Brevet FR2424551A1 — publié le 19791123

La présente invention se rapporte à un procédé et a' un appareil de diagraphie radiologique des puits, destinés à établir les caractéristiques des formations souterraines traversées par un trou de sondage (ou de sonde) et elle se rapporte plus particulierement à un procédé et à un appareil pour mesurer les porosités des formations du sol et les poches de dissolution ou les absences de ciment dans les trous de sondage au moyen de techniques de diagraphie des sondages par des neutrons. Il est bien connu qu'on a plus de chances de trouver du pétrole et du gaz en quantité récupérable commercialement, dans les formations du sol qui sont relativement poreuses ou perméables que dans des formations du sol plus fortement consolidées. L'équipement et les procédés pour identifier avec précision la porosité des formations du sol ont donc une importance notable. On a déjà proposé, pour mesurer la porosité, différents procédés et appareils pour utiliser le ralentissement des neutrons et leur diffusion dans des formations du sol Des propositions de cette nature ont en particulier suggéré d'utiliser une sonde à chambre sous pression et deux détecteurs de neutrons situés à des distances s différentes de la source pour leur transport dans un trou de sondage. On a utilisé les détecteurs de neutrons thermiques de la technique antérieure, à la fois avec des sources pulsées et avec des sources continues de neutrons et on a établi une relation entre le taux de comptage des neutrons thermiques détectés et la teneur en hydrogene de la partie de la formation de sol qu'on soumet au f-lux de neutrons provenant de la source de neutrons.Il est apparu que oes s procédés n'ont pas la précision désirée, à cause des irrégularitéstde diamètre de la paroi du trou de sondage. Les variations des propriétés des différents fluides des trous de sondage, les irrégularités de l'anneau de ciment qui entoure le coffrage dans le cas d'un trou de sondage coffré, et les propriétés des types différents des coffrages en acier et des formations de sol qui entourent le trou de son dage ont tous tendu à diminuer la signification des mesures de neutrons thermique suggérées dans la technique antérieure. La population des neutrons thermiques qui entoure une source et la sonde à deux détecteurs telle que celle-ci est proposée dans la technique antérlNeure peut entre affectée par la teneur en chlore du fluide du trou de sondage. De façon semblable, d'autres facteurs lithologiques tels que la teneur en bore des formations de sol qui entourent le trou de sondage coffré affectent les populations de neutrons thermiques. On utilise des mesures de capture des neutrons thermiques dans des diagrammes de durée de vie des neutrons ou dans des diagrammes d'extinction de la population des neutrons thermiques de différents types tels qu'ils sont envisagés dans la technique antérieure.Mais la présente invention, au lieu de compter sur une mesure de la population des neutrons thermiques, utilise une mesure de la population des neutrons épithermiques au moyen de deux détecteurs espacés de neutrons qui sont chacun espacés longitudinalement d'une source de neutrons possédant un flux de neutrons d'une intensité relativement grande. On utilise dans llinvention un disppsitif spécial de détection qui s'écarte efficacement de la détection de neutrons thermiques telle qu'elle est proposée dans la technique antérieure.En outre, en comparant la mesure de poros-ité com- pensée qui utilise les deux détecteurs de vitesse avec une porosité non compensée mesurée en utilisant un seul des détecteurs, on peut déterminer l'emplacement de poches de dissolution de trous de sonde ou d'absence de ciment. Suivant l'invention, une source continue de neutrons d'intensité relativement élevée irradie avec un flux de neutrons, les formations de sol qui entourent un trou de sondage d'un puits. Deux détecteurs de neutrons épithermiques espacés longitudinalement l'un de l'autre et de la source de neutrons le long de l'axe de l'outil de puits, mesurent l'intensité des neutrons épi thermiques à deux distances différentes de la source. On interprète alors, suivant une relation établie d'avance, le rapport entre les taux de comptage apparaissant dans les deux détecteurs, espacés l'un de l'autre, de neutrons épithermiques, en termes de la porosité de la formation de sol. On calcule également la porosité en utilisant le taux de comptage relevé par le seul détecteur le plus rapproché. On peut alors utiliser une comparaison entre la porosité donnée par la différence entre les deux détecteurs et la porosité donnée par le seul détecteur le plus rapproché pour localiser les absences de ciments ou les poches de dissolution. La demanderesse a trouvé que l'appareil de la présente invention donnait des résultats meilleurs que ceux de la technique antérieure en ce que son utilisation dans la mesure de la porosité compensée par deux détecteurs était moins sensible aux paramètres perturbateurs de l'environnement. Pour permettre de mieux comprendre la présente invention, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages, la demanderesse va maintenant se référer à sa description détaillée prise en liaison avec les dessins ci-joints, dans lesquels - la figure 1 est un diagramme schématique montrant un système de diagraphie des sondages conforme au principe de 1 'invention ; - la figure 2 est un graphique qui illustre la relation qui existe entre le rapport R entre les taux de comptage des deux détecteurs de neutrons épithermiques d'un système de diagraphie des sondages tel que celui de la figure 1 et la porosité P des formations de sol qui entourent un trou de sondage ; les points I correspondent à de la chaux et de l'eau douce, les points II à de la chaux et de l'eau salée, les points III à de la chaux et de l'eau douce contenant 1800 ppm de bore, les points IV à du sable et de l'eau douce, les points V à la de dolomite et de l'eau doucie, les points Vl à de chaux et de l'eau douce avec un coffrage de 13,8cm de diamètre dans un trou de 15cm de diamètre et les points VII à de la chaux et de l'eau douce avec un coffrage de 16,5cm dans un trou de 22,5cm , - la figure 3 est un graphique qui montre le taux de comptage C55 eu détecteur le plus rapproché en fonction de la porosité P , les courbes I, II et III correspondant à des diamètres de puits de 23cm, 19cm et 15cm, et - la figure 4 est un diagramme du taux de comptage relevé par le détecteur le plus rapproché en fonction du rapport des taux de comptage aux deux détecteurs qui montre la localisation de régions de poches de dissolütion ou de régions d' absence de ciment dans un puits du Sud Texas. Considérant tout d'abord la figure, elle constitue une représentation simplifiée, sdlématique et fonctionnelle sous la forme d'un diagramme de blocs, d'un appareil de diagraphie des sondages suivant l'invention. Un trou de sondage 2 qui pénètre dans les formations du sol 3 est recouvert d'un coffrage 4 en acier cimenté en place par une couche de ciment 6, qui sert également à empêcher la communication de fluide entre des formations adjacentes de production dans le sol 3. On peut voir que la partie système de diagraphie qui est située en bas du trou de sondage se compose essentiellement d'un corps ou sonde 7 allongé, étanche au fluide et creux que, pendant 11 opération de diagraphie, on fait passer horizontalement à travers le coffrage 4 et qui -est -dimension- né pour passer à travers lui. La figure représente des ins- truments de surface, , dont la fonction sera--exposee plus loin plus en détail, pour traiter et enregistrer des mesures électriques fournies par la sonde 7.Un câble 8 de diagraphie de puits qui passe sur une poulie à gorge 9 supporte la sonde 7 dans le trou de sondage et fournit également un trajet de communication pour des signaux électriques se rendant de la sonde 7 à l'équipement de surface ou inversement Le cabré 8 de diagraphie de puits peut être d'une structure armée-classique possédant un ou plusieurs conducteurs électriques pour transmettre de tels signaux entre la sonde 7 et les appareils de surface. Toujours en se référant à la figure 1, la- sonde 7 contient une source 11 de neutrons. Une source de neutrons dont l'utilisation est envisagée ici comprend une source continue de neutrons à base de californium 252. Une telle source possède la caractéristique appréciable de produire une intensité très élevée de neutrons ayant essentiellement une énergie moyenne de 2,3 MeV. Ou bien encore, on peut utiliser avantageusement, ainsi que cela sera exposé plus loin plus en détail, une source de neutrons å base d'actinium et de béryllium ayant une intensité d'environ I x 108 neutrons/ seconde. Mais le spécialiste comprendra que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation d'une source continue de neutrons. La demanderesse estime qu'on pourrait éventuellement utiliser une source pulsée de neutrons d'une intensité convenable, pourvu qu'on observe des espacements convenables entre la source et les détecteurs. Cependant, l'intensité élevée des sources de neutrons a' base de californium 252 ou de AcBe est préférable pour exécuter les formes d'exécution préférées de l'invention. Des détecteurs convenables de radiation 12 et 13 espacés longitudinalement l'un de l'autre et de la source de neutrons 11 sont disposés dans l'outil en bas du trou. Ces détecteurs fonctionnent comme détecteurs de neutrons. La demanderesse envisage, dans la présente invention, que les détecteurs 12 et 13 soient des détecteurs du type à He3. Ce sont des tubes de comptage remplis, comme gaz, de He3 sous 3 pression. Le H? répond à des neutrons renvoyés dispersés sur les détecteurs 12 et 13 par les formations entourantes de sol. Les impulsions de charge établies par des réactions nucléaires entre les neutrons renvoyés dispersés et le gaz de remplissage à 11 intérieur des détecteurs 12 et 13 procurent une mesure satisfaisante de la population des neutrons épithermiques.Les detecteurs 12 et 13 sont respectivement reliés à des amplificateurs 14 et 15 qui sont eux-memes reliés à un calage ou équipement de commande 16 qui transmet les signaux électriques pulsés des détecteurs à la surface. Le calage de commande 16 peut par exemple comprendre un amplificateur et des moyens pour codifier les impulsions provenant des deux détecteurs pour les transmettre sur le celle. On pourrait par exemple, le faire en transmettant les impulsions provenant des détecteurs sous la forme d'impulsions électriques ayant sur le cable des signes opposés, afin de pouvoir les distinguer et les séparer à la surface. On pourrait naturel~ lement utiliser éventuellement d'autres moyens.La partie de la sonde 7 qui est située entre la source de neutrons 11 et les détecteurs 12 et 13 est pourvue d'un bouclier 17 en une matière modératrice de neutrons, par exemple de l'acier et de la "lucite" (marque déposée). Ce bouclier est destiné à empecher une interaction directe entre les neutrons,pro venant de la source et les deux détecteurs, puisqu'on désire mesurer l'effet de ralentissement que les formations qui entourent le trou de sondage ont sur la population épithermique. Les détecteurs de neutrons 12 et 13 de la figure î sont entourés et enfermés par un bouclier de cadmium 18 destiné à empêcher que des neutrons thermiques puissent pénétrer à l'intérieur de la structure des détecteurs. Les neutrons épithermiques, qui possedent une énergie supérieure, traversent plus facilement le bouclier de cadmium 18.A l'intérieur de ce bouclier, les détecteurs de neutrons sont entourés par et noyés dans une couche 19 de la matière plastique "lucite" (ou de toute autre matière convenable ayant une teneur élevée en hydrogène) Le bouclier de cadmium qui entoure la couche de "lucite" a une épaisseur d'environ 0,5mm, qui convient pour atténuer efficacement le flux de neutrons thermiques qui pé- netre dans les détecteurs en provenance du trou de sondage. Les détecteurs sont en outre espacés de la source -de neutrons d'une distance optimale afin de pro curer une bonne statistique de comptage et un bon signal de la porosité de la formation de sol. Le détecteur 12 le plus rapproché a de préférence un diamètre d'environ 2,5cm et une longueur efficace sensible d'environ 10cm, et il contient de ltHe3 sous une pression de 1 atm. Le détecteur 13 le plus éloigné a un diametre-d'envi- ron 5cm et une longueur efficace sensible d'environ 10cm, et il contient de l'He3 sous une pression d'environ8 atm. En utilisant 700 microgrammes de californium 252 comme source de 9 neutrons émettant environ 1,69 x 109 neutrons par seconde, on a trouvé que les espacements optimaux respectifs entre la source et les détecteurs étaient d'environ 48,5cm entre la source et le centre du détecteur 12 à He3 le plus rapproché, et environ 79cm entre la source et le centre du détecteur 13 le plus éloigné. Ces dimensions sont applicables avec les détecteurs ayant la configuration représentée sur la figure 1 quand ils sont entourés par la chemise de cadmium 18. La partie de la chemise de cadmium 18 qui est interposée entre les deux détecteurs et est désignée par 20 sur la figure 1, sert à limiter la réponse d'angle solide dirigée sur les détecteurs au niveau approximatif du trou de sondage qui est situé en face de chaque détecteur. La demanderesse a trouvé que dans la configuration représentée sur la figure 1 pour les détecteurs de neutrons, le taux de comptage des neutrons est réduit par un facteur d' envi- ron 4 quand les détecteurs sont entourés, comme représenté, par la chemise de cadmium 18, par rapport au taux de comptage obtenu avec les mêmes détecteurs à He3 non entourés par la chemise de cadmium.Cette diminution du taux de comptage rendrait l'espa- cement entre la source et les détecteurs trop grand pour qu'on obtienne une bonne statistique de comptage quand on l'utilise avec une source de neutrons d'une intensité inférieure à celle du californium 252 ou de l'actinium-beryllium On notera cependant que les sensibilités des détecteurs de neutrons 12 et 13 sont inégales parce que le détecteur le plus rapproché 12 contient du He sous une pression de i atm., tandis que le détecteur 13 le plus éloigné contient du He sous une pression de 8 atm. Comme le taux de comptage des neutrons épithermiques dans un détecteur à He est proportionnel à la pression du He, le détec- teur 13 le plus éloigné est plus sensible aux neutrons épithermiques que le détecteur le plus rapproché. Cette disposition de coopération est la plus favorable pour l'utilisation de la source de neutrons à base de californium 252 à 1,69 x 109 neutrons/seconde. Le spécialiste comprendra qu'on pourraIt éventuellement utiliser, avec d'autres sources de neutrons, d'autres espacements, d'une valeur optimale entre la source et les détecteurs, et qu'ils appartiendraient encore au concept inventif de l'invention. Comme déjà indiqué, des impulsions de tension provenant des détecteurs de neutrons 12 et 13 sont amplifiées par les amplificateurs 14 et 15 et transmises à la surface par le -c ble 8 de diagraphie de puits et les circuits 16 de commande par cabale. A la- surface, un cablage ou équipement est représenté schématiquement sous la forme d'un diagramme de blocs pour interpréter le rapport entre les comptages dans les deux détecteurs espacés de neutrons et pour enregistrer un diagramme de ce rapport. On établit également un diagramme du taux de comptage en provenance du détecteur le plus rapproché.On peut, comme précédemment décrit, codifier de toute manière désirée les signaux provenant du détecteur 13 le plus éloigné et les de'tecter aous la forme de coup dans le compteur 21. Les coups provenant du détecteur 12 le plus rapproché sont détectés dans un second compteur 22. Les compteurs 21 et 22 peuvent etre de 1 t un quelconque des types bien connus de compteurs numériques ou anaoglques proportionnels connus dans la technique. Les sorties du compteur 21 et du compteur 22 sont échantillonnées et dirigées dans un circuit de rapport 23, qui produit un signal de sortie proportionnel au rapport entre les coups dans le détecteur 13 le plus éloigné et les coups se produisant dans le détecteur 12 le plus rapproché.Ce rapport est représenté sur la figure 2 comme fonction de la porosité de la formation pour trois différents types de formation dans des trous de sondage coffrés. La figure 2 montre que plus le rapport est élevé plus la porosité des formations qui entourent le trou de sondage est faible. Cela est dû à ce qu'une formation de porosité élevée contiendra en général dans ses pores plus de composés, tels que du pétrole ou de l'eau, porteurs d'hydrogène, et atténuera par suite le flux de neutrons émanant de la source de neutrons 11 plus rapidementqu'une formation depôrosité plus faible. Le diagramme, à deux espacements, des neutrons épithermiques de la présente invention procure une mesure pre- cise de l'index dthydrogène de la formation.L'index d'hydrogène est défini comme étant la quantité d'hydrogène par unité de volume de la formation. Les signaux de sortie provenant des détecteurs 12 et 13 dans l'outil en bas du trou et pris- sous la forme de leur rapport par le circuit-de rapport 2-3, qui peut être du type classique analogique ou numérique, sont introduits dans un enregistreur 24, qui, ainsi que l'indique la ligne 25 en trait interrompu, est entrainé soit électriquement soit néca- niquement par la poulie à gorge 9 en fonction de la profondeur du trou de sondage. On produit ainsi sur un agent d'enregistrement 26 un diagramme qui constitue un enregistrement conti- nu en fonction de la profondeur du trou de sondage du rapport entre les coups du détecteur le plus éloigné et ceux du détecteur le plus rapproché, et du taux de comptage au détecteur 12 le plus rapproché.On peut, comme le montre la figure 2, interpréter ce rapport en termes d'une porosité compensée de trou de sondage des formations de sol qui entourent le trou de sondage. On peut interpréter le taux de comptage au détecteur le plus rapproché en termes d'une porosité non compensée, de façon semblable, par référence à à la courbe de calibrage de la figure 3. Le spécialiste comprendra qu'on peut utiliser les circuits 27 d'alimentation en énergie pour fournir, à travers le cable 8 de diagraphie de puits, de l'énergie électrique pour la partie de l'équipement qui est en bas dans le trou de sondage, et qu'on utilise des circuits d'énergie (non représentés) en bas du trou de sondage pour alimenter en énergie le câblage électronique représenté dans l'outil en bas du trou de sondage. Bien que la sonde 7 représentée sur la figure 1 soit suspendue librement dans le trou de sondage 2, des caractéristiques de la formation de sol qui entoure le trou de sondage, et l'environnement du trou de sondage lui-meme peuvent rendre pre- férable de disposer l'enveloppe de la sonde 7 au centre du trou de sondage au moyen de ressorts à arc (non représentés) ou d'éléments analogues Ou bien encore, on peut utiliser un coussinet d'appui (non représenté) pour pousser l'enveloppe de l'coutil contre la paroi du trou de sondage. Mais, avec les paramètres de fonctionnement décrits- plus haut pour les espacements entre la source et les détecteurs, la composition de la source et l'intensité et la géométrie représentées sur la figure 1, on a obtenu une bonne sensibilité. De meme, l'appareil décrit et représenté diminue l'effet des absorbants des neutrons, tels que le bore, dans les formations qui entourent le trou de sondage. Si l'on définit la compensation C, exprimée en pour cent, pour les effets du trou de sondage par l'expression x #(R)- #-(ss) x 100 #(R) dans laquelle f(R) représente la porosité compensée telle qu'on la mesure par le rapport entre les taux de comptage aux deux détecteurs espacés 12 et 13, et #(ss) représente la porosité non compensée telle qu'on la détermine sur la figure 3 d'après le seul taux de comptage du détecteur 12 le plus rap proché, on peut utiliser C comme indicateur des régions où il y a variation du diamètre du trou de sondage poches de dissolution dans le trou, ou espaces dépourvus de ciment.Un tel indicateur peut être tres précieux dans l'interprétation d'autres types de diagrammes de puits qui peuvent etre fortement sensibles aux variations du diamètre du trou. L'indicateur C peut également être précieux pour localiser les absences de ciment, qui peuvent conduire à la communication indésirable de fluides entre une formation et une autre le long du trou de sondage. Passant maintenant à la figure 4, elle représente un diagramme des taux de comptage C55 relevés par le détecteur le plus rapproché en fonction du rapport R entre les deux taux de comptage (R = Css/CLs) relevés par les deux détecteurs pour des mesures effectives effectuées dans un pilits du Sud Texans. Les points courants de la figure 4 indiquent la tendance générale des points du puits. Les points entourés d'un cercle dans l'intervalle de profondeur compris entre 1399 et 1405m, et les points entourés d'un carré dans l'intervalle compris entre 1454 et 1460m montrent l'effet d'une valeur importante du paramètre C de compensation, exprimé én pourcentage. Ces points indiquent une poche de dissolution du trou ou une absence de ciment dans ces deux intervalles de profondeur. Le spécialiste comprendra qu'on pourrai t entrer les courbes de calibrage des figures 2 et 3, sous forme tabulaire ou analytique, dans la mémoire d'un petit ordinateur numérique (non représenté) d'usage général, et qu'on pourrait éventuellement calculer et porter directement sur un diagramme (R), (sus) et C en fonction de la profondeur. On peut en outre exécuter un enregistrement sur ruban magnétique des données primaires et secondaires. Un petit ordinateur d'usage genéral convenant dans ce but pourrait être un ordinateur modèle PDP-ll tel que le fournit la Digital Equipment Corporation of Cambridge, Mass. On peut ainsi exécuter sur le site du puits un enregistrement direct des régions d'un puits où il y a une poche de dissolution ou une absence de ciment. La description qui précède peut suggérer des variantes au spécialiste. Le but des revendications qui suivent est donc de couvrir tous les changements et modifications qui font par- tie de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour localiser dans les trous de sondage les poches de dissolution ou les absences de ciment entre le coffrage et les formations de sol, caractérisé par la combinaison des opérations suivantes ; - on irradie les formations de sol voisines du trou de sondage par des neutrons ranides provenant d'une source de neutrons (11) d'une intensité relativement élevée ;; - on détecte la population des neutrons épithermiques a une première distance (12) relativement rapprochée de la source dans le trou de sondage - on détecte la population des neutrons épithermiques à une seconde distance (13) relativement éloignée de la source dans le trou de sondage - on combine (23) les mesures de la population de neutrais épi thermiques effectuées à ces deux distances différentes, afin d'en retirer une première indication compensée QR) de la po rosit de la formation de sol - on dérive une seconde indication non compensée (sus) de la po rosi té de la formation de sol de la mesure de la population de neutrons épi thermiques effectuée à la seule distance la plus rapprochée, et - on compare les indications de porosité respectivement compen sée et non compensée pour localiser Ia présence de poches de dissolution ou d'emplacements ou-le ciment est absent. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération qui consiste à combiner les mesures de la population des neutrons comprend celle qui consiste à prendre le rapport entre ces mesures, pour obtenir l'indication csm- pensée de la porosité des formations de sol. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération de comparaison comprend celle qui consiste à déduire un paramètre de compensation exprimé en pourcentage. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le paramètre de compensation (C) exprimé en pourcentage est défini par la relation C = #(R) - # (ss) x 100 # (R) dans laquelle (R) est la valeur de la porosité compensée, et f(ss) est la valeur de la porosité non compensée. 5 Procédé suivant l'une quelconque des revendications l à 4, caractérisé en ce qu'on effectue les deux opérations de détection de neutrons épithermiques au-mayen de détecteurs (12, 13, 18) à He3 et à bouclier de cadmium dont les centres effectifs de sensibilité sont respectivement situés à la distance rapprochée et à la distance éloignée. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on répète les opérations à des profondeurs différentes du trou de sondage, et qu'on enregistre (24) les indications de porosité compensée et de porosité non compensée en fonction de la profondeur du trou de sondage. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par l'opération qui consiste à porter (figure 4) dans un diagramme les indications de la porosité non compensée et de la porosité compensée, comme indication de la présence de poches de dissolution ou de l'absence de ciment dans un trou de sondage.