a été dérivée en équilibrant la pression capillaire de Young-Laplace avec la pression de désorption du film mince (forme de van der Waals). Cela a produit une relation de type loi de puissance $X(r) = k \cdot r^{1/3}$ , où $k$ est un coefficient physico-chimique de surface complet.
- Modèle de conductivité à double réseau : Un modèle de capillaire unique a été étendu à un système macroscopique à double réseau. Ce modèle distingue un « réseau d'eau mobile central » (qui perd sa connectivité lors du déplacement) d'un « réseau d'eau de paroi de pore » (qui reste conducteur). Le modèle incorpore un rapport d'amélioration de la double couche électrique ( $E$ ) pour rendre compte de la conductivité plus élevée de l'eau de film par rapport à l'eau de masse.
Inversion expérimentale :
- Couplage HPMI-RMN : L'intrusion de mercure à haute pression (HPMI) a été utilisée pour déterminer la distribution des rayons de pore-throat et un rayon de coupure de percolation critique ( $r_{cut}$ ) afin de séparer l'eau liée par capillarité dans les micropores de l'eau de film dans les macropores. La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) a fourni la saturation totale en eau liée après centrifugation. La différence entre l'eau liée totale dérivée de la RMN et l'eau capillaire contrainte par l'HPMI a permis de quantifier le volume de l'eau de film, permettant ainsi l'inversion du coefficient $k$ .
- Résistivité dynamique : Des expériences de déplacement de carottes ont mesuré l'évolution de la résistivité sous diverses saturations en eau. Un ajustement par moindres carrés non linéaires a été utilisé pour inverser le rapport d'amélioration de la conductivité ( $E$ ) et l'exposant de coupure structurelle ( $\beta$ ), qui décrit la perte de connectivité dans le réseau d'eau central.
Corrélation des paramètres et application : Des relations empiriques ont été établies entre les paramètres inversés ( $E, \beta$ ) et les propriétés pétrophysiques macroscopiques (indice de perméabilité/porosité). Ces relations ont permis la traduction des paramètres à l'échelle du noyau vers des évaluations continues à l'échelle de la diagraphie.

Contributions clés

Séparation quantitative de l'eau liée : L'étude établit une méthode pour séparer quantitativement l'eau liée par capillarité dans les pores fins de l'eau de film adsorbée sur les parois des macropores en utilisant les données HPMI et RMN.
Inversion de la constante thermodynamique de surface : Elle parvient à inverser un coefficient physico-chimique de surface complet ( $k$ ) qui lie la structure de la pore-throat, l'épaisseur du film d'eau et la force d'interaction solide-liquide.
Modèle à double réseau amélioré par la DCE : Les auteurs développent un nouveau modèle de résistivité de roche qui incorpore explicitement l'amélioration de la conductivité des films d'eau adsorbés annulaires et la double couche électrique. Ce modèle introduit un rapport d'amélioration de la conductivité ( $E$ ) et un exposant de coupure ( $\beta$ ) pour décrire le comportement non-Archie des réservoirs fortement mouillables à l'eau.
Flux de travail d'interprétation de diagraphie : Un flux de travail pratique est proposé où les paramètres du modèle sont dérivés de la porosité et de la perméabilité issues de la diagraphie, permettant un calcul continu de la saturation en eau prenant en compte la conduction de l'eau de film.

Résultats

Confirmation du mécanisme : La réponse de faible résistivité dans la zone de Lunnan est principalement pilotée par les films d'eau liés connectés sous des conditions de forte mouillabilité à l'eau, plutôt que par l'argile ou les minéraux conducteurs.
Performance du modèle : Le modèle à double réseau proposé explique avec succès l'indice de faible résistivité persistant observé à de faibles saturations en eau, un phénomène que le modèle Archie conventionnel ne parvient pas à capturer.
Relations de paramètres : Une relation fonctionnelle a été trouvée entre le rapport d'amélioration de la conductivité ( $E$ ) et le coefficient thermodynamique ( $k$ ), ainsi qu'entre l'exposant de coupure ( $\beta$ ) et l'indice pétrophysique ( $T$ ).
Validation sur le terrain : L'application du modèle aux données de diagraphie d'un puits d'étude (3587,0–3596,5 m) a produit des résultats de saturation en eau cohérents avec les interprétations de tests de pétrole. Alors que le modèle Archie conventionnel aurait interprété l'intervalle de faible résistivité comme une couche d'eau, le modèle proposé a correctement identifié une zone pétrolifère, correspondant aux résultats de test de production de 31,73 m³/j de pétrole sans production d'eau.

Signification et affirmations
L'article affirme fournir une approche physiquement contrainte pour l'évaluation de la saturation en eau dans les réservoirs à faible résistivité et fortement mouillables à l'eau. En liant les réponses de résistivité anormales à l'occurrence microscopique des fluides et aux interactions interface solide-liquide, l'étude offre une base pour réduire le risque de mauvaise identification des réservoirs d'hydrocarbures. Les auteurs affirment que leur méthode répond efficacement aux limites des modèles de moyenne volumétrique dans les systèmes de pores complexes.

Cependant, les auteurs maintiennent une position modeste concernant la portée actuelle de leurs travaux. Ils reconnaissent que l'épaisseur du film d'eau et l'amélioration de la conductivité ont été indirectement inversées sur la base d'hypothèses d'équilibre et de données multi-échelles, plutôt que directement mesurées dans des conditions réelles de réservoir. Ils notent que des travaux futurs sont nécessaires pour caractériser directement l'occurrence de l'eau de film en utilisant des techniques avancées (ex. micro-CT, AFM) et pour optimiser l'inversion continue des paramètres à l'échelle de la diagraphie en utilisant l'apprentissage automatique ou l'inversion multi-minérale. De plus, l'application du modèle à la dynamique de production et à la prédiction du pétrole résiduel est identifiée comme une étape future nécessaire.

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