Brevet FR2207278A1 — publié le 19740614

La présente invention décrit une méthode et des dispositifs de mesure de la résistivité électrique des terrains entourant un tubage métallique placé dans un sondage. On ne dispose pas actuellement de moyens pour effectuer une telle mesure dont l'utilité serait pourtant incontestable, même avec une précision n'atteignant pas celle que l'on obtient lors de mesures effectuées dans un puits non tubé ou comportant un tubage en matière plastique constituant un isolant électrique. Une telle mesure permettrait, en effet, d'identifier la nature des fluides imprégnant des formations géologiques poreuses, particulièrement quand ces formations contiennent de l'eau douce qui est difficilement détectable par les méthodes modernes telles que celles basées sur la mesure d'un temps de relaxation neutronique ou sur une mesure du nombre de neutrons capturés par le chlore, c'est-à-dire dans les deux cas de la mesure de la teneur de la formation en noyaux de chlore, donc en chlorure de sodium. L'invention permet d'atteindre cet objectif en fournissant une méthode et des dispositifs de mesure de la résistivité électrique des-terrains entourant un tubage métallique placé dans un sondage, des exemples non limitatifs de réalisation de cette méthode et de ces dispositifs étant illustrés -par les figures annexées où - la figure 1 illustre schématiquement un premier type de sonde comportant un couple d'électrodes émettrices et deux couples d'électrodes de mesure, uti lisable pour la mise en oeuvre de l'invention, - la figure 1A illustre une variante dans laquelle la sonde comporte un seul couple d'électrodes de mesure et deux couples d'électrodes d'émission, - la figure 2 représente un circuit utilisable en combinaison avec l'une ou l'autre de ces sondes pour déterminer in situ la résistance électrique Rc du tubage d'acier du puits, au niveau de la sonde, - la figure 3 illustre un circuit permettant de déterminer l'épaisseur moyenne em du tubage au niveau de la sonde, à partir de la mesure de Rc, -'la figure 4 montre un circuit utilisable en combinaison avec l'une ou l'au tre des sondes illustrées par les figures 1 et 1A pour déterminer un coeffi cient a traduisant la déperdition d'un courant électrique dans le terrain au niveau de la sonde, - la figure 5 illustre schématiquement un autre type de sonde utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention, - la figure 6 représente un circuit utilisable en combinaison avec ce dernier type de sonde pour déterminer la résistance Rc du tubage au niveau de la sonde, - la figure 7 montre un circuit utilisable en combinaison avec la sonde illus trée sur la figure 5 pour déterminer le coefficient a, - la figure 8 illustre un ensemble de circuits permettant, à partir des va leurs de Rc et a, de déterminer la résistivité électrique Rt du terrain entourant le tubage au niveau de la sonde. La figure 1 illustre schématiquement, à titre d'exemple, un type de sonde utilisable pour mesurer in situ, dans un puits tubé, la résistance électrique moyenne R c du tubage d'acier par unité de longueur au niveau de la sonde et le coefficient a traduisant la dissipation par le terrain d'un courant électrique circulant le long d'un tubage, en fonction de la distance z au point d'émission mesurée parallèlement à l'axe du puits (l'intensité dans le tubage variant suivant une loi de la forme 1z = 1e aZ), d'où l'on déduit la résistivité électrique Rt du terrain derrière le tubage au niveau de la sonde, connaissant celle du tubage au même niveau. Cette loi rigoureuse pour un tubage infiniment long vers le haut et vers le bas donne une valeur approchée de Iz dans le cas où le tubage est de longueur limitée. La formule est d'autant plus précise que l'on est plus éloigné des extrémités, mais même au voisinage de celles-ci (quelques mètres) les erreurs ne dépassent pas quelques 7e s Cette sonde désignée par la référence 3 comprend deux électrodes A et B espacées verticalement l'une de l'autre, entre lesquelles on peut faire circuler le courant électrique le long du tubage C.Ces électrodes pourront être appliquées par tout moyen connu contre le tubage C, toutefois si le puits est empli d'un fluide conducteur de l'électricité, tel qu'une boue de forage conductrice ou de l'eau salée, le contact effectif entre les électrodes et le tubage C ne sera pas nécessaire. Deux couples d'électrodes de mesure M,N et K,L sont disposés entre les électrodes A et B, à des distances moyennes d et 2d de l'électrode A respectivement. L'électrode A est reliée électriquement à l'une des bornes (borne 1) du générateur E et un commutateur J permet de connecter la seconde borne (borne 2) de ce générateur soit à l'électrode B de la sonde soit à une électrode B' couplée avec le sol et située en surface à grande distance du puits (quelques centaines de mètres, par exemple). Dans une première étape de mes' ure, on fait circuler un courant électrique d'intensité 10 entre les électrodes A et B et on mesure par l'intermédiaire du cable 4, après préamplîfication en P, la différence de potentiel Vc apparaissant entre les électrodes M et L distantes d'une longueur b. Si Rc est la résistance électrique moyenne du tubage C par unité de longueur, dans l'intervalle séparant les électrodes M et L, on a Vc = b Ru in fo En effet, la conductance du terrain qui est en parallèle avec le tubage C est absolument négligeable par rapport à celle du tubage. Cette relation permet de déterminer la résistance linéaire moyenne Rc du tubage. Dans un tubage de 18 cm de diamètre et d'épaisseur moyenne 1 cm, Rc est de l'ordre de 45.10-6 #/m linéaire. Si la distance b entre les électrodes de mesure M et L est d'un mètre et que l'intensité 10 du courant alternatif produit par E est d'un Ampère (ce qui peut se faire avec un générateur E de faible puissance puisque l'impédance du tubage et celle des électrodes est faible), on détecte un signal Vc de 45 microvolts. Un tel signal peut etre aisément mesuré avec les appareils de détection dont on dispose actuellement. Le dispositif illustré par la figure 2 comporte à cet effet un circuit multiplicateur 5 qui reçoit un signal représentatif de la valeur lo de I'intensité du courant électrique et délivre un signal représentatif du produit bi Ce signal est appliqué à un circuit diviseur 6 qui reçoit par ailleurs un signal reprXsentatif de la différence de potentiel Vc mesurée et fournit un si- gnal représentatif de la valeur de Vc bIo c'est-à-dire de la résistance moyenne R c du tubage C par unité de longueur, en tre les électrodes M et L de la sonde. A partir de cette valeur de Rc on peut, si on le désire, évaluer l'é- paisseur moyenne du tubage C entre les électrodes M et L (cette épaisseur est fonction du degré de corrosion du tubage), puisque la valeur de la résistance Rc est pratiquement celle de la partie non corrodée du tubage (la conductance de la couche oxydée étant négligeable par rapport à celle de l'acier). Un circuit multiplicateur 8 (figure 3) recevant le signal Rc sortant du circuit 6 de la figure 2 et un signal représentatif du produit 2 nrm fourni par un circuit 7 (rm est le rayon moyen du tubage C) délivre un signal repré sentatif du produit 2 urm R,. Ce signal est appliqué à un circuit diviseur 9 qui reçoit par ailleurs un signal b représentatif de la résistivité de l'acier constituant le tubage (exprimée par exemple en Ohms.m2/m, em et rm étant alors exprimés en mètres et Rc en Ohm/m). Le circuit diviseur fournit alors un signal représentatif de l'épaisseur moyenne du tubage C au droit de la sonde. Dans une seconde étape de mesure, on fait circuler un courant électrique entre l'électrode A et l'électrode B' en surface, en manoeuvrant le commu- tateur J, en supposant, ce qui n'est nullement obligatoire, que le générateur E délivre toujours la même intensité de courant Une fraction I1 de l'intensité Io du courant électrique injecté par l'électrode A remonte le long du tubage C pour atteindre le point Bi, tandis que la fraction complémentaire I2 descend le long du tubage en se dissipant dans le sol.Si l'on fait l'approximation selon laquelle le tubage C a une lon gueur infinie par rapport aux distances z = d et z = 2d, l'intensité du courant électrique descendant le long du tubage est à la distance d de l'électrode d'émission A et à la distance 2d de l'électrode A Vd et V2d étant les différences de potentiel mesurées entre les électrodes M-N et K-L respectivement, ayant même écartement h. On en déduit Selon une variante de construction, représentée par la figure 1A, on utilise une sonde ne comportant qu'un seul couple d'électrodes de mesure, le couple KL, situé à la distance moyenne 2d de l'électrode A, et on dispose d'une seconde éleotrode de courant A', située à la distance moyenne d du couple KL. On effectue alors successivement l'émission d'un courant de même intensité entre les électrodes A et B', puis entre les électrodes A' et B' (en agissant sur le commutateur H) et l'on mesure les différences de potentiel correspondantes V2d et Vd apparaissant entre les électrodes K et L, ces différences de potentiel étant également liées par la relation (2). Les différences de potentiel Vd et V2d obtenues avec la. sonde de la figure 1 ou celle de la figure lA sont introduites dans le circuit diviseur 10 Vd (figure 4) qui délivre un signal représentatif du rapport. Ce signal est V2d appliqué au circuit 11 qui produit un signal représentatif de la valeur du lo garithme népérien de Vd , lequel est appliqué au circuit diviseur 12 qui dé V2d 1 vd livre un signal représentatif de d Log V2d , c'est-à-dire de la valeur du coefficient a, conformément à la relation (2) ci-dessus. La figure 5 illustre schématiquement un autre type de sonde utilisable pour la détermination des paramètres Rc et a. Cette sonde comporte une électrode- Ao d'émission de courant dans le tubage C, reliée à la borne 1 du générateur E. La borne 2 de ce générateur peut être, par la manoeuvre du commutateur J, reliée à volonté soit à l'électrode Bo de la sonde espacée verticalement de l'électrode A0 et située au-dessus de celle-ci, soit à l'électrode B' couplée avec le sol à une certaine distance du puits. Entre les électrodes Ao et Bo sont disposées trois électrodes de mesure K', N', M', régulièrement espacées, "a" désignant leur écartement. Un premier transformateur est constitué par un enroulement primaire p dont les extrématés peuvent être simultanément connectées aux électrodes K' et M' en agissant sur des moyens de commutation. L'enroulement secondaire de ce transformateur a été désigné par la référence s. Les électrodes K' et N' et les électrodes N' et M' sont également connectées par des bobinages qui constituent''un premier enroulement primaire P' d'un second transformateur dont l'enroulement secondaire S a été représenté à l'extérieur de la sonde pour la clarté du dessin. Les bobinages reliant les éiectrodes-M' et N' et K' et N' ont des sens d'enroulement opposés. Un second ensemble d'électrodes de mesure~Kr', N", M", reliées par des bobinages, semblable à l'ensemble K', N', M', est disposé sous le point Ao L'ensemble des bobinages reliant les électrodes'K", N", M" constitue un second enroulemént primaire P" du second transformateur. Les bobinages reliant les électrodes M" et N" et K" et N" ont des sens d'enroulement opposés. Dans une première étape de mesure, on connecte les électrodes K' et H' au bobinage p -et on fait passer le courant électrique d'intensité 1o le long du tubage C entre les électrodes Ao et Bo. Le signal V'c apparaissant aux bornes de l'enroulement secondaire s du premier transformateur est proportionnel à IVMI - Vk, | . On peut donc écrire que l'on a, si le rapport des nombres de tours des enroulements primaire et secondaire du transformateur est 1, V'c = 2a R c 10 (3) Le dispositif de la figure 6, analogue à celui de la figure 2, comporte un circuit diviseur 14 auquel est appliqué la différence de potentiel V'c et qui reçoit par ailleurs un signal représentatif du produit 2aIo, fourni par le circuit multiplicateur 13. Dans ces conditions, le circuit diviseur 14 fournit un signal repré V'c sentatif de la valeur de, c'est-à-dire de la résistance moyenne Rc du 2aIo tubage C par unité de longueur. Dans une seconde étape de mesure, on connecte les électrodes K' et M' au bobinage P et on fait circuler un courant électrique entre l'électrode Ao et l'électrode B' en surface, en manoeuvrant le commutateur J. L'intensité Io injectée se partage en deux fractions Il et I2, telles que Io = I1 + I2 , dont l'une remonte eut l'autre descend le long du tubage. Ces courants induisent en un point situé à la distance z de Ao à la verticale de ce dernier, un champ électrique Ez tel que E'z = Rc I1 e- &alpha; z ou E"z = Rc I2 e- &alpha; z suivant que le point considéré se trouve au-dessus ou au-dessous de l'électrode d'émission Ao ( a a la signification déjà indiquée ci-dessus). On a sensiblement (en considérant que e &alpha; z a une valeur voisine de 1 car la valeur du produit Q z peut être considérée comme négligeable par rapport à 1. On a en particulier au point N' et au point Par suite la valeur de la différence de potentiel V apparaissant aux bornes de l'enroulement secondaire S du second transformateur, si le rapport des nombres de tours des enroulements primaire et secondaire du transformateur est égal à 1, est donnée par V = |(VM' - VN') - (VN' - VK') |+| (VM" - VN") - (VN" - VK")|=+[RcI1 &alpha; + RcI2 &alpha;] a2 soit V = + a2Rc (I1 + I2) =+a2Rc Io &alpha; (5) Le signal V est appliqué (figure 7) à un circuit diviseur 16 qui re çoit par ailleurs un signal représentatif de la valeur du produit a2RcIo , fourni par le circuit multiplicateur 15.Le circuit diviseur 16 délivre un signal représentatif de la valeur du paramètre La figure 8 illustre un ensemble de circuits utilisables pour obtenir la valeur de la résistivité électrique Rt du terrain entourant le tubage C au niveau de la sonde à partir des valeurs de Rc et Q fournies par les circuits précédents. Ohms x m2 Dans le système d'unités MKSA où Rt s'exprime en on a senm siblement où r est le rayon externe du tubage, exprimé en mètres. c et t représentent respectivement la valeur de la perméabilité magnétique du tubage Cet du terrain. w = 2 #f où f est la fréquence du courant électrique d'intensité I o injecté dans le sol à travers le tubage. A titre d'ordre de grandeur on peut indiquer les valeurs suivantes (unités MKSA) t = 4 # 10-7 c = r x 4 # 10-7 avec r = de 100 à 1000 suivant le type d'acier constituant le tubage C. Un circuit multiplicateur 17 produit un signal représentatif de la pulsation X = 2 n f du courant électrique produit par le générateur E. Ce signal est appliqué à un circuit multiplicateur 18 qui reçoit par ailleurs un signal représentatif de la valeur de la perméabilité magnétique p du casing et délivre un signal représentatif de la valeur du produit p X Ce signal est transmis à un circuit diviseur 19 qui reçoit également un signal représentatif de la valeur de 2RC , fourni par le circuit multiplicateur 20. Le signal, représentatif de produit par le circuit 19 est appliqué au circuit 21 extracteur de racine carrée qui délivre un signal représentatif de la valeur de Ce signal est transmis au circuit 22 inverseur de polarité qui produit un signal représentatif de appliqué au circuit additionneur 23 qui reçoit également un signal représentatif de a , fourni par le circuit de la figure 4 ou celui de la figure 6. Le signal issu du circuit 23, qui est représentatif de la valeur de est appliqué au circuit 24 d'élévation au carré qui délivre un signal représentatif de La borne de sortie du circuit 24 est connectée au circuit multiplicateur 25 qui reçoit également un signal représentatif de la valeur de Rc précédemment déterminée. Le circuit 25 délivre un signal représentatif de la valeur de qui est appliqué au circuit multiplicateur 26, lequel reçoit par ailleurs un signal représentatif de la valeur de la perméabilité magnétique p du tubage C. Le signal sortant du circuit 26 est appliqué au circuit multiplicateur 27 en même temps qu'un signal représentatif de la valeur r2 du carré du rayon du tubage, ce dernier signal étant délivré par le circuit d'élévation au carré 28. Le circuit 27 produit ainsi un signal représentatif de la valeur de 2 IcWl2 2 ,t \2 dans le circuit 2 qui est multiplié par le coefficient numérique 256 Le signal représentatif de la valeur de 256 est enfin appliqué au circuit 30 qui reçoit également un signal représentatif de la valeur de la perméabilité magnétique ttt du terrain. Le circuit 30 délivre un signal représentatif de la valeur de c'est-à-dire de la valeur recherchée de la ré résistivité R t du terrain entourant le tubage, au niveau de la sonde. Ce signal résultant peut être visualisé et éventuellement enregistré, en utilisant des dispositifs connus. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Méthode de mesure de la résistivité électrique des terrains entourant un tubage métallique placé dans un sondage, caractérisée par la combinaison des étapes successives suivantes a) on fait passer un courant électrique entre deux électrodes d'émission espa cées verticalement et couplées électriquement avec le tubage, on effectue une première mesure portant sur une grandeur fonction de la différence de potentiel produite par ce courant entre deux électrodes de mesure espacées verticalement l'une de l'autre, placées entre les deux électrodes d'émission et couplées électriquement avec le tubage, et on déduit de cette première me sure la valeur de la résistivité électrique moyenne Rc du tubage entre les deux électrodes de mesure, b) on fait passer un courant électrique alternatif dans le sol entre une élec trode d'émission couplée électriquement avec le tubage et une électrode d'é mission couplée avec le solà une certaine distance du sondage, on effectue, en utilisant au moins un couple d'électrodes de mesure espacées verticale ment dans le sondage et couplées électriquement avec le tubage, au moins une seconde mesure portant sur une grandeur fonction de la différence de potes tiel apparaissant entre les électrodes dudit couple pendant le passage de ce courant, et on déduit de cette seconde mesure la valeur du coefficient a tel que Iz = I e - &alpha; z I et I@ étant les valeurs de l'intensité de courant électrique dans le tu z bage en un premier et un second points de celui-ci respectivement, situés d'un même cêté de ladite électrode d'émission couplée électriquement avec le tubage et espacés de la distance verticale z, ledit second point étant plus éloigné de cette électrode que ledit premier point, c) on déduit, des valeurs de R c et a déterminées dans les étapes précédentes, la valeur moyenne R t de la résistivité électrique du terrain entourant le tu bage3 entre les niveaux des électrodes dudit couple, satisfaisant à la relation où k est un coefficient, c et t sont les valeurs respectives de la perméabilité magnétique du tu- bage et du terrain, r est le rayon externe du tubage, w = 2n f (f étant la fréquence dudit courant électrique alternatif). 2. - Méthode de mesure de la résistivité électrique des terrains entourant un tubage métallique placé dans un sondage, caractérisée par la combinaison des étapes successives suivantes a) on fait passer un courant électrique entre deux électrodes d'émission espa cées verticalement et couplées électriquement avec le tubage, on produit un premier signal de mesure représentatif d'une grandeur fonction de la diffé rence de potentiel produite par ce courant entre deux électrodes de mesure espacées verticalement l'une de l'autre, placées entre les deux électrodes d'émission et couplées électriquement avec le tubage, et on produit, à par tir dudit premier signal de mesure, un signal représentatif de la valeur de la résistivité électrique moyenne R c du tubage entre les deux électrodes de mesure, b) on fait passer un courant électrique alternatif dans le sol entre une élec trode démission couplée électriquement avec le tubage et une électrode d'é mission couplée avec le sol à une certaine distance du sondage, on produit, ea utilisant aù moins un couple d'électrodes de mesure espacées verticale ment dans le sondage et couplées électriquement avec le tubage, au moins un second signal -de mesure représentatif d'une grandeur fonction de la diffé rence de potentiel apparaissant entre les électrodes dudit couple pendant le passage de ce courant, et on produit, à partir dudit second signal de me sure, un signal représentatif de la valeur du coefficient a tel que Iz = I e I et Iz étant les valeurs de l'intensité de courant électrique dans le tu bage en un premier et un second points de celui-ci respectivement, situés d'un meme coté de ladite électrode d'émission couplée électriquement avec le tubage et espacés de la distance verticale z, ledit second point étant plus éloigné de cette électrode que ledit premier point, c) on produit, à partir des deux signaux de mesure obtenus dans les étapes pré cédantes, un signal représentatif de la valeur moyenne Rt de la résistivité électrique du terrain entourant le tubage, entre les niveaux des électrodes dudit couple, la valeur de ce dernier signa satisfaisant à la relation où k est un coefficient, p et pt sont les valeurs respectives de la perméabilité magnétique du tu bage et du terrain, r est le rayon externe du tubage, w = 2 rrf (f étant la fréquence dudit courant électrique alternatif). 3. - Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'on produit, à partir dudit signal représentatif de la valeur de Rc, un signal représentatif de la valeur de où P est la résistivité du métal constituant le tubage, par unité de longueur de ce dernier et r le rayon moyen de ce tubage, ce signal constituant une mesure de l'épaisseur moyenne du tubage dans l'intervalle séparant lesdites élec- trodes de mesure. 4. - Dispositif de mesure de la résistivité électrique des terrains entourant un tubage métallique placé dans un sondage, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison a) des moyens pour faire passer un courant électrique entre deux électrodes d'émission, espacées verticalement et couplées électriquement avec le tubage, des moyens produisant un premier signal de mesure représentatif d'une gran deur fonction de la différence de potentiel produite par ce courant entre deux électrodes de mesure espacées verticalement l'une de l'autre, placées entre les deux électrodes d'émission et couplées électriquement avec le tu bage, et des moyens produisant, à partir dudit premier signal de mesure, un signal représentatif de la valeur de la résistivité électrique moyenne Rc du tubage entre les deux électrodes de mesure, b) des-moyens pour faire passer un courant électrique alternatif dans le sol entre une électrode d'émission couplée électriquement avec le sol à une cer taine distance du sondage, des moyens pour produire, en utilisant au moins un couple d'électrodes de mesure espacées verticalement dans le sondage et couplées électriquement avec le tubage, au moins un second signal de mesure représentatif d'une grandeur fonction de la différence de potentiel apparais sant entre les électrodes dudit couple pendant le passage de ce courant, et des moyens connectés auxdits moyens qui produisent ledit second signal de me sure et délivrant un signal représentatif de la valeur du coefficient a tel que Iz = I e - &alpha; z I et Iz étant les valeurs de l'intensité de courant électrique dans le tu bage en un premier et un second points de celui-ci respectivement, situés d'un même côté de ladite électrode d'émission couplée électriquement avec le tubage et espacés de la distance verticale z, ledit second point étant plus éloigné de cette électrode que ledit premier point, c) des-moyens connectés auxdits moyens produisant ledit premier signal de me sure et auxdits moyens produisant ledit second signal de mesure et produi sant un signal représentatif de la valeur moyenne Rt de la résistivité élec trique du terrain entourant le tubage3 entre les niveaux des électrodes du dit couple3 la valeur de ce dernier signal satisfaisant à la relation où k est un coefficient, c et ttt sont les valeurs respectives de la perméabilité magnétique du tu bage et du terrain, r est le rayon externe du tubage, w = 2 wf (f étant la fréquence dudit courant électrique alternatif). 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérise en ce qu'il comporte des moyens reliés auxdits moyens produisant ledit signal représentatif de la valeur de R c a ces moyens produisant un signal représentatif de la valeur de où P est la résistivité du métal constituant le tubage, par unité de longueur de ce dernier et r le rayon moyen de ce tubage, ce signal constituant une -m mesure de l'épaisseur moyenne du tubage dans l'intervalle séparant lesdites électrodes de mesure. 6. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un trasformateur ayant au moins un enroulement primaire formé par un bobinage reliant deux desdites électrodes de mesure et au moins un enroulement secondaire entre les bornes duquel apparaît l'un desdits premier et second si gnaux de mesure. 7. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte deux couples d'électrodes de mesure (K'N', K"N") disposés symétriquement de part et d'autre d'une électrode d'émission couplée électriquement avec le tubage, et en ce que les deux électrodes de chaque couple sont reliées par des bobinages faisant partie du circuit primaire d'un transformateur ayant un bobinage secondaire aux bornes duquel apparaît ledit second signal de mesure.