Brevet FR2004526A1 — publié le 19691128

La présente invention concerne un système de mesure des venues d'eau dans les puits de pétrole en production et, plus particulièrement, un tel système comportant l'emploi d'une source de particules nucléaires accélérées. Il est souvent désirable d'établir une diagraphie des venues d'eau dans un puits en production, c'est-à-dire de déterminer le débit de ces venues d'eau en tous les points de la profondeur du puits. Une telle diagraphie peut être obtenue par mesure de la vitesse linéaire du déplacement de lVeau et du rapport du volume de l'eau à celui du pétrole et des gaz en des points régulièrement espacés sur la profondeur du puits, à condition que le diamètre de celui-ci soit connu en chacun de ces points. La connaissance du rapport du volume de l'eau au volume du mélange de pétrole et de gaz et celle du diamètre du puits permettent de calculer le volume d'eau présent par mètre de profondeur du puits, le reste du volume du puits étant occupé par le pétrole par les gaz. le débit d'eau en volume est ensuite obtenu en multipliant le volume de l'eau présente par mètre de profondeur du puits par sa vitesse linéaire. le débit d'eau pénétrant dans le puits dans une zone située à une profondeur donnée est égal au débit d'eau mesuré dans cette zone diminué de celui mesuré dans la zone immédiatement inférieur. La mesure en des zones régulièrement espacées sur la profondeur du puits de la vitesse linéaire de déplacement de l'eau et du rapport du volume de l'eau à celui du mélange de pétrole et de gaz permet d'établir la diagraphie désirée. L'un des procédés utilisés pour la mesure de la vitesse de déplacement de l'eau dans un puits en production est basé sur l'emploi de l'oxygène activé. L'appareil de mesure utilisé comporte une source de neutrons radioactifs, source au deutériumtritium par exemple, et un détecteur placé à une distance convenable au-dessus de cette source. L'appareil est descendu dans le puits à la profondeur à laquelle les mesures doivent être faites et la source de neutrons est mise sous tension en vue d'activer l'oxygène entourant cette source dans le puits. La réaction de cet oxygène avec les neutrons de 14 MeV s'effectue suivant la relation 016(n, p)N16. La période de l'azote 16 radioactif ainsi obtenu est de 7,3 seoondes.Ce radio-isotope, qui émet des rayons gamma d'une énergie de 6 MeV, est créé par "activation" de l'oxy- gène. Par suite, cet N16 sera désigné dans la suite du présent exposé 11oxygène activé". Cet oxygène activé (cses-F'-à-dire cet azote 16) s'écoule en direction du détecteur qui en effectue la mesure. Après que cette mesure a été effectuée, la source de neutrons est mise hors tension et on mesure le temps nécessaire pour que tout l'oxygène activé produit ait atteint le détecteur. Ce temps est celui nécessaire à l'oxygène activé pour effectuer son trajet entre la source de neutrons et le détecteur. La distance séparant cette source et ce détecteur étant connue, on en déduit la vitesse linéaire du déplacement de l'eau dans le puits à la profondeur à laquelle l'appareil a été placé. L'intensité de la radiation détectée est proportionnelle à la puissance de la source de neutrons et à la proportion d'eau contenue dans le mélange de fluides en mouvement dans le puits. Si le diamètre de ce puits est connu, il est ainsi possible de déterminer à la fois le débit et la vitesse de l'eau en mouvement. Mais, si, comme c'est souvent le cas, le diamètre du puits au point de mesure n'est pas connu, le débit de l'eau circulant ne peut pas être déterminé par ce procédé.Or, c'est précisément ce débit que l'on désire connaître, et, par suite, les procédés antérieurs ne permettent pas de l'obtenir. Le procédé de l'invention permet d'effectuer cette mesure. L'appareil de la présente invention permet de faire varier le temps nécessaire au mélange de fluides circulant dans le puits pour franchir l'intervalle séparant la source de particules radioactives du détecteur, ces variations permettant la détermination quantitative du débit passant. Les variationyde ce temps sont obtenues au moyen d'un sac dilatable porté par l'appareil de mesure entre la source radioactive et le détecteur. Le temps de transit de l'oxygène activé peut être réduit dans une proportion déterminée par introduction dans ce sac dilatable d'une quantité de liquide mesurée avec précision. Il s'ensuit une réduction dans une proportion connue du volume du puits compris entre la source et le détecteur, et, par suite, une diminution du temps nécessaire aux fluides circulant pour franchir la distance séparant cette source du détecteur.De la sorte, la mesure de la quantité d'oxygène activé peut tre effectuée pour des débits de fluides différents et une mesure quantitative de ces débits peut eAtre obtenue quelles que soient les variations du diamètre du puits. La diagraphie désirée seob > -ient en effectuant cen mesures en des zones régulibrement espacées sur la profon deur du puits. Par suite, l'un des objets de la présente invention est un système perfectionné permettant l'établissement d'une diagraphie des venues d'eau dans un puits de pétrole en production. Un autre objet de la présente invention est un système perfectionne de mesure du débit de l'eau et dù rapport du volume de cette eau à celui du pétrole et des gaz à une profondeur donnée dans un puits de pétrole èn production. Un autre objet de l'invention est un dispositif permettant de faire varier sélectivement dans un puits de pétrole en production le temps nécessaire aux fluides circulant dans le puits pour franchir la distance séparant une source radioactive et un détecteur de radiations. Un autre objet de l'invention est un système permettant d'obtenir une diagraphie des venues d'eau dans un puits de pétrole en production pour des débits largement différents. Un autre objet de l'invention est un instrument de mesure perfectionné permettant d'établir une diagraphie des venues d'eau dans un puits de pétrole en production. La description qui va suivre, et les dessins annexés donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment la présente invention peut être réalisée. Sur les dessins annexés la figure 1 représente schématiquement le système de diagraphie de la présente invention; la figure 2 représente l'instrument de mesure de l'invention, et la figure 3 représente un autre mode de réalisation de cet instrument. La figure 1 représente en coupe verticale une partie des couches supérieures d'un sol 11 percé d'un puits, ou d'un sondage, 3 dans lequel est placé un instrument de mesure 15 pouvant être déplacé en direction verticale. Cet instrument 15 est suspendu sur l'extrémité d'un câble 17 qui renferme les conducteurs électriques nécessaires pour établir les connexions voulues avec les éléments de cet instrument placés en surface. Le cabale 17 s'enroule sur un tambour 19 placé en surfacé audessus de l'orifice du sondage. La rotation dans un sens ou dans l'autre du tambour 19 permet de faire descendre ou de faire remonter dans le trou de sonde l'instrument de mesure 15. le tam bour 19 est mis en rotation pantin moteur 21 lorsqu'on désire faire descendre ou faire remonter l'instrument de mesure 15. Le cable 17 passe sur un diabolo de mesure 20 qui tourne lorsque la position de l'instrument 15 dans le trou de sonde est modifiée. La grandeur et le sens des rotations du diabolo 20 sont détectées par un indicateur 22 qui donne une mesure de la profondeur à laquelle l'instrument de mesure 15 se trouve dans le puits. Ainsi qu'on le voit sur la figure 2 qui représente en coupe et avec plus de détails l'instrument de mesure 15, cet instrument comporte une enveloppe cylindrique 23 dans laquelle estiogée une source de neutrons 25. De préférence, cette source 25 est du type deutérium-tritium, ou "D-g", qui émet des neutrons de 14 MeV. Une telle source "D-g" est décrite dans le Brevet des E.U.Â. Â.H. Youmans nO 2.689.918. Un détecteur de rayons gamma 27, logé dans l'enveloppe 23 à distance et au-dessus de la source de neutrons 25, émet des impulsions de sortie dont l'amplitude correspond à l'énergie des rayons gamma incidents.Ce détecteur 27 est placé à une distance d'au moins 5,20 à 1,80 mètre au-dessus de la source de neutrons 25, de sorte qu'il n'est pas atteint par les rayons gamma parasites pouvant provenir du bombardement par les neutrons de la source 25 des couches minérales traversées par le trou de sonde. Un deuxième détecteur de rayons gamma 29, placé à 1,20 à 1,80 m au-dessous de la source 25, émet de mdme des impulsions de sortie dont l'am- plitude correspond à énergie des rayons gamma incidents. Les détecteurs 27 et 29 peuvent eatre des détecteurs de scintillations tels que ceux utilisés dans le système de diagraphie nn- cléaire décrit dans le Brevet des E.U.A.A.H. YOUBrLANS nO 3.2570557. Entre le détecteur 27 et la source 25, l'enveloppe 23 de l'instrument 15 est entourée par un sac dilatable 31 formant sur cette enveloppe en 33 et 35 des oints hermétiques aux fluides. Une pompe volumétrique 36 logée dans l'enveloppe 23 est munie d'une tubulure qui traverse la paroi de cette envelippe et débouche à l'intérieur du sac 31, et d'une tubulure 39 qui traverse aussi cette paroi et débouche dans le trou de sonde à l'extérieur du sac 31. Cette pompe 36 est mise en rotation par un moteur 41 dont la rotation est commandée par un servo-mécanisme 43 placé en surface et relié au moteur 41 par le câble 17. La pompe volumétrique 36 actionnée par le moteur 41 pompe du liquide dans le trou de sonde par sa tubulure 39 et le refoule dans le sac dilatable 31 par sa tubulure 370 Le servomécanisme 43 permet de régler en surface et avec précision le nombre des tours effectués par le moteur 41 et, par suite, le volume du liquide refoulé dans le sac 31 par la pompe 36 peut être prédéterminé en surface et avec précision. Les impulsions émises par le détecteur 27 en réponse aux radiations gamma qu'il reçoit sont envoyées par un conducteur électrique contenu dans le câble 17 dans un discriminateur 45 qui élimine celles dont l'amplitude est inférieure à une valeur prédéterminée. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, l'amplitude des impulsions émises par le détecteur 27 est proportionnelle à l'énergie des rayons gamma qui les ont provoquées. L'oxygène contenu dans les fluides en circulation dans le trou de sonde, lorsqu'il est irradié par des neutrons de 14 MeV est "activé", c'est-à-dire rendu radioactifs Cette transformation s'effectue suivant la réaction 016(n,p)N16, dans laquelle N16 est l'azote 16 radioactif dont la période est de 7,3 secondes et qui émet des rayons gamma ayant une énergie d'environ 6 MeV. La quantité d'oxygène ainsi activé peut être déterminée sans ambiguité par détection de cette radiation de particules de 6 MeV. Le discriminateur 45 est réglé de façon à laisser passer celles des impulsions qu'il reçoit dont l'amplitude indique qu'elles ont été émises par le détecteur en réponse à la réception de rayons gamma d'une énergie de 6 MeV. Les impulsions dont l'amplitude est nettement plus faible sont arrêtées par ce discriminateur. Les impulsions correspondant à ladite radiation gamma de 6 MeV sont envoyées dans un compteur 47 qui donne une mesure de la cadence à laquelle ces impulsions sont émises, et, par suite, une mesure au voisinage du détecteur 27 de l'intensité de la radiation gamma provoquée par l'activation de l'oxygène. Les impulsions émises par le détecteur 29 sont aussi transmises en surface par le câble 17 et envoyées dans un discriminateur 49 qui est lui aussi réglé pour laisser passer les impulsions provoquées par ladite radiation gamma de 6 MeV. Ces impulsions sont envoyées dans un compteur 51 qui mesure l'activation de l'oxygène au niveau du détecteur 29. Les mesures s'effectuent de la façon suivante. Le tambour 19 est mis en rotation par le moteur 21 jusqu'à ce que l'instrument de mesure 15 ait atteint la profondeur à laquelle les mesures doivent être effectuées. La source de neutrons 25 est ensuite mise BOUS tension au moyen aiun dispositif de commande 53 placé en surface et relié à cette source par le câble 17o Lorsqu'il s'agit d'un puits en production, les fluides circulent dans le trou de sonde d'un mouvement ascendant en direction de la surface du sol.Les neutrons émis par la source 25 activent selon la réaction 016(n,p)N16 une partie de l'oxygène contenu dans le mélange de fluides passant autour de cette source0 Le fluide activé, emmenant avec lui l'azote 16 radioactif ainsi produit, émet des rayons gamma d'une énergie de 6 MeVW et lorsque de fluide activé atteint le voisinage du détecteur 27, celui-ci détecte cette radiation gamma et émet des impulsions de sortie dont l'amplitude correspond à l'énergie des rayons gamma qui le frappent. Ces impulsions sont envoyées dans le discriminateur 45 qui ne laisse passer que celles dont l'amplitude correspond à une énergie de radiations de 6 MeV.Les impulsions transmises par ce discriminateur sont envoyées dans le compteur 47 qui indique la fréquence des impulsions qu'il re çoit et, par suite, l'intensité de la radiation gamma provoquée par l'oxygène activé à hauteur du détecteur 27. La source de neutrons 25 est laissée sous tension jusqu'à ce que la valeur de l'activation de l'oxygène à hauteur du détecteur 27 se soit stabilisée. Cette valeur de stabilisation est notée, et la source de neutrons est ensuite mise hors tension. Le temps s'écoulant entre l'instant où cette source a été mise hors tension et celui où les dernières particules d'oxygène activé ont dépassé le détecteur 27 est mesuré et noté. Cette mesure du temps nécessaire à l'oxygène activé pour franchir la distance séparant la source 25 du détecteur 27 constitue une mesure de la vitesse linéaire de l'eau circulant dans le trou de sonde. Si cette vitesse est si réduite que le temps nécessaire à l'oxygène activé pour franchir la distance séparant la source 25 du détecteur 27 est égal à plusieurs fois la période de l'oxygène active, le dispositif décrit ne permet pas d'effectuer les mesures désirées. Dans ce cas, le dispositif de commande 43 de la pompe est actionné de façon que le moteur 41 fasse transférer par la pompe volumétrique 36 du trou de sonde 13 dans le sac dilatable 31 un volume de liquide prédéterminé. La pompe 36 étant volumétrique, le servo-mécanisme 43 peut être actionné de façon que le volume de liquide introduit dans le sac 31 par cette pompe soit connu avec précision.Cette introduction de liquide dans le sac 31 réduit la durée du déplacement des fluides entre la source 25 et le détecteur 27 d'un temps égal au résultat de la division du volume de liquide introduit dans le sac 31 par le débit passant. Par exemple, si ce débit est de 10 litres par minute et que la pompe ait introduit 20 litres de liquide dans le sac 31, le temps de transit des fluides entre la source 25 et le détecteur 27 est réduit de deux minutes. les explications qui suivent feront mieux comprendre l'utilisation du procédé décrit. Le débit en volume R peut être exprimé par la relation R = V m dans laquelle V est le volume des fluides contenu dans le trou de sonde entre le détecteur 27 et la source 25 et T1 est le temps nécessaire à ce volume de fluides pour passer autour du détecteur 27. Lorsque le sac dilatable 31 reçoit un volume de liquide Vb X un volume de liquide égal est extrait du trou de sonde. Si la vitesse de déplacement des fluides dans le trou de sonde demeure la même, le temps nécessaire au volume de fluides ainsi réduit pour passer autour du détecteur est diminué en conséquence. La relation ci-dessus devient alors T2 étant le temps nécessaire audit volume de fluides réduit pour passer autour du détecteur. Si le débit est le même dans les deux cas, on a d'où Ces relations permettent de déterminer le débit passant R et le volume V du trou de sonde. D'après ce volume V, qui est égal au volume du trou de sonde entre la source et le détecteur, il est évidemment facile de calculer le diamètre du trou de sonde, ce diamètre constituant un autre paramètre utile à connaStre. Le détecteur 29 placé sous la source de neutrons a pour rôle, en coopération avec le discriminateur 49 et le compteur 51, de détecter, le cas échéant, l'oxygène activé per l'action de la source 25 et qui aurait pu atteindre d'un mouvement descendant le détecteur 27. Une telle circulation descendante à partir de la source 25 conduirait évidemment à une interprétation-diffé- rente des résultats des mesures. Lorsqu'on désire établir une diagraphie des venues d'eau dans le puits, l'instrument de mesure 15 est successivement mis à l'aide du tambour 19 à des profondeurs régulièrement espacées dans le puits, et les mesures décrites plus haut sont effectuées à chacune de ces profondeurs. Le volume de liquide introduit dans le sac 31 peut être augmenté à mesure que des débits de plus en plus faibles sont constatés au cours de ces opérations, de sorteQue ces mesures peuvent titre effectuées sur toute la profondeur du puits. La figure 3 représente un appareil 15' qui constitue un autre mode de réalisation de l'instrument de mesure de l'invention permettant de modifier le volume des fluides contenus dans le trou de sonde entre la source et le détecteur, cet appareil 15' comportant deux détecteurs de rayons gamma 60 et 61 placés du même côté d'une source de neutrons 62. L'appareil 15' comporte une pattie 63 non déformable et d'un volume connu, dont le diamètre est plus grand que celui du reste de l'appareil et qui diminue le volume des fluides contenus dans le trou de sonde entre la source 62 et le détecteur 60 par rapport à celui cpntenu entre les détecteurs 60 et 61.Cet appareil permet de mesurer la vitesse de déplacement des fluides presque simultanément en deux points différents du trou de sonde. les débits passants sont les mêmes en ces deux points, c'est-à-dire au droit de chacun des deux détecteurs supérieurs, mais les vitesses des fluides en ces deux points sont différentes pour les mimes raisons que celles indiquées avec référence à l'appareil 15 comportant un sac dilatable. Le diamètre de la partie 63 de l'appareil peut être choisi en fonction de celui de chaque trou de sonde de façon à obtenir la précision maximale dans la mesure des vitesses d'écoulement. On notera que dans l'appareil de la figure 3 les mesures s'effectuent sans qu'il soit nécessaire, comme dans celui de la figure 2, d'employer une pompe volumétrique et un sac dilatable. Un troisième détecteur de rayons gamma 649 placé audessous de la source de neutrons 62, remplit le m8me roAle que le détecteur 29 de la figure 2. Bien que la prise des mesures telle qu'elle a été décrite ci-dessus s'effectue normalement alors que l'instrument de mesure de l'invention est maintenu immobile dans le trou de sonde, des diagraphies peuvent être aussi obtenues en faisant déplacer cet instrument d'un mouvement ascendant continu à l'intérieur du trou de sonde, à condition que sa vitesse de déplacement soit moindre que la vitesse d'écoulement des fluides dans le trou de sonde. lorsqu'une diagraphie est effectuée dans ces conditions, les débits réels sont obtenus en ajoutant aux débits mesurés à la façon décrite plus haut un volume égal à celui de la longueur du trou de sonde parcouru par l'instrument de mesure dans l'unité de temps. Dans le cas d'eaux très salines, la détection de l'oxy- gène activé est remplacée par celle du sodium et du chlore activés, laquelle s'effectue de façon similaire. Si les débits des fluides dans les trous de sonde sont trop faibles pour que le procédé par activation de l'oxygène soit utilisé, cette activation peut être remplacée par celle d'autres matières contenues dans les fluides circulant dans le trou de sonde. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. - REVENDICATIONS - n - ppaxeillage pour la mesure des venues d'eau dans un puits en production, cet appareillage comprenant : un un instru- ment de mesure pouvant être déplacé à l'intérieur d'un trou de sonde; une source radioactive logée dans cet instrument; un détecteur de radiations logé dans cet instrument au-dessus de ladite source radioactive; et un dispositif monté sur cet ins- srument et permettant de faire varier le volume des fluides circulant dans le trou de sonde entre ladite source et ledit détecteur. 2 - Appareillage selon le revendication 1 dans lequel le dispositif permettant de faire varier le volume du fluide à l'intérieur du trou de sonde comporte un dispositif placé en surface et permettant de régler la valeur de cette modification de vo luee. 3 - Appareillage selon la revendication 2 dans lequel le dispositif permettant de faire varier le volume des fluides dans le trou de sonde comprend un sac dilatable monté sur l'ins trument entre ladite source et ledit détecteur. 4 - Appareillage selon la revendication 7 dans lequel le dispositif permettant de faire varier le volume des fluides dans le trou de sonde comprend une pompe volumétrique refoulant du fluide dans le sac dilatable. 5 - Appareillage selon la revendication 3 dont linstru- ment de mesure comporte une enveloppe dans laquelle sont logés ladite source et ledit détecteur, le sac dilatable entourant cette enveloppe et étant rattaché sur elle par des Joints herm6- tiques aux fluides. 6 - Âppareillage selon la revendication I et comportant un deuxième détecteur de radiations logé dans l'instrument de mesure au-dessous de ladite source radioactive. 7 - Appareillage pour la mesure des venues d'eau dans un puits en production, cet appareillage comportant : un instrument de mesure pouvant autre déplacé à l'intérieur du puits; une source radioactive logée dans cet instrument; un premier détecteur de radiations logé dans cet instrument au-dessus de ladite source radioactive deuxième détecteur de radiations logé dans cet instrument au-dessus da premier détecteur, et des dispositifs extérieurs à cet instrument et permettant zende faire varier le vo- lume des fluides contenus & llntCieur du puits entre ladite source et ledit premier détecteur et de façon que cette variation de volume soit égale à une fraction prédéterminée du volume des fluides contenus dans le puits entre premier détecteur de radiations et le deuxième. 8 - Appareillage selon la revendication 7 et comportant un troisième détecteur de radiations logé dans l'instrument de mesure au-dessous de ladite source radioactive. - - Procédé de mesure d'un débit volumétrique en un point d'un trou de sonde, ce procédé comportant les opérations suivantes : mesure du temps nécessaire à un volume de fluidevégal à celui compris dans le trou de sonde entre le niveau d'une source radioactive et le niveau d'un détecteur de radiations pour passer en un point du trou de sonde; modification dans une proportion prédéterminée du volume de fluide contenus dans le trou de sonde entre ladite source et ledit détecteur; et mesure du temps nécessaire à ce volume ainsi modifié pour passer audit point du trou de sonde, la différence de volume créée et la mesure des temps de passage fournissantine mesure du débit passant par la relation relation dans laquelle R est le débit passant, V est la différence des volumes, T1 est le temps mesuré à l'origine et T2 est le temps mesuré après modification dudit volume. 10 - Procédé selon la revendication 9 dans lequel ladite modification de volume est obtenue par dilatation d'un sac placé dans le trou de sonde entre ladite source et ledit détecteur. Il - Procédé selon la revendication 10 dans lequel chacune des opérations de mesure de temps comporte la détection de particules d'oxygène activé en mouvement entre ladite source et ledit détecteur. 12 - Appareillage pour la mesure des venues d'eau dans un puits en production, cet appareillage comportant : un instru ment de mesure pouvant être-déplacé dans ce puits; une source radioactive logée dans cet instrument; un détecteur de radiations logé dans cet instrument au-dessus de ladite source radioactive; et des dispositifs montés sur cet instrument et permettant de diminuer le volume des fluides contenus dans le puits entre ladite source et ledit détecteur0 13 - Appareillage selon la revendication 12 dans lequel le dispositif réduisant le volume des fluides contenus dans le puits comprend un sac dilatable placé à l'extérieur de l'enve- loppe de l'instrument de mesure entre ladite source et ledit détecteur. 14 - Appareillage selon la revendication 12 dans lequel le dispositif réduisant le volume des fluides contenus dans le puits est constitué par une partie extérieure de l1instrument, placée entre ladite source et ledit détecteur et dont le diamètre, fixe, est plus grand que celui des autres parties dudit instrument0