Mechanical Properties of Rocks: Pore Pressure and Scale Effects Propriétés mécaniques des roches : pression de pore et effets d'échelle

Abstract

Pore pressure plays a major role when considering rocks mechanical properties. In that field, the concept of effective pressure is a key one to deal with fluids mechanical effects. However, its frequent use has been the source of frequent confusing statements. Because of the various meanings which have been attached to that concept, an attempt is made in this paper to clarify it and examine the validity of its various uses relative to rock mechanical behaviour or rock properties. At a macroscopic scale, thermodynamics provides a powerful tool to investigate this. Reversible or irreversible thermodynamics provide general relationships of great interest. But because real rocks are non homogeneous systems, a microscopic approach is also required in order to analyze the mechanical properties from a description of the small scale processes. The microscopic approach is complementary of the macroscopic thermodynamic one as it leads to the calculation of the effective properties of the medium. In this last approach, effective medium theory is a powerful tool. The effective properties as derived from the microscale can be nicely combined to thermodynamic relations to interpret pore fluid pressure effects and scale effects. The example of elastic properties of porous rocks is more specifically emphasized to illustrate this because of both its intrinsic interest and importance as far as applications are concerned. La pression de pore joue un rôle de première importance dans la considération des propriétés mécaniques des roches. Dans ce domaine, le concept de contrainte effective est essentiel pour aborder les effets mécaniques. Toutefois, son utilisation fréquente a conduit à de nombreuses affirmations trompeuses. Compte tenu des significations diverses accordées à ce concept, nous tentons ici de le clarifier et examinons le domaine d'application de ses divers emplois dans le cadre du comportement mécanique ou des propriétés des roches. À l'échelle macroscopique, la thermodynamique offre un outil puissant pour cerner ce concept. La thermodynamique des processus réversibles ou irréversibles fournit des relations générales d'un intérêt majeur. Mais, compte tenu du fait que les roches sont des systèmes non homogènes, une approche microscopique est nécessaire pour analyser les propriétés mécaniques à partir d'une description des phénomènes à petite échelle. L'approche microscopique est complémentaire de l'approche macroscopique thermodynamique, elle conduit au calcul des propriétés effectives du milieu. Dans ce cadre, la théorie des milieux effectifs est un outil puissant. Les propriétés effectives déduites de l'analyse à l'échelle microscopique peuvent être combinées aux relations issues de la thermodynamique pour interpréter les effets de la pression de pore et les effets d'échelle. Le cas des propriétés élastiques des roches poreuses est plus particulièrement traité à titre d'illustration, compte tenu de l'intérêt qu'il présente et de son importance du point de vue des applications.