Brevet FR2168850A1 — publié le 19730907

La présente invention concerne des perfectionnements aux techniques de mesure, par rayonnement gamma, de la densité des formations géologiques traversées par un puits de forage. Elle a plus particulièrement pour objet un procédé et un dispositif de correction des effets dus à ra présence de barite dans le puits sur les mesures de densité qui y sont effectuées. On sait que les mesures de densité dans les puits de forage sont réalisées au moyen d'ur. outil qui comporte une source de rayonnement gamma et un détecteur de ce rayonnement placé à environ 40 cm de la source. Les rayons emis par cette dernière perdent leur énergie dans la formation géologique adjacente principalement par collision avec les éiectrons et une partie d t entre eux reviennent sur le détecteur dont le taux de comptage est ainsi d'autant plus faible que le nombre d'électrons par unité de volume dans la formation est élevé. La densité de celle-ci, qui est naturellement liée au nombre d'électrons, peut être ainsi déduite de ce taux de comptage.On a représenté sur la figure 1, pour trcis valeurs croissantes dl, d2 et d3 de la densité, le spectre d'énergie, en coordonnées semi-logarithmiques, des rayons gamma tombant sur le détecteur, c'est-à-dire la courbe donnant le logarithme de la probabilité N(E) de recueillir un rayon d'énergie E, en fonction de cette énergie. I1 apparat sur cette figure qu'au-dessous d'un seuil E0 (d'environ 250 KeV), les variations de la densité se traduisent à la fois par des déformations du spectre et par des variations de son amplitude.Par contre, au-dessus de ce seuil, la forme du spectre n'est pas affectée par les variations de la densité, lesquelles se traduisent essentiellement par une translation suivant l'axe des ordonnées; cette translation se fait dans le sens d'une élévation du spectre lorsque la densité diminue et dans le sens d'un abaissement du spectre lorsque la densité augmente. Ainsi, le nombre de rayons gamma d'énergie supérieure au seuil E ,qui sont o diffusées par la formation, est représentatif de la densité de celle-ci mais, quelle qu'en soit la valeur, ces rayons conservent la même distribution énergétique. Dans ces conditions, on ne prend en compte à la sortie du détecteur, que les impulsions d'amplitude supérieure à un seuil A correspondant à des rayons o gamma détectés d'énergie supérieure à E . Les variations du taux de comptage o enregistré sont alors essentiellement représentatives des variations de densité. Plus précisément, ce taux de comptage est une fonction exponentielle décroissante de la densité. tiénéralement, on utilise un détecteur auxiliaire de rayonnement disposé entre le détecteur principal et la source, environ à 20 cm de celle-ci, et qui sert à corriger la mesure fournie par le détecteur principal. En effet, les rayons gamma qui atteignent le détecteur le plus éloigné de la source ont généralement pénétré dans la formation plus profondément que les rayons gamma atteignant le détecteur le plus proche de ladite source, de telle sorte que la mesure fournie par ce dernier est davantage influencée par un contact imparfait entre l'outil et la formation. Cette mesure est donc utilisée pour corriger la mesure fournie par le détecteur principal. On sait, par ailleurs, qu'il est fréquent, lors du forage d'un puits, d'ajuster la densité de la boue de forage en modifiant sa teneur en barite. De ce fait, le gâteau de boue déposé sur les parois du puits possède une teneur en barite variable, ce qui a pour conséquence de fausser de façon notable les mesures de densité fournies par les outils décrits ci-dessus. On voit en effet, sur la figure 2, que la forme du spectre d'énergie des rayons gamma tombant sur le détecteur principal (c'est-à-dire de la courbe qui donne la probabilité N(E) de détecter un rayon gamma d'énergie E, en fonction de cette énergie) dépend de la teneur en barite du gâteau de boue. Plus précisément, il apparaît que la barite a pour effet, en raison de sa forte section efficace d'absorption pour les rayons gamma de faible énergie, de provoquer une déformation du spectre, peu sensible aux fortes énergies, mais très marquée aux faibles énergies et que cette déformation est d'autant plus importante que la teneur en barite est élevée.Dans ces conditions, comme seules sont prises en compte les impulsions de sortie du détecteur principal qui correspondent à des rayons gamma d'énergie supérieure au seuil E0, on voit qu'une augmentation de la teneur en barite fait baisser le taux de comptage enregistré et qu'une diminution de cette teneur le faitaugmenter; la valeur de la densité déduite de ce taux de comptage est donc faussée. Or, cette erreur ne peut être corrigée par la mesure fournie par le détecteur auxiliaire car celui-ci travaille essentiellement dans la partie du spectre correspondant aux fortes énergies, laquelle n'est pratiquement pas influencée par la barite. La présente invention concerne une technique de correction permettant d'enregistrer, à la sortie du détecteur principal de l'outil de mesure de densité, un taux de comptage pratiquement indépendant de la quantité de barite présente dans le forage. De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de correction des effets dus aux variations de la teneur en barite du gâteau de boue sur le détecteur principal d'un outil de mesure, par rayonnement gamma, de la densité des formations géologiques traversées par un forage, détecteur dont seules sont prises en compte les impulsions de sortie d'amplitude supérieure à un seuil, ledit procédé étant remarquable en ce qu'on détermine les déformations, provoquées par les variations de la teneur en barite, de la partie du spectre d'amplitude des impulsions du détecter située au-dessus du seuil et on modifie ledit seui] de manière à compenser, par la variation du nombre d'impulsions prises en compte qui résulte de cette TrOdification, la variation du nombre d'impulsions prises en compte qui résulte desdites déformations. Deux solutions sont proposées, dans l'wnventior., pour déterminer les déformationF,urovoquées Far la barite, de ia partie du spectre située au-dessus du seuil, ci-après désignée partie utile du spectre. Ces deux solutions sont illustrées par les figures 5 et 4 sur lesquelles on a représenté le spectre d'amplitude des impulsions de sortie du détecteur principal (définissant la probabilité N(A) d'obtention d'une impulsion d'amplitude A, en fonction de cette amplitude). La partie utile du spectre est la partie hachurée, correspondant aux amplitudes supérieures au seuil S. Conformément à ia première solution, illustrée par la figure 5, les déformations, provoquées par la baryte, de la partie utile du spectre, sont déterminées en mesurant les variations de l'amplItude moyenne AM des impulsions recueillies, d'amplitude supérieure à S, cette amplitude moyenne étant définie par la relation classique Dans ce cas, la correction des effets dus à la barite est réalisée en agissant sur la valeur du seuil de façon à maintenir l'amplitude moyenne mesurée A M des impulsions de la partie utile du spectre à une valeur de référence A Mo qui représente l'amplitude moyenne de ces impulsions pour un spectre choisi comme référence, correspondant à une teneur nulle en barite. Conformément à la deuxième solution, illustrée par la figure 4, les déformations provoquées par la barite, de la partie utile du spectre, sont déterminées en mesurant les variations de l'amplitude médiane A des impulsions m recueillies d'amplitude supérieure à S, cette amplitude médiane étant définie comme l'amplitude qui divise la partie utile du spectre en deux parties de surfaces égales. Dans ce cas, la correction des effets dus à la barite est réalisée en agissant sur ia valeur du seuil S de façon à maintenir l'égalité entre le nombre N1 d impulsions recueillies d'amplitude comprise entre le seuil S et une valeur de référence Amo gui représente l'amplitude médiane des impulsions de a partie utile du spectre, pour un spectre choisi comme référence ecrresponcart à une teneur nulle er. barite, et le nombre N2 d'impulsions recueillies d'ampitude supérieure à Amo. Suivant l'invention, un dispositif destiné à la mise en oeuvre de la première des solutions proposées comporte un comparateur de tension dont une entrée est reliée à la sortie du détecteur, un monostable connecté à la sortie dudit comparateurs une porte dont l'entrée est reliée, par une ligne à retard, à la sortie dudit détecteur et dont l'entrée de commande est connectée à la sortie dudit monostable, un circuit, également connecté à la sortie du monostable, qui est susceptible de produire des impulsions calibrées de charge égale et opposée à celle d'une impulsion du détecteur ayant une amplitude AMo, et un amplificateur-intégrateur dont l'entrée est connectée à la fois à la sortie de ladite porte et à la sortie dudit circuit, et la sortie à l'autre entrée du comparateur. Suivant l'invention, un dispositif destiné à la mise en oeuvre de la deuxième solution proposée comporte un premier comparateur de tension dont une -entrée est reliée à la sortie du détecteur, un deuxième comparateur de tension, ayant pour référence l'amplitude Amo, également relié à la sortie du détecteur, une logique connectée aux sorties de ces deux comparateurs et adaptée à produire un signal à deux états dont les durées respectives sont proportionnelles aux nombres N1/(N1 + N2) et Nv(N1 + N2), et un amplificateur-intégrateur 2 dont l'entrée est connectée à la sortie de ladite logique et la sortie à l'autre entrée du premier comparateur. D'autres caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, les deux formes de réalisation précitées d'un dispositif de correction des effets de la barite. Sur ces dessins - la figure 1 montre l'effet des variations de la densité sur le spectre des rayons gamma reçus par le détecteur principal d'un outil de mesure de densité, - la figure 2 montre l'effet de labarite sur ce spectre, - les figures 3 et 4 illustrent les deux solutions qui permettent, conformément à l'invention, de corriger les effets des variations de la teneur en barite, - les figures 5 et 6 représentent les deux modes de réalisation d'un dispositif suivant l'invention. Sur la figure 5, on a schématisé en 10 et 11 respectivement un photomultiplicateur et son scintillateur qui forment le détecteur principal d'un outil de mesure de la densité des formations géologiques traversées par un forage. La source haute tension d'alimentation du photomultiplicateur 10 est représentée en 12.Les impulsions de sortie du photcmultiplicateur, qui résultent de la détection des rayons gamma diffusés par la formation 13, sont tout d'abord amplifiéesen 14 avant d'être introduites dans un dispositif 15 qui, d'une part, commande la prise en compte par une échelle de comptage 16, des impulsions d'amplitude supérieure à un seuil S et, d'autre part, permet, selon la technique illustrée par la figure 3, la correction des effets sur le nombre d'impulsions prises en compte par l'échelle 16, des variations de la teneur en barite du gâteau de boue 17 qui sépare le détecteur de la formation 13. Dans le dispositif 15, les impulsions recueillies à la sortie de l'amplificateur 14 sont appliquées, en parallèle, d'une part à l'entrée d'une ligne à retard 18 suivie d'une porte 19, et d'autre part, à l'une des entrées d'un comparateur de tension 20, suivi d'un monostable 21. L'autre entrée du comparateur 20 est reliée à une source de tension 22 définissant l'amplitude seuil S. La sortie du monostable 21 est reliée à l'entrée de l'échelle de comptage 16, à l'entrée de commande de la porte 19 et à l'entrée d'un circuit 23 destiné à produire des impulsions calibrées de charge égale et opposée à celle d'une impulsion de sortie de l'amplificateur 14, ayant une amplitude AMo égale à l'amplitude moyenne, choisie comme référence,'des impulsions qui doivent être prises en compte par l'échelle 16.Avantageusement, cette amplitude de référence A Mo correspond à une teneur nulle en barite. L'impulsion de sortie du monostable 21 a pour effet, lorsqu'elle apparaît, d'ouvrir la porte 19, normalement bloquée, et lorsqu'elle disparatt, de déclencher le circuit 23, normalement au repos. La porte 19 et le circuit 23 ont leurs sorties réunies à l'entrée d'un amplificateur 24 qui fonctionne en intégrateur grâce à une boucle de réaction formée d'un condensateur 25 et d'une résistance 26 en paral ièle. La sortie de cet amplifieateur-intégrateur est reliée à la source 22 pour commander la valeur de la tension appliquée par celle-ci au comparateur 20. Ce dispositif fonctionne de la manière suivante. Les impulsions de sortie de l'amplificateur 14, qui ont une amplitude inférieure au seuil S, n'ont pas d'effet sur le comparateur 20. Le monostable 21 reste donc à son état de repos, de telle sorte que l'échelle de comptage 16 et l'amplificateur-intégrateur 24 ne reçoivent aucune impulsion. Par contre, lorsque le comparateur 20 reçoit une impulsion dont l'amplitude dépasse le seuil S, il délivre une impulsion qui fait basculer le monostable 21 à son état actif. Celui-ci fournit alors une impulsion à l'échelle 16 en même temps que l'ordre d'ouverture de la porte 19 qui autorise le passage vers l'amplificateur 24 de l'impulsion de sortie de l'amplificateur 14, responsable du basculement du comparateur et transmise par la ligne 18.Le retard imposé par cette dernière sert à garantir que l'ordre d'ouverture de la porte 19 précèdera toujours l'impulsion à laisser passer, quelle que soit l'amplitude de celle-ci. La retombée du monostable 21 à l'état de repos provoque, d'une part, la fermeture de la porte 19, et d'autre part, le déclenchement du circuit 23 qui applique alors son impulsion calibrée à l'entrée de l'amplificateur-intégrateur 24 où elle succède ainsi à l'impulsion de sortie de l'amplificateur 14. On voit ainsi que l'amplificateur-intégrateur 24 reçoit, chaque fois qu'apparalt à la sortie de l'amplificateur 14 une impulsion d'amplitude supérieure au seuil S, une première impulsion qui est cette impulsion même, puis une deuxième impulsion qui a une charge égale et opposée à celle d'une impulsion de sortie de l'amplificateur 14 ayant l'amplitude AMo. On dispose donc, à la sortie de l'amplificateur-intégrateur 24, d'un signal continu qui représente en permanence l'écart entre l'amplitude moyenne A M des impulsions de sortie de l'amplificateur 14 et l'amplitude moyenne de référence AMo Ce signal sert alors à agir par l'intermédiaire de la source de tension 22, sur la valeur du seuil S, pour annuler cet écart. On voit ainsi que les effets des déformations du spectre provoquées par les variations de la teneur en barite se trouvent automatiquement compensés par un ajustement du seuil de prise en compte des impulsions, destiné à maintenir à une valeur constante l'amplitude moyenne desdites impulsions. Sur la figure 6, on a représenté en 40 le dispositif qui peut être substitué au dispositif 15 de la figure 5 pour réaliser alors la correction des effets de la barite selon la technique illustrée par la figure4.Dans ce cas, les impulsions recueillies à la sortie de l'amplificateur 14 sont appliquées, en parallèle, à l'une des entrées d'un premier comparateur de tension 41 dont l'autre entrée est reliée à une source de tension 42 définissant l'amplitude seuil S, et à l'entrée d'un deuxième comparateur de tension 43 dont la référence A est l'amplitude médiane, choisie comme référence, des impulsions mo qui doivent être prises en compte par l'échelle 16. Avantageusement, cette amplitude de référence A correspond à une teneur nulle en barite. Ces deux mo comparateurs précèdent une logique 44 qui comporte essentiellement un circuit NON 45, une porte ET 46 et un bistable 47. Le comparateur 43 est relié à ltentme du circuit NON 45 ainsi qu'à l'entrée de mise à l'état O (entrée R) du bistable 47 alors que le comparateur 41 est relié à l'une des deux entrées de la porte ET 46, dont l'autre entrée est reliée à la sortie du circuit NON 45 et la sortie à l'entrée de mise à l'état 1 (entrée S) du bistable 47. La sortie de ce dernier est reliée à l'entrée d'un amplificateur 48 fonctionnant en intégrateur grâce à une boucle de réaction formée par un condensateur 49 et une résistance 50 en parallèle. Cet amplificateur-intégrateur est relié à la source 42 qui définit le seuil S. L'échelle de comptage 16 est connectée à la sortie du comparateur 41. Ce dispositif fonctionne de la manière suivante. On voit tout d'abord que les impulsions de sortie de l'amplificateur 14 ayant - une amplitude inférieure au seuil S sont sans effet sur les deux comparateurs 41 et 43; - une amplitude supérieure au seuil S mais inférieure à l'amplitude médiane Amo font basculer le comparateur 41, mais sont sans effet sur le comparateur 43; - une amplitude supérieure à l'amplitude médiane A déclenchent les mo deux comparateurs. Dans ces conditions, l'apparition à la sortie de l'amplificateur 14 d'une impulsion d'amplitude supérieure au seuil S mais inférieure à l'amplitude médiane A provoque l'ouverture de la porte ET 46 et la mise à l'état 1 du mo bistable 47. Par contre, l'apparition d'une impulsion d'amplitude supérieure à l'amplitude médiane Amo provoque la mise du bistable à l'état 0, la porte ET 46 se trouvant fermée par action du circuit NON 45 et n agissant donc pas sur 1 t entrée S. Ainsi, le bistable 47 occupera l'état 1 lorsque l'impulsion de sortie lificateur 14 aura une amplitude comprise entre S et Amo et l'état O lorsque l'impulsion aura une amplitude supérieure à A . Dans ces conditions, mo on obtient à la sortie de ce bistable un signal à deux états dont les durées respectives sont proportionnelles au nombre N1/(N1 + N2) d'impulsions d'ampli et compris entre S au A et au nombre tude comprise entre S et Amo et au nombre N/2(N1 + N2) d'impulsions d'amplitude supérieure à Amo. L'amplificateur 48 intègre ce signal et délivre donc un signal continu représentatif de l'écart entre N1 et N2 qui vient agir, par l'intermédiaire de la source 42, sur le seuil S de manière à annuler ledit écart. Ainsi, les effets des déformations du spectre provoquées par les variations de la teneur en barite se trouvent automatiquement compensées par un ajustement du seuil destiné à maintenir constante l'amplitude médiane des impulsions qui sont prises en compte. Naturellement, la technique suivant la présente invention ne peut assurer une correction valable des effets de la barite que si le gain du système de détection est maintenu constant. Cette stabilisation de gain peut être avantageusement réalisée en utilisant les techniques décrites dans les deux demandes de brevet déposées ce Jour au nom de la demanderesse, ayant pour titre "Procédé et dispositif de stabilisation du gain d'un photomultiplicateur" et "Procédé et dispositif de stabilisation du gain d'un détecteur de rayonnement". La première de ces demandes décrit une technique de stabilisation spécialement destinée à compenser les effets des variations transitoires de gain des photomultiplicateurs,qui résultent de brusques variations d'éclairement de leur photocathode, tandis que la deuxième de ces demandes déerit une technique destinée à compenser les variations lentes du gain, qui résultent principalement des variations de la température. REVENDICATIONS 1. Procédé de correction des effets dus aux variations de la teneur en barite du gateau de boue sur le détecteur principal d'un outil de mesure, par rayonnement gamma, de la densité des formations géologiques traversées par un forage, détecteur dont seules sont prises en compte les impulsions de sortie d'amplitude supérieure à un seuil S, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer les déformations, provoquées par les variations de la teneur en barite, de la partie du spectre d'amplitude des impulsions du détecteur, située au-dessus de seuil S, et à modifier ledit seuil de manière à compen ser, par la variation du nombre d'impulsions prises en compte qui résulte de cette modification, la variation du nombre d'impulsions prises en compte qui résulte desdites déformations. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les déformations de la partie du spectre d'amplitude des impulsions, située au-dessus du seuil S, sont déterminées par les variations, qui en résultent, de l'ampli tude moyenne A M desdites impulsions. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on mesure les écarts entre l'amplitude moyenne A M des impulsions recueillies d'amplitude supérieure au seuil S et une valeur de référence AMo représentant l'ampli tude moyenne de ces impulsions pour un spectre choisi comme référence. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les déformations de la partie du spectre d'amplitude des impulsions, située au-dessus du seuil S, sont déterminées par les variations, qui en résultent, de l'ampli tude médiane A desdites impulsions. m 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on mesure les écarts entre le nombre N1 d'impulsions recueillies d'amplitude comprise entre le seuil S et une valeur de référence A représentant l'amplitude mn médiane des impulsions de la partie du spectre située au-dessus du seuil S pour un spectre choisi comme référence et le nombre N2 d'impulsions recueil lies d'amplitude supérieure à A mo 6.Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur de tension dont une entrée est reliée à la sortie du détecteur, un monostable connecté à la sortie dudit comparateur, une porte dont l'entrée est reliée, par une ligne à retard, à la sortie dudit détecteur et dont l'entrée de commande est connec tée à la sortie dudit monostable, un circuit également connecté à la sortie du monostable, qui est susceptible de produire des impulsions calibrées de charge égale et opposée à eelle d'une impulsion du détecteur ayant une amplitude AMo > et un amplificateur-intégrateur dont l'entrée est connectée à la fois à la sortie de ladite porte et à la sortie dudit circuit et la sortie à l'autre entrée du comparateur. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu il comporte un premier comparateur de tension, dont une entrée est reliée à la sortie du détecteur, un deuxième comparateur de tension, ayant pour référence lfamplitude Amo > également relié à la sortie du détecteur, une logique connectée aux sorties de ces deux comparateurs et adaptée à produire un signal à deux états dont les durées respectives sont proportionnelles aux nombres N1/(N1+ N2) et N2/(N1 + N2), et un ampli ficateur-intégrateur dont l'entrée est connectée à la sortie de ladite logique et la sortie à l'autre entrée du premier comparateur. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite logique comporte un circuit NON, une porte ET et un bistable, le premier compara teur étant relié à une entrée de la porte ET dont l'autre entrée est reliée à la sortie du circuit NON et la sortie à l'une des entrées du bistable, et le deuxième comparateur étant relié à l'entrée du circuit NON ainsi qu'à l'autre entrée du bistable.