Brevet FR2394097A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne un dispositif de diagraphie, pour étudier des formations souterraines traversées par un sondage, et elle concerne plus particulièrement un dispositif utilisant un système d'électrodes monté sur un patin dont les parties actives fonctionnent à proximité immédiate des parois du sondage. De tels systèmes à patin sont particulièrement utiles pour déterminer la résistivité R de la zone au voisinage du sondage qui est sus xc ceptible d'8tre balayée par le filtrat du fluide se trouvant dans le sondage, mieux connue sous le nom de zone envahie. On a proposé diiférents dispositifs pour déterminer la résistivité de la zone envahie. Un des dispositifs les plus couramment utilisés actuellement, appelé "système à focalisation microsphérique" est décrit dans le brevet américain NO 3 798 535. Dans ce système, un réseau d'électrodes rectangulaires concentriques est monté sur un large patin qui est suffisamment souple pour s'adapter à la courbure de la paroi du sondage. Un courant de contrôle émis par l'électrode centrale est forcé par des courants de focalisation réglés de façon appropriée, de manière à circuler directement dans la formation où il est refoulé et revient vers une électrode éloignée.Le rapport de la différence de potentiel entre deux électrodes de potentiel au courant de contrôle fournit une mesure de la résistivité d'une zone de la formation qui est très proche de la paroi du sondage, cette mesure n'étant que faiblement influencée par la résistivité du cake de boue. La mesure de résistivité obtenue en utilisant cette technique est généralement bonne dans des sondages qui neprésententpas d'éboulement excessif et pour de faibles différences entre la résistivité du cake de boue et la résistivité de la zone envahie. Cependant, de façon anormale on obtient quelque fois des faibles lectures de résistivité dans le cas où les différences sont très élevées et lorsque le trou de sondage n'est pas de bonne qualité. La principale raison d'une telle réponse erronée réside dans le fait qu'il existe un mauvais contact entre la paroi de sondage et un patin aussi large. Une meilleure application du patin nécessiterait des forces d'application beaucoup trop importantes. De plus, même si cela était possible, en exerçant des forces d'application très importantes pour maintenir un bon contact avec la paroi dans la plupart des conditions, la déformation du patin affecterait la réponse du système de manière indéterminée. Un autre inconvénient de ce patin est son usure rapide. Etant donné que le patin doit être très souple, il est habituellement constitué par un élastomère,par exemple du néoprène, qui n'est pas assez solide pour supporter un frottement répété avec la paroi du sondage Par conséquent, certains patins ne peuvent pas supporter plus de deux ou trois déplacements dans un puits. Les problèmes mentionnés ci-dessus peuvent être éliminés en utilisant un patin rigide étroit qui peut être appliqué contre la paroi du sondage avec des pressions plus importantes et qui, étant donné qu'il n'est plus nécessaire d'utiliser un élastomère, présente une bonne résistance à l'usure. Malheureusement, une réduction sensible de la largeur du réseau d'électrodes connu provoquerait une réduction excessive de la profondeur d'étude, en rendant le système pratiquement insensible à la résistivité de la zone envahie et ne répondant pratiquement qu'à la résistivité de cake de boue. Ainsi, la présente invention se propose de fournir un dispositif de diagraphie pour la mesure de la résistivité qui utilise un réseau d'électrodes monté sur un patin étroit et permettant de mesurer la résistivité R de la xo zone envahie. Le dispositif suivant l'invention pour étudier les formations terrestres traversées par un sondage comporte un organe de support allongé destiné à se déplacer dans le sondage, et un patin qui est en contact avec la paroi, qui est supporté par l'organe de support et qui est destiné à entre appuyé contre la paroi du sondage. La face du patin qui est en contact avec la paroi est équipée d'un réseau d'électrodes linéaires qui sont sensiblement parallè- les à l'axe longitudinal de organe de support et qui sont espacées les unes des autres suivant une direction sensiblement perpendiculaire audit axe. Selon un mode de réalisation avantageux, la longueur des électrodes est plus importante au voisinage des bords du patin qu'au milieu de celui-ci. Des circuits sont reliés aux électrodes pour propager un courant focalisé principalement à travers la zone de la formation adjacente qui est susceptible être balayée par le fluide du sondage. Ce courant et la différence de potentiel associée sont mesurés pour fournir un signal représentatif de la résistivité de la zone traversée par le courant mesuré. L'utilisation d'électrodes parallèles à l'axe longitudinal de l'organe de support permet d'avoir, sur un patin étroit, un réseau étroit avec des électrodes extérieures longues. Ces longues électrodes contribuent non seulement à améliorer la focalisation relativement mauvaise suivant une direction perpendiculaire à 11 axe, résultant de l'espacement réduit des électrodes, mais également à assurer par elles-memes, sans l'aide d'un circuit spécial, une excellente focalisation suivant une direction parallèle à l'axe. Il en résulte que la profondeur d'investigation du réseau suivant ltinvention, en dépit de sa petite largeur, est suffisante pour obtenir une très bonne sensiblilité à la résistivité Rxo de la zone envahie. La largeur du patin est de préférence comprise entre environ 5 et 10 cm. Le réseau d'électrodes comporte une électrode centrale et des première, seconde et troisième paires d'électrodes respectivement court-circuitées et disposées symétriquement par rapport à l'électrode centrale, à des distances respectives croissantes de ladite électrode. Suivant un mode de réalisation avantageux, l'électrode centrale est sensiblement plus courte que les électrodes de la troisième paire, Les électrodes des première et seconde paires ont sensiblement la même longueur à savoir une longueur comprise entre celle de l'électrode centrale et celle des électrodes de la troisième paire. De préférence, les électrodes de la troisième paire sont approximativement 8 à 12 fois plus longues que l'élec- trode centrale, tandis que les électrodes des première et seconde paires sont approximativement 5 à 7 fois plus longues que l'électrode centrale. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple et représenté au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente un dispositif monté sur un patin suivant l'invention et, - la figure 2 représente une variante du réseau d'électrodes monté sur le patin de la figure 1. En se référant à la figure 1, un dispositif 10 suivant l'invention est suspendu à l'extrémité d'un câble armé 11 dans un sondage 12 qui traverse les formations 13. Un cake de boue 14 est formé le long des parois du sondage. L'extrémité inférieure du câble est munie d'un matériau isolant approprié 15 et comprend une électrode de référence éloignée N. Le dispositif 10 comporte un organe de support allongé 16 dont la partie supérieure contient des circuits 17 qui seront décrits ci-après et dont la partie inférieure comporte deux rainures longitudinales 18 et 19 dans lesquelles peuvent respectivement être logés deux patins 20 et 21. Chaque patin est couplé à l'organe de support 16 au moyen de deux bras 22 et 23 dont une extrémité est articulée sur la patin et dont l'autre extrémité est articulée sur l'organe de support. Ces bras articulés sont actionnés par un système hydraulique classique (non représenté), soit pour ramener les patins dans les rainures respectives, soit pour les presser contre la paroi du sondage avec une force sélectionnée. Le patin 21 est un patin de mesure rigide et étroit qui est équipé d'un réseau d'électrodes qui émet un courant de contrôle qui, sous l'action de courants de focalisation, est obligé de se propager principalement dans la zone de la formation qui est susceptible d'être balayée par le fluide du sondage. De façon typique, la largeur du patin est comprise entre 5 et 10 cm. II est évident que, du fait de son étroitesse, un tel patin peut être appliqué contre la paroi de sondage avec des pressions plus importantes que celles permises avec un patin plus large. On peut ainsi obtenir un meilleur contact des électrodes avec la paroi. De plus; étant donné que le patin n'a plus besoin dtêtre flexible, il peut être constitué par un métal et on peut utiliser un matériau isolant dur pour l'isolement nécessaire des électrodes. I1 en résulte que le patin présente une excellente résistance à l'usure. Avec un réseau classique d'électrodes horizontales sur un tel patin étroit, il serait très difficile, du fait de la longueur réduite des électrodes, d'obtenir une focalisation satisfaisante du courant de contrôle, et par conséquent d'obtenir un effet de cake de boue acceptable. Ce problème est éliminé par l'utilisation d'un réseau d'électrodes linéaires en forme de bandes qui sont parallèles à l'axe longitudinal de l'organe de support et qui sont espacées suivant une direction perpendiculaire à cet axe.Ces électrodes verticales sont suffisamment longues, non seulement pour améliorer la focalisation horizontale relativement fsible qui résulte de l'espacement réduit des électrodes, mais également pour assurer par elles-memes, sans l'aide d'un r circuit spécial, une certaine focalisation verticale. Ainsi, la profondeur d'investigation du réseau devient suffisante, en dépit de l'étroitesse de ce réseau, pour titre sensible principalement à la résistivité R de la zone xo envahie. De façon typique, on peut obtenir une focalisation satisfaisante (c'est-8-dire une bonne sensibilité à R et une faible sensibilité au cake xc de boue) avec un réseau d'électrodes dont le rapport longueur/largeur est compris entre 3 et 5. Ainsi, avec un patin de 7,5 cm de large, ce qui permet d'utiliser un réseau d'électrodes présentant une largeur d'environ 6,3 cm, la longueur des électrodes est eomprise- approximativement entre 19 et 32 cm. Un exemple typique d'un réseau d'électrodes est représenté sur la fi gure 1 à la droite du patin 21. Le réseau comporte une électrode centrale A o et trois paires d'électrodes M, , A1 disposées symétriquement par rapport à Ao, à des distances respectives croissantes dl, d2, d3 de- l'électrode centrale. Les électrodes de chaque paire sont court-circuitées électriquement. De façon typique, les distances dl, d2 et d3 sont respectivement égales à 0,6 cm, 1,5 cm et 3 cm. La longueur des électrodes est approximativement de 25 cm. Les électrodes du patin 21 sont couplées à des circuits 17 contenus dans la partie supérieure de l'organe de support 16 et qui sont représentées, pour une meilleure clarté, dans le bloc en pointillés 17a. Un oscillateur 24 applique, par l'intermédiaire d'un amplificateur à gain variable 25, un courant alternatif il entre les électrodes extérieures A1 et une électrode de retour éloignée B située à la jonction des parties isolée et armée du câble 11. La différence de potentiel entre les électrodes M1 et M2 est détectée par un amplificateur de contrôle 26 dont le transformateur de sortie 27 est bran ché entre l'électrode de courant centrale A et les électrodes de courant o extérieures A1.Le principal rôle de l'amplificateur de contrôle 26 est de maintenir un gradient de potentiel sensiblement nul entre M1 et M2. Par consé quent, le courant i émis par l'électrode central A ne peut pas se propager o o dans le cake de boue voisin mais est forcé de revenir vers le patin en suivant un trajet qui traverse la formation. Par suite du faible espacement entre l'électrode centrale A et les électrodes extérieures A1, le courant i o o appelé courant de contrôle, se propage principalement dans la zone de la formation qui est très proche de la paroi du sondage et qui est susceptible d'être balayée par le fluide du sondage.Par conséquent, en mesurant le cou rant de contrôle i et la différence de potentiel associée Vo, on peut déter o miner la résistivité R de la zone envahie. xc Dans ce but, le courant produit par l'amplificateur de contrôle 26 traverse le transformateur d'entrée 28 d'un amplificateur de mesure 29. Le signal de sortie de cet amplificateur est appliqué à un détecteur 30 sensible à la phase qui reçoit son signal de référence de phase de I'oscillateur 24 et qui délivre un signal de sortie continu représentatif du courant du contrôle io.Un second amplificateur de mesure 31 répond à la différence de potentiel, o développée aux bornes de l'enroulement secondaire de son transformateur d'entrée 32, entre l'électrode de référence éloignée N et un point où l'amplificateur de contrôle 26 maintient un gradient de potentiel sensiblement nul, par exemple les électrodes M2. Le signal de sortie provenant de l'amplificateur 31 est comparé avec un signal de référence de phase provenant de l'oscilla- teur 24, dans un détecteur 33 sensible à la phase, pour fournir un signal de sortie continu représentatif de la différence de potentiel V o Le signal VO provenant du détecteur 33, ainsi que le signal i prove o nant du détecteur 30 sont combinés dans un circuit 34 de formation de rapport qui délivre un signal Vdio qui est proportionnel à la résistivité Rxo de la zone envahie En outre, les signaux V et i sont appliqués à un circuit de multi o o plication 35 qui délivre un signal d'erreur représentatif de la différence entre le produit V i io et une valeur de référence REF. Ce signal d'erreur o o commande alors le gain de l'amplificateur 25 pour agir sur l'amplitude du courant alternatif appliqué aux électrodes de façon à maintenir constant le produit V io. i .Cet agencement, représenté de façon plus détaillée dans le o o brevet américain NO 3 539 910 assure que le système fonctionne à une puissance constante, ce qui réduit la gamme dynamique des signaux de mesure et de ce fait garantit une bonne précision de mesure dans une large gamme de valeurs de résistivité. Le signal de résistivité R est envoyé à la surface par l'interné- xo diaire d'un conducteur 36 (qui en réalité se trouve dans le câble 11) vers un enregistreur 37, par l'intermédiaire de circuits appropriés de traitement de signaux 38. L'enregistreur 37 est entraîné en fonction du déplacement du câble par un arbre 39 couplé à une roue tournante 40 en contact avec le câble. Le signal de résistivité Rxo est ainsi enregistré en fonction de la profondeur dans le sondage. Dens le réseau représenté dans la figure 1, toutes les électrodes ont la même longueur. I1 en résulte que la focalisation dans les parties inférieure et supérieure du réseau peut ne pas être aussi efficace qu'au centre du patin. La figure 2 représente la façon dont le réseau d'électrodes de la figa- re 1 peut être modifié pour améliorer la focalisation et de ce fait réduire l'effet du cake de boue. Comme représenté sur la figure 2, le réseau perfectionné comporte > comme le réseau de la figure 1, une électrode centrale A et o trois paires d'électrodes , M2, A1 disposées symétriquement par rapport à A0 à des distances respectives croissantes de ltélectrode centrale. Les espacements entre les électrodes sont sensiblement les mêmes que ceux du réseau de la figure 1. Le réseau de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 par le fait que les électrodes possèdent maintenant des longueurs différentes. Plus parti cu;ièrement, l'électrode centrale A est sensiblement plus courte que celles o de la paire d'électrodes extérieure A1, tandis que les deux paires d'électrodes de contrôle M1, M2 ont la même longueur, qui est comprise entre les longueurs de A et A1. Le centre de toutes les électrodes est situé sur le mme axe o horizontal qui est perpendiculaire à l'axe de la sonde.De telles électrodes extérieures longues fournissent une focalisation plus importante du courant de contrôle émis par l'électrode centrale courte A o De façon typique, la longueur des électrodes extérieures est approximativement 3 à 5 fois plus importante que la largeur du réseau, c'est-à-dire qu'elle est comprise entre 19 et 32 cm. Une réduction sensible de lteffet du cake de boue est obtenue lorsque les électrodes extérieures A1 sont approximativement de 8 à 12 fois plus longues que lvélectrode centrale Ao, et lorsque les électrodes de contrôle M1, M2 sont approximativement 5 à 7 fois plus longues que l'électrode centrale. Ainsi, par exemple, avec le même patin de 7,5 cm de large et des électrodes extérieures A1 de 25 cm de long, l'électrode centrale aura 2,5 cm de long et les électrodes de contrôle M1 et M2 auront 15 cm. On comprendra que le réseau d'électrodes décrit ci-dessus pourrait également être utilisé avec une configuration inverse dans laquelle les fonctions des électrodes de courant et les électrodes de contrôle sont inversées. Un exemple de l'inversion d'un système d'électrodes est décrit dans le brevet américain NO 2 712 631. Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide d'un mode de réalisation particulier, on peut y apporter différentes modifications sans sortir du cadre de cette invention. REVENDICATIONS 1. Réseau d'électrodes pour l'étude des formations terrestres traversées par un sondage, pouvant Aetre monté sur un patin conçu pour se déplacer le long de la paroi dudit sondage et en contact avec ladite paroi, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont linéaires, sensiblement parallèles k l'axe longitudinal dudit sondage et espacées suivant une direction sensiblement perpendiculaire audit axe longitudinal et en ce que la largeur dudit réseau, mesurée dans une direction sensiblement perpendiculaire audit axe longitu dinal, est inférieure à dix centimètres et dont la longueur, mesurée dans une direction sensiblement parallèle audit axe longitudinal, est approxima- - tivement trois à cinq fois plus grande-que ladite largeur. 2. Réseau d'électrodes pour l'étude des formations terrestres traversées par un sondage, pouvant être monté sur un patin conçu pour se déplacer le long de la paroi dudit sondage et en contact avec ladite paroi, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont linéaires,sensiblement parallèles entre elles et formées d'une électrode centrale et de première, seconde et troi sième paires d'électrodes respectivement court-circuitées et disposées symétriquement par rapport à à. l'électrode centrale et à des distances res pectives croissantes par rapport à cette électrode centrale, ladite élec trode centrale-étant sensiblement plus courte que les électrodes de la troisième paire, et les électrodes des première et seconde paires ayant des longueurs comprises entre la longueur de l'électrode centrale et celle des électrodes de la troisième-paire. 3. Réseau d'électrodes suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les électrodes desdites première et seconde paires ont sensiblement la même longueur 4. Réseau d'électrodes suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les électrodes de la troisième paire sont approximativement huit à douze fois plus longues que l'électrode centrale, et que les électrodes des première et seconde paires sont approximativement cinq à sept fois plus longues que l'électrode centrale. 5. Réseau d'électrodes suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les électrodes de la troisième paire ont une longueur comprise approximativement entre dix-neuf et trente-deux cm. 6. Réseau d'électrodes suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la longueur des électrodes de ladite troisième paire est appro ximativement trois à cinq fois plus grande que la larges du réseau. 7. Réseau d'électrodes suivant l'une des revendications précédentes, caracté risé en ce qu'il est monté sur un patin rigide. 8. Dispositif pour étudier des formations terrestres traversées par un sonda ge, comportant un organe de support allongé destiné à se déplacer à tra vers le sondage et un patin en contact avec la paroi, qui est supporté par ledit organe de support et qui est conçu de manière à être pressé con tre la paroi du sondage, caractérisé en ce qu'il comporte ledit réseau d'électrodes tel que défini à l'une des revendications précédentes, ledit réseau étant monté sur la face dudit patin en contact avec ladite paroi et lesdites électrodes étant sensiblement parallèles à l'aie longitudinal dudit organe de support allongé. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un premier circuit couplé audit réseau d'électrodes pour qu'un courant électrique se propage dans la zone de formations comprise entre deux desdites électrodes et vraisemblablement envahie par le fluide rem plissant le sondage et un deuxième circuit pour mesurer ledit courant électrique et la différence de potentiel entre une électrode de référence éloignée et un point situé entre lesdites deux électrodes, de façon à produire un signal caractéristique de la résistivité de ladite zone.