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La présente invention concerne un procédé et un dispositif
pour réaliser sur un échantillon poreux, des phases de draînage et
d'imbibition successives de façon à déterminer des paramètres
physiques de cet échantillon.
Le procédé et le dispositif selon l'invention conviennent pour
tester des échantillons géologiques et déterminer différents
paramètres tels que la pression capillaire des roches dans des
phases de drainage ou d'imbibition, leurs indices de mouillabilité,
leurs perméabilités relatives, leurs indices de résistivité etc.
Le procédé et le dispositif trouvent des applications
notamment dans le domaine pétrolier pour tester des roches qui
ont été prélevés dans des formations recélant ou susceptibles de
recéler des effluents pétroliers.
Il est important de déterminer. la mouillabilité des roches vis
à vis de l'eau et de l'huile qui peuvent y être contenues. A cet effet,
il faut procéder à un draînage de la roche c'est-à-dire à un
déplacement des fluides visant à diminuer la saturation en eau,
suivi d'une imbibition, en désignant par ce terme un déplacement
des fluides permettant d'augmenter la saturation en eau (Sw) de la
roche. La pression capillaire en un point se définit comme la
différence Pc à l'équilibre entre la pression P(huile) de l'huile et
celle P(eau) de l'eau. Ce paramètre n'a de sens que si les deux
fluides sont en phase continue dans le milieu poreux. Pour un
milieu mouillable à l'eau, seules les valeurs positives ont un sens.
Par contre, lorsque le milieu a une mouillabilité mixte, les fluides
peuvent rester en phase continue aussi bien pour les pressions
capillaires (Pc) positives que négatives.
Pour une application de ce type, un cycle complet de mesure de la
pression capillaire doit donc comporter (Fig.1):
a) un draînage primaire positif d'un échantillon saturé initialement
en eau à 100% (courbe 1);
b) une imbibition positive (courbe 2);
c) une imbibition négative (courbe 3);
d) un draînage négatif (courbe 4); et
e) un draînage secondaire positif (courbe 5).
2
2~z~~ur
La coniiaissance de différents paramètres et notamment de la
mouillabilité des roches, est utile notamment quand on doit
procéder à une récupération assistée d'une formation, en draînant
les effluents qu'elle contient par une injection d'un fluide sous
pression, et que l'on doit par des tests préalables le fluide (eau ou
gaz) qui convient le mieux pour déplacer les effluents.
L'invention trouve aussi des applications en génie civil pour
faire de l'hydrologie de terrains pour évaluer leur degré de
pollution par exemple, ou encore dans le bâtiment pour tester des
matériaux de construction afin notamment de décider de
traitements hydrofuges par exemple.
Une méthode pour mesurer la pression capillaire régnant dans
les pores d'une roche poreuse contenant deux fluides en phases
continues, connue notamment par le brevet US-A-4 506 542, dite
à "plaque poreuse", consiste essentiellement à placer l'échantillon
dans une cellule allongée terminée à ses deux extrémités opposées
par des barrières capillaires perméables à un premier de ces deux
fluides, à injecter ce premier fluide sous pression au travers de la
première membrane et à mesurer la différence de pression entre la
pression d'injection et la pression du fluide évacué à l'autre
extrémité. Les pressions des deux fluides ainsi que la pression
capillaire Pc sont constantes le long de l'échantillon, et la saturation
est supposée uniforme. Avec ce type de méthode, la durée de la
phase de draînage est assez longue et, pour la mettre en oeuvre, il
2 5 faut employer des membranes relativement fragiles.
Il est connu aussi de mesurer la pression capillaire de roches
saturées de fluides en les soumettant à une centrifugation à vitesse
progressive, et en mesurant la quantité de fluide produite en
fonction de la vitesse. L'échantillon saturé de liquide est placé dans
3 0 une enceinte dont l'axe est orienté suivant la direction de la force
centrifuge et on injecte un autre fluide qui prend la place du fluide
expulsé au fur et à mesure de son expulsion. Dans la phase de ré-
imbibition, on diminue la vitesse de façon à étudier la réintégration
du fluide initial dans l'échantillon. Le champ de pression créé par la
35 centrifugation s'exprime en fonction de la densité p, du rayon R et
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de la vitesse angulaire w, par la relation : 1/2 w2.p(Rmax2- R2),
pour chaque fluide. On impose que la pression des deux fluides à la
sortie de l'échantillon soit la même et qu'elle s'annule à la sortie. Les
saturations locales, avec ce type de méthode, sont calculées par un
programme d'inversion à partir de la quantité totale d'eau expulsée
hors de l'échantillon. Cette méthode est mise en oeuvre par exemple
dans les demandes de brevet FR-A-2 666 147 et EP 0603 040 du
demandeur.
Les méthodes précédentes sont du type statique du fait qu'à
l'équilibre, il n'y a aucun mouvement de fluides à l'intérieur de
l'échantillon.
Suivant une autre méthode dite "dynamique", on place un
échantillon dans une enceinte allongée terminée à ses deux
extrémités par des membranes perméables à l'eau. A une première
extrémité, on injecte directement de l'huile sous pression dans
l'enceinte. De l'eau y est également injectée mais cette injection est
effectuée au travers de la membrane et à une pression inférieure. A
l'extrémité opposée, l'huile est évacuée directement alors que l'eau
sort au travers de la membrane terminale. En réglant les débits
d'injection d'huile et d'eau, on s'arrange pour que la pression
capillaire soit la même à l'entrée de l'enceinte qu'à sa sortie, ce qui
entraîne une saturation uniforme pouvant être déduite du bilan des
fluides. La pression capillaire est obtenue par exemple en mesurant
la différence entre les pressions de l'huile et de l'eau à la sortie de
l'enceinte.
Une telle méthode est décrite notamment par Brown H.W. in
"Capillary Pressure Investigations" Petroleum Transaction AIME,
vol. 192, 1951.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser sur un
échantillon solide poreux mouillable par au moins un premier
fluide, des phases de draînage et d'imbibition successives, de façon
à déterminer des paramètres physiques, (notamment
pétrophysiques: pressions capillaires, saturation en eau (Sw) etc.). Il
comporte l'introduction de l'échantillon dans une enceinte allongée
I,ourvue de moyens de mesure, comportant l'injection d'un
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deuxième fluide sous pression, à une première extrémité de
l'enceinte, de façon à évacuer hors de l'échantillon un fluide qui y
est continu, et l'évacuation hors de l'enceinte d'un premier fluide
issu de l'échantillon caractérisé en ce que l'évacuation du fluide issu
de l'échantillon est réalisée :
- au moyen d'une circulation de fluide, à une pression constante
fixée, que l'on établit à l'extrémité de l'enceinte, opposée à la
première extrémité, et
- la mesure en au moins un emplacement le long de l'enceinte, de la
saturation de l'échantillon et de la pression régnant dans
l'échantillon.
On détermine la variation de la saturation de l'échantillon en
mesurant par exemple les variations de la vitesse d'ultrasons au
travers de l'échantillon ou bien encore au moyen d'un rayonnement
émis au travers de l'échantillon.
On peut également mesurer en continu les variations de la
conductivité électrique de l'échantillon dans son enceinte au fur et à
mesure de l'injection dudit deuxième fluide.
De préférence, suivant un mode de mise en oeuvre, on place
l'échantillon dans l'enceinte et on procède successivement à un drainage du
premier fluide hors de l'échantillon et à une réimbibition de celui-ci avec le
même premier fluide, le deuxième fluide chassé hors de l'échantillon étant
évacué par un courant de fluide à une pression fixée. On peut donc réaliser
ainsi des opérations de draînage-imbibition positives ou négatives
successivement, en inversant le rôle joué par les deux fluides en présence.
Un des fluides est par exemple de l'eau et l'autre fluide peut
être de l'huile.
Le dispositif de mise en oeuvre permet de réaliser sur un
échantillon solide poreux, des phases de draînage et d'imbibition
successives de façon à déterminer des paramètres physiques. Il
comprend une enceinte allongée pour contenir un échantillon
imbibé avec le premier fluide, des moyens de pression pouvant être
connectés à une première extrémité de l'enceinte, pour injecter un
deuxième fluide sous pression de façon à draîner le premier fluide
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hors de l'échantillon, et des moyens de mesure de la pression en au
moins un emplacement de l'échantillon. Le dispositif est caractérisé
en ce qu'il comporte des moyens de pompage pouvant être
connectés à l'extrémité de l'enceinte opposée à la première
extrémité, pour établir une circulation de fluide à une pression
fixée et entraîner hors de l'enceinte les fluides expulsés hors de
l'échantillon, des moyens pour mesurer la quantité de premier
fluide évacué hors de l'enceinte et des moyens pour déterminer la
saturation de l'échantillon en fluide.
Le dispositif peut comporter des moyens pour imposer à
l'échantillon, une pression statique ainsi que des moyens de
connexion pour connecter les moyens de pression et les moyens de
pompage alternativement à une extrémité de l'enceinte et à son
extrémité opposée.
De préférence, suivant un mode de réalisation, les moyens de mesure de
la saturation comportent des moyens de télémétrie acoustique pour déterminer
les variations du temps de propagation du son au travers de l'échantillon.
De préférence, suivant un autre mode de réalisation, les moyens de
mesure de la saturation comportent des moyens pour déterminer les variations
du coefficient d'absorption de l'échantillon relativement à un rayonnement
émis
au travers.
De préférence, suivant encore un autre mode de réalisation, les moyens
de mesure de la saturation comportent des moyens de mesure de la
conductivité électrique de l'échantillon.
Suivant un agencement avantageux, on utilise des moyens de
mesure de la saturation comportant plusieurs unités de mesure
disposées suivant plusieurs sections transversales à différents
emplacements le long de l'échantillon. Dans ce cas, on peut aussi
disposer dans ces mêmes sections, plusieurs capteurs de pression.
De préférence, le fluide circulant à l'extrémité opposée de
l'enceinte est identique au premier fluide issu de l'échantillon.
En permettant au premier fluide de se mettre à la même
pression que le fluide en circulation, on évite d'avoir à faire des
mesures séparées de la pression du premier et du deuxième fluides
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et donc par là même, l'utilisation de membranes semi-perméables.
La pression du premier fluide est ici connue avec précision et donc
on évite une source d'erreurs possibles.
L'agencement de la cellule étant symétrique, on peut de ce
fait sans avoir à la démonter, procéder à un cycle complet de
draînage-imbibition positif ou négatif avec mesures de la pression
capillaire dans toutes les phases successives. Du fait de l'absence de
membranes semi-perméables, on évite les difficultés de mise en
oeuvre pour assurer l'étanchéité ou maintenir la continuité
capillaire etc.
La connaissance de la pression de l'échantillon en au moins un
emplacement de sa longueur et de son indice de saturation, permet
de déterminer:
- la pression capillaire,
- les indices de mouillabilité WI calculés à partir des aires
délimitées par les courbes de pression capillaire positives et
négatives, ou des variations des points extrêmes des saturations;
et
- les perméabilités relatives Kr;
La possibilité offerte par le dispositif de faire également des
mesures électriques rend possible le calcul des indices de résistivité
électrique IR en fonction de la saturation, pour les différentes
parties de la courbe de pression capillaire.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du
dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la
description ci-après de modes de réalisation décrits à titre
d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où:
- la Fig.l montre à titre indicatif les variations que subit la pression
capillaire dans un échantillon au cours d'un cycle complet de
draînage-imbibition;
- la Fig.2 montre schématiquement, un premier mode de réalisation
du dispositif utilisant des barrettes de transducteurs d'ultrasons
pour mesurer la saturation;
- la Fig.3 montre un détail de réalisation permettant la mise en
place d'un capteur de pression;
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- la Fig.4 montre une disposition dans un même plan transversal de
moyens de mesure à ultrasons, de pression et de conductivité
électrique;
- la Fig.5 montre schématiquement un ensemble de moyens de
mesure répartis en plusieurs endroits le long d'un échantillon mis
en place dans le dispositif selon l'invention;
- la Fig.6 montre une courbe d'étalonnage des transducteurs
d'ultrasons permettant de relier leur intervalle de temps de
propagation ou "temps de vol" Y, à la saturation de l'échantillon en
huile So par exemple; et
- les Fig.7 et 8 montrent à titre d'exemples, comment varient la
pression capillaire Pc en fonction de la saturation en eau Sw, pour
deux échantillons respectivement mouillables à l'eau et à l'huile.
La méthode selon l'invention est de type semi-dynamique et
consiste essentiellement à tester un échantillon aussi bien en phase
de draînage que d'imbibition, en le plaçant dans une enceinte close
allongée et en injectant un premier fluide sous pression à une de
ses extrémités, tandis que l'on balaie son extrémité opposée au
moyen d'un courant de fluide à une pression inférieure fixée et à
faible débit.
La méthode est mise en oeuvre au moyen d'un dispositif
comportant une enceinte ou cellule de confinement allongée 1,
cylindrique par exemple, qui peut être fermée à ses deux
extrémités opposées, par deux couvercles 2, 3 amovibles. Des
moyens de fixation et d'étanchéité (non représentés) permettent
leur fixation aux extrémités de l'enceinte. L'échantillon à tester S,
est placé à l'intérieur d'une gaîne déformable 4, et l'ensemble est
disposé dans l'enceinte 1. Les deux couvercles sont pourvus vers
l'intérieur de l'enceinte, respectivement d'un renflement
cylindrique 2a, 3a sensiblement de même diamètre que celui de la
gaîne et adaptés à venir s'engager dans les parties terminales de
celle-ci quand les couvercles 2, 3 sont fixés à l'enceinte 1. L'espace
annulaire 5 autour de la gaîne 4 est mis en communication avec une
source de fluide sous pression 8 délivrant du fluide par
l'intermédiaire d'une ouverture 6 ménagée dans la paroi extérieure
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de l'enceinte 1, et d'une canalisation 7 raccordée à cette ouverture.
Il peut s'agir d'une bouteille de gaz comprimé, d'un vérin ou encore
d'une pompe hydraulique. L'application de ce fluide, permet de
mettre sous une pression déterminée l'échantillon à tester.
A l'extérieur de l'enceinte 1, on dispose verticalement un tube
11 fermé à ses deux extrémités. A son extrémité supérieure, est
raccordé une canalisation 12 que l'on connecte à l'entrée d'une
pompe 13. L'extrémité inférieure du même tube 11 est reliée par
une canalisation 14 avec l'entrée d'une deuxième pompe 15.
Deux canaux 9a, 9b et 10a, 10b orientés parallèlement à l'axe
de l'enceinte, sont percés au travers des renflements cylindriques
respectivement 2a et 3a des deux couvercles 2, 3. Au canal 9a dans
le couvercle 2, par exemple, est raccordée une canalisation 16
connectée à la sortie de la première pompe 13. Au canal IOb, on
raccorde une canalisation 17 reliée à la sortie de la deuxième
pompe 15. Le tube II est pourvu également d'une ouverture
radiale intermédiaire 18 que l'on raccorde par une canalisation 19,
avec le canal l0a dans le couvercle 3.
Le tube 11 est par exemple transparent et gradué, de façon
que les variations de niveau entre les deux fluides puissent être
traduites en volumes de fluide expulsé.
Suivant un premier mode de réalisation, on dispose à
l'intérieur de l'enceinte 1, extérieurement à la gaîne 4, des moyens
pour détecter en au moins un emplacement de la longueur de
l'échantillon S et de préférence en plusieurs emplacements le long
de celui-ci, les variations de sa saturation. On utilise par exemple
des moyens de mesure à ultrasons analogues à ceux décrits dans la
demande de brevet EP 0 603 040 précitée.
Suivant une première génératrice de la gaîne 4, on dispose
une première barrette 20 le long de laquelle est fixée une rangée
de pastilles piézo-électriques 21 associées chacune à des fils
électriques 22. De l'autre côté de l'échantillon et dans un même plan
radial que la première barrette 20, est disposée une autre barrette
23 le long de laquelle est fixée une autre rangée de pastilles piézo-
3 5 électriques 24 associées également à des fils conducteurs 25. Les
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fils électriques 22 et 25 sont respectivement raccordés à deux
connecteurs électriques 26, 27 traversant la paroi de l'enceinte 1. A
ces deux connecteurs sont raccordés respectivement deux câbles 28,
29 connectés à un appareil de télémétrie acoustique 30 d'un type
connu. Celui-ci applique périodiquement des signaux impulsionnels
aux pastilles de la barrette 20, il reçoit les signaux captés
respectivement par les pastilles de la barrette opposée 23 et il
détermine pour chaque couple d'émetteur-récepteur, le temps de
propagation (ou temps de vol) des impulsions au travers de
l'échantillon.
Par des étalonnages réalisés préalablement sur un échantillon
de test ou au cours même des mesures sur un échantillon à tester,
on établit une courbe (Fig.6) reliant par exemple l'indice de
saturation en huile So d'un échantillon à la variation du temps de
vol Y des ultrasons qui le traversent (série de points 1 durant le
drainage et série de points 2 en imbibition).
Ce mode de mesure par ultrasons est avantageux en raison de
son coût relativement faible, de sa rapidité de réponse. Il est en
outre particulièrement bien adapté pour des tests d'échantillons
réalisés sous pression.
Au moins un capteur de pression 31 est mis en place à
l'intérieur de la gaîne 4 pour mesurer la pression locale à un
emplacement déterminé de la longueur de l'échantillon, de
préférence dans le même plan transversal que l'un des couples de
pastilles piézo-électriques 21, 24. Le capteur 31 est placé par
exemple dans un insert métallique 32 traversant la paroi de la
gaîne souple 4 (Fig.3) et les conducteurs électriques associés, sont
connectés extérieurement à un organe 33 de traitement de données
constitué par exemple d'un micro-ordinateur programmé. Ce même
micro-ordinateur 33 recoit également les mesures de temps de vol
réalisées par l'appareil de télémétrie 30.
On considère le cas d'un échantillon initialement saturé en eau
par exemple, qui est placé dans l'enceinte 1 et mis sous pression
par injection de fluide dans l'espace annulaire 5 autour de la gaîne
4. Au moyen de la pompe 13, par le canal 9a, on injecte de l'huile
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sous pression avec un débit fixé à une première extrémité de
l'échantillon. A l'extrémité opposée, on établit une circulation d'eau
à une pression basse constante (la pression atmosphérique par
exemple ou bien une pression fixe imposée par un réservoir de
fluide à une pression de référence) et avec un débit faible. Cette
eau est prélevée à la base du tube 11. L'eau est injectée par la
pompe 15 dans le canal lOb, et elle ressort par le canal l0a
entraînant les fluides (eau et huile) au fur et à mesure qu'ils sont
expulsés hors de l'échantillon S. De cette manière on assure à tout
instant la continuité entre le fluide circulant et l'eau expulsée de
l'échantillon. Le mélange de fluides ramené dans le tube 1 par la
canalisation 19, se sépare, l'eau retournant vers la partie la plus
basse.
On impose d'abord une première valeur au débit d'huile. Les
fluides se déplacent à l'intérieur de l'échantillon jusqu'à ce qu'un
équilibre soit atteint où les saturations et les pressions se
stabilisent. L'expulsion d'eau cesse. Il existe un gradient de pression
tout le long de l'échantillon en ce qui concerne P(huile). Par contre,
la pression de l'eau P(eau) est uniforme en tout point de
l'échantillon et égale à la pression de l'eau en circulation dans le
circuit 17, 19. L'équilibre est réalisé par la variation de la
saturation qui crée un gradient de pression capillaire.
On procède alors à des mesures du temps de vol des ultrasons
en actionnant successivement les couples d'émetteurs et de
récepteurs répartis le long de l'échantillon. Par référence à la
courbe d'étalonnage préétablie (Fig.3), on détermine la répartition
ou profil de la saturation en huile le long de l'échantillon. On
mesure également la pression locale P(huile) dans l'huile au moyen
du capteur 31 et on en déduit la pression capillaire locale Pc=
P(huile)-P(eau). Par une mesure de la variation de la position de
l'interface entre l'eau et l'huile dans le tube 11, on détermine
également le volume d'eau expulsé hors de l'échantillon.
Par un réglage de la pompe 13, on augmente ensuite
progressivement le débit d'huile et pour chacun des paliers
successifs, on répète les mesures précédentes de temps de vol que
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l'on traduit en une distribution de valeurs de saturation, ou
détermine de la pression capillaire locale ainsi que le volume d'eau
expulsé. L'ensemble des mesures effectuées, permet d'établir la
portion de courbe 1(Fig.1). Une diminution par paliers successifs du
débit d'huile permet une réimbibition progressive suivant la
portion de courbe 2 de la courbe.
En raison de sa configuration symétrique, le dispositif permet
également d'étudier les modes où la pression capillaire Pc est
négative, une fois terminées les opérations précédentes. Le
balayage précédent de l'extrémité de l'échantillon au moyen d'un
courant d'eau à basse pression circulant entre les canaux 10a, lOb,
est dans ce cas, remplacé par un balayage avec de l'huile à basse
pression circulant entre les canaux 9a et 9b, prélevée dans le tube
11 également et une application d'eau sous pression par le canal
lOb par exemple.
Les mesures que l'on fait avec cette configuration symétrique,
permettent de tracer les portions de courbe 3 en augmentant et 4
en diminuant ce même débit, de la Fig.l. La portion de courbe 5 est
obtenue comme la portion 1 en injectant de l'huile et en balayant
avec de l'eau le fluide expulsé.
Suivant une variante du mode de réalisation précédent, les
mesures des saturations peuvent être obtenues en remplaçant les
barrettes précédentes de transducteurs ultrasoniques par un
dispositif d'un type connu d'émission-réception d'un rayonnement
électromagnétique (rayons y ou de rayons X etc) par exemple
comportant (Fig 4) au moins un émetteur d'ondes 34 et au moins
un récepteur d'ondes 35 disposé de manière à recevoir les ondes
ayant traversé l'échantillon. De préférence, ce couple d'émission-
réception est disposé sensiblement dans le même plan transversal
que le capteur de pression 31 et il est connecté à un appareil de
mesure d'absorption (non représenté). On réalise des mesures
d'absorption à divers stades successives de la phase d'injection d'où
l'on peut déduire les valeurs successives de la saturation.
Suivant encore une autre variante du mode de réalisation
3 5 précédent, on détermine les valeurs de saturation à partir de
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mesures de résistivité électrique. Ceci est réalisé au moyen
d'électrodes 36 (Fig.5) traversant la gaîne 4, connectées à un
appareil de mesure d'un type connu (non représenté). On utilise au
moins un couple d'électrodes 36 disposées de façon analogue dans
le même plan transversal que le capteur de pression 31.
On a réalisé ainsi un outil de pétrophysique intégré avec un
corps et un système de distribution de fluides tel que celui montré
à la Fig.l. Il est pourvu de deux barrettes 20, 21 disposées à
l'extérieur de la gaîne 4 devant contenir l'échantillon à tester, avec
des transducteurs 21, 24 répartis sur leur longueur (Fig.l) Dans
chaque plan transversal contenant un couple de transducteurs 21,
24, la gaîne 4 est traversé par un couple d'électrodes 36 et par un
insert 32 pour un capteur de pression 31. Avec un télémètre
acoustique tel que le télémètre 30 (Fig.1), un appareil de mesure de
conductivité (non représenté) associé aux électrodes 36 et le micro-
ordinateur de commande 33, on réalise sur un échantillon, un
ensemble complet de mesures.
En effectuant des cycles de draînage et d'imbibition comme
précédemment décrit, on peut obtenir par exemple des courbes de
variation de la pression capillaire Pc en fonction de la saturation
comme celles schématisées à la Fig.1.
On a décrit des modes de réalisation du dispositif comportant
de préférence des moyens pour mesurer en plusieurs points le long
de l'échantillon, les valeurs de pression et de saturation. Par cette
multiplication de mesures on augmente la précision des résultats.
On ne sortirait pas du cadre de l'invention cependant, en se
limitant à des mesures locales de la pression et de la saturation en
un emplacement de la longueur de l'échantillon.
