Brevet FR2483510A1 — publié le 19811204

Pour forer un puits de pétrole, on utilise habituellement un train de tiges de forage à l'extré- mité inférieure duquel est fixé un trépan. Le train de tiges est raccordé à un circuit de circulation de boue qui utilise typiquement de la boue de forage qui est pompée par une pompe à plusieurs cylindres. La pompe est raccordée par une canalisation à boue au sommet du train de tiges et la boue est envoyée sous pression au sommet du train de tiges de façon à s'écouler dans le train de tiges jusqutau trépan La pompe fonctionne typiquement à des pressions élevées et il n'est pas rare que la pression à l'orifice de refoulement de la pompe soit de l'ordre de 140 à 210 bars. Les pompes habituellement utilisées sont des pompes à plusieurs cylindres. Pendant le fonctionnement de la pompe, il se produit des à-coup de pression de l'ordre de 14 à 21 bars qui sont provoqués par les courses motrices des pistons individuels à l'intérieur de la pompe. Ces à-coup de pression sont très importants en particulier à la surface où l'amortissement des à-coup de pression dans le circuit d'amenée de la boue est minimal. On connait déjà des appareils de mesure fonctionnant pendant le forage. Un tel équipement fonctionne typiquement en formant des étranglements réglables dans le train de tiges. Ces étranglements produisent des impulsions de pression qui sont retransmises à la surface par l'intermédiaire de la colonne de boue contenue dans le train de tiges. A titre d'exemple, on notera qu'un étranglement peut être formé par l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage pour produire un signal qui est ensuite transmis par l'intermédiaire de 3000 m de boue qui forment une colonne dans la tige de forage. Bien que l'on puisse considérer que la boue est un fluide incompres sible, le signal reçu à la surface de l'équipement situé au fond du trou de sonde est néanmoins relativement faible.Ce signal est relativement faible et il est inférieur aux à-coup de pression de la pompe qui se produisent à la surface. Les impulsions ou variations de pression qui se produisent à la surface sont importantes; elles peuvent être de dix à cent fois supérieures aux données variables transmises par l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage. Au cours du fonctionnement de l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage, les impulsions de pression se propagent dans la boue à une vitesse égale à la vitesse de propagation acoustique, ou vitesse sonique, dans le milieu. Selon la composition de la boue de forage, cette vitesse est de l'ordre de 1200 à 1500 m/s. En outre, chaque impulsion de pression est accompagnée d'un changement de vitesse de fluide qui est défini par la relation quantifiant l'effet de coup de bélier.La relation changement de pression changement de vitesse est par conséquent, donnée par l'équation suivante (1) P = RCV dans laquelle P = la grandeur de 1 t impulsion de pression, R = la masse volumique du fluide, C = la vitesse sonique dans le fluide, et V = le changement de vitesse du fluide. Comme il résulte de l'équation ci-dessus, les impulsions de pression produites par l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage sont fonction des changements de vitesse du fluide conformément à cette équation. Une pompe à boue typique produit un à-coup de pression pendant chaque course motrice des pistons individuels qu'elle comporte. Ceci représente un à-coup de pression de sens positif. Cet à-coup de pression accroît la vitesse d'écoulement de la boue dans le train de tiges. Inversement, les impulsions de l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage disposé au fond du trou de sonde diminuent la vitesse d'écoulement de la boue du fait de leur propagation dans le sens opposé. Si l'on prend en considération la direction de propagation dans le circuit, on obtient, par conséquent, une relation intéressante. Pour un à-coup de pression donné produit par la pompe et se déplaçant vers l'aval dans le même sens que le courant de boue, il se produit un accroissement de pression positif et un accroissement correspondant de la vitesse d'écoulement. Inversement, dans le cas où l'impulsion de pression provient de l'équipement situé au fond du trou de sonde et se déplace vers l'amont, en sens inverse du courant de boue, une impulsion produite par l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage et se propageant vers l'amont en sens inverse du courant de boue est accompagnée d'une diminution de la vitesse de la boue s'écoulant dans le train de tiges. Intuitivement, ceci est en accord avec l'observation que l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage, qui étrangle momentanément le courant de boue pour engendrer une impulsion de pression, freine également la vitesse d'écoulement de la boue. Ceci est un phénomène linéaire et, de ce faitS les impulsions qui se propagent dans les deux sens s'additionnent algébriquement. Les variations de pression et de vitesse sont ainsi cumulatives On observera à la lecture des paragraphes qui précèdent que la vitesse ultrasonore dans le fluide est modifiée par les à-coup de pression qui se propagent dans les deux sens. On comprendra que les à-coup de pression accroissent ou réduisent la pression de régime stable qui est maintenue dans le circuit. Par exemple, la pression de régime stable peut être de 210 bars tandis que les à-coup de pression de la pompe peuvent être constitués par de courtes pointes de 14 à 21 bars qui s'ajoutent à la pression de régime stable.Quoiqu'il en soit, on peut assimiler la pression de régime stable à une valeur de base qui peut être éliminée des calculs si on la manipule correctement de sorte que seules les variations de pression sont notées. La partie transitoire du signal de pression est proportionnelle à la variation de vitesse ou de débit. Ainsi, il est possible d'obtenir un signal qui est proportionnel aux variations de pression. Il est également possible d'obtenir un signal proportionnel aux variations de vitesse. Ces deux signaux sont donnés pour les relations suivantes (2) SV = K1V (3) SP = K2P Une relation fondamentale qui existe est donnée par l'équation (4) P = RCV Dans ces équations V = la variation de vitesse, P = la variationde pression, R = la masse volumique du fluide, et C, K1 et K2 = diverses constantes. En effectuant des substitutions dans les équations, on obtient la relation suivante (5) SP = K3SV Au moyen d'une manipulation des signaux représentatifs de ces deux quantités, d'une inversion de polarité et d'une addition appropriée, on peut compenser ces signaux l'un par l'autre et obtenir une valeur nulle. Cette relation se vérifierait ainsi dans le cas de valeurs positives de variation de pression (accroissement au-dessus dela valeur de régime stable). Le présent appareil utilise ainsi le dispositif détecteur décrit pour obtenir la différence entre les signaux de sortie des capteurs (après une modification appropriée des signaux) qui sont provoqués par les variations de pression et de vitesse encendrées par la pompe et produit un signal de sortie nul.Lorsque ce résultat est obtenu, les impulsions de pression de la pompe (bruit) sont éliminées du signal de sortie. Lorsqu'une variation de pression est re çue de l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage, cette variation est additive du fait que la variation de pression au fond du trou de sonde (accompagnée d'une variation de vitesse qui se propage) traverse l'appareil détecteur qui répond à la variation de vitesse constituée par une baisse de vitesse. En d'autres termes, une impulsion qui se propage à partir de l'appareil de mesure fonctionnant pendant le forage a deux manifestations, l'une étant un accroissement de la pression au niveau de l'équi- pement de mesure et l'autre étant une baisse de vitesse. Compte tenu de la polarité relative des deux signaux qui sont créés par le présent appareil, les impulsions de pression de la pompe sont éliminées tandis que les impulsions de pression provenant du fond du trou-de sonde sont nettement accrues. Les effets mentionnés ci-dessus sont linéaires et, par conséquent, additifs. Du fait qu'ils sont additifs (ils se présentent sous la forme de pointes de pression et de vitesse), les signaux de bruit de la pompe sont éliminés tandis que les signaux provenant de l'équipement situé au fond du trou de sonde sont transmis en sortie par l'appareil. Le signal de sortie est accentué ou accru. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure unique représente l'appareil de l'invention, sous forme d'un schéma-bloc, monté sur une canalisation à boue servant à transporter la boue, d'une pompe jusqu'à un train de tiges de forage. On se référera maintenant à la figure du dessin dans laquelle la référence 10 désigne l'appareil de la présente invention, appareil que l'on décrira comme étant un appareil détecteur. L'appareil détecteur coopère avec un tuyau 12 qui est l'un des tuyaux qui transportent-le courant de boue de la pompe jusqu'au train de tiges. Le tuyau 12 peut être disposé à un emplacement commode quelconque le long du trajet parcouru par le courant de boue, par exemple en aval de l'orifice de refoulement de la pompe et en amont de la tige carrée. L'emplacement particulier choisi est susceptible de varier. Le tuyau 12 transporte la boue sous une pression qui est typiquement de l'ordre de 140 à 210 bars. La boue s'écoule à un débit important qui peut atteindre éventuellement 3800 I/mn.Toute la boue qui s'écoule dans le train de tiges ssécoule, à sa sortie de la pompe, dans le tuyau 12. Comme indiqué dans la partie gauche du dessin, le débit de boue n'est pas exactement constant. Au contraire, il se produit des variations de pression et de vitesse résultant du fonctionnément de la pompe. Il existe une pression de régime stable dans le courant et, en outre, des valeurs incrémentielles sont ajoutées à la pression et à la vitesse. Les valeurs stables du courant de boue sont représentées par les symboles P et V qui représentent respectivement la pression et la vitesse dans un quelconque système de mesures. La pompe à boue est typiquement une pompe comportant de deux à quatre pistons et chaque piston produit typiquement des variations de pression et des variations de vitesse.Ces variations se présentent typiquement sous la forme de petites impulsions ou pointes ajoutées à la pression de régime stable du circuit. Le courant de boue est ainsi représenté par les symboles P et V- et les variations incrémentielles de la pression et de la vitesse du courant de boue sont représentées par les symboles indiqués sur la figure. Des valeurs positives et négatives peuvent toutes deux se produire. Sur le dessin auquel on continuera de se référer, la référence 16 désigne un générateur de signaux ultrasonores de mesure de vitesse de fluide qui est fixe au tuyau 12. La référence 18 désigne un détecteur de signaux ultrasonores de mesure de vitesse de fluide Un faisceau d'ultrasons est transmis à travers le tuyau. La plupart des boues de forage contiennent un fort pourcentage de matières so- lides. On utilise dans ce cas un émetteur-récepteur ultrasonore du type à effet Doppler du fait qu'il est difficile de faire traverser par un signal tout le diamètre du tuyau dans des fluides opaques. Lvémet- teur et le récepteur de signaux sont situés au meme point et le signal rebondit sur les particules et retourne au point d'émission.Lorsque l'on fore en utilisant un fluide contenant peu de matières solides, tel que de la saumure, on utilise un compteur de vi tesse ultrasonore qui comporte un émetteur et un récepteur séparés, comme représenté sur le dessin. Dans ce cas, le signal est transmis à travers le fluide d'un côté du tuyau à l'autre et, naturellement, la vitesse du fluide est détectée au moyen des changements présentés par le signal. Dans ce cas, il n'y a pas suffisamment de matières solides dans le fluide pour réfléchir le signal en retour vers l'émetteur Si la boue ne se déplace pas, le signal présente un décalage de fréquence minimal. Si la boue s'écoule, il se produit un décalage de fréquence fonction de l'effet Doppler.On considère que les compteurs de vitesse ultrasonores utilisant des émissions ultrasonores à effet Doppler sont utilisés d'une manière courante par les mesures de vitesse de fluides et un tel équipement est utilisé ici. Le détecteur ultrasonore 18 de vitesse de fluide est typiquement constitué par un récepteur de signaux ultrasonores qui produit un signal de sortie qui prend une valeur de régime permanent représentative de la vitesse de régime stable. Cependant, de petites variations de vitesse sont également mesurées par l'équipement et ces variations sont également indiquées dans le signal de sortie. Par conséquent, la référence 20 désigne un circuit de traitement et d'amplification des signaux raccordé au détecteur 18.Le détecteur 18 produit ainsi un signal de sortie que l'on peut dé crire comme ayant deux parties dont l'une est une valeur en courant continu représentative de la vitesse de régime stable et dont l'autre représente les variations de vitesse incrémentielles. Le circuit de traitement des signaux supprime simplement la valeur de vitesse de régime stable. Par exemple, la vitesse peut entre de 3.800 l/m, qui est représentée par un signal de 10,0 V. Si ceci est le cas, le circuit de traitement des signaux fournit une tension égale à la tension de régime stable et qui est de valeur négative, réduisant ainsi la tension de sortie à zéro, Ensuite, seules les variations par rapport à la valeur de vitesse de régime stable sont produites à la sortie du circuit 20 de traitement des signaux. Le circuit 20 de traitement des signaux comporte un amplificateur qui applique une valeur de mise à l'échelle d'une quantité arbitraire qui est ajustée a un niveau approprié quelconque. La valeur de mise à l'échelle se présente ainsi sous la forme d'une constante réglable. Le signal de sortie est représenté sur le dessin comme etant une constante multipliée par le signal représentant les variations de vitesse produites par la pompe à boue. Ce signal est appliqué à l'entrée d'un amplificateur différentiel 22. Un transducteur 24 de pressions transitoires est monté adjacent au transducteur 18. Le transducteur 24-de pressions transitoires est un transducteur qui ne répond qu'aux variations et non à la valeur absolue. Dans ce cas également, on peut considérer que la pression est formée dë deux composantes, l'une étant la valeur de régime permanent ou valeur stable et l'autre étant la valeur de bruit additive représentée par la valeur de pression incrémentielle indiquée sur le dessin. Par exemple, un transducteur de pression à extensomètre produit un signal de sortie contenant ces deux valeurs. Si l'on utilise un élément transducteur'constitué par un cristal de quartz, le signal de sortie qui est produit ne contient que les réponses aux transitoires. En d'autres termes, le signal de sortie est une fonction des variations de pression. Le signal de variation est'appliqué à l'autre borne d'entrée de l'amplificateur différentiel 22. L'amplificateur différentiel 22 reçoit deux signaux d'entrée et l'un de ces signaux est soustrait de l'autre. Le signal de sortie de l'am- plificateur 22 est, ainsi, donné par l'équation (6) Sp KSV = signal d'entrée Ce signal est appliqué à l'entrée d'un circuit 24 de décodage des signaux lequel est, à son tour, raccordé à un enregistreur 24 à bande à base de temps. Sur la figure unique du dessin, on a indiqué une première série de variations de pression et de vitesse engendrées par la pompe à boue. On a indiqué également une seconde série de variations de pression et de vitesse provenant de la source de signaux située au fond du trou de sondeet qui se propagent vers l'amont. La seconde série de variations de signal interagit avec les transducteurs pour former un signal de sortie cumulatif ou additif transmis à l'enregistreur 26. Inversement, on annule les variations produites par la pompe à boue en ramenant à zéro le signal de sortie de l'amplificateur différentiel. Considérons l'exemple suivant. On suppose que la pression est de 210 bars et que la vitesse est de 2.800 l/mn (en fait, le débit et la vitesse sont des valeurs différentes mais proportionnelles et, de ce fait, elles peuvent être mesurées l'une par l'autre et ne diffèrent l'une de l'autre que d'un facteur de proportionnalité).Admettons également que les variations produites par la pompe à boue peuvent atteindre jusqu'à dix pour cent (10%) de ces deux valeurs. On ajuste les signaux fournis à l'amplificateur différentiel 22 jusqu'à ce qu'on obtienne un signal de sortie nul. En d'autres termes, on détecte les variations' de vitesse et de pression et on les compense l'une par l'autre et on obtient un signal de sortie nul. Admettons en outre, que les variations de vitesse et de pression produites par la source située au fond du puits sont très petites et ont une valeur qui est égale par exemple à un pour cent (1%) ou moins des valeurs stables. Ces signaux sont transmis au tuyau 12 et passent devant les transducteurs 18 et 24. Dans ce cas, la variation de pression se traduit par une réduction de vitesse. Du fait du rapport de phase des deux tensions appliquées aux entrées de l'ami plificateur différentiel, les deux signaux sont alors ajoutés d'une manière additive et forment un signal de sortie qui est proportionnel à la variation engendrée au fond du trou de sonde. Grâce au procédé de la présente invention, les variations produites par la pompe à boue sont ramenées à zéro tandis que les variations produites par le dispositif de signalisation situé au fond du trou de sonde sont accrues. Ceci permet à 1 appareil de produire les signaux de sortie requis. Le signal de sortie qui est ainsi formé ne contient que la variable et ne contien- pas les parasites ou bruit de fond. Le présent appareil produit un signal de sortie qui est fonction des valeurs transitoires et qui nsest pas fonction de la valeur stable. Ceci permets par conse- quint, à l'appareil de détecter de petits changements et de produire une amplification du circuit importante de ces petits changements. Le bruit engendré par la pompe a une amplitude bien plus grande; la présente invention réduit le bruit engendré en amont à une petite valeur, à l'intérieur de toute une gamme de valeurs, en agissant typiquement linéairement pour réduire le bruit à une valeur inférieure à celle du signal qui présente de l'intéret. Les impulsions de bruit produites par la pompe peuvent atteindre jusqu'à dix fois la valeur du signal qui présente de l'inté rêt et elles sont réduites par cet appareil à une valeur insignifiante. Bien que la description qui précède se rapporte au mode de réalisation préféré, la portée de la présente demande est déterminée par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1) Appareil conçu pour être utilisé dans un circuit de distribution de boue de forage utilisé pour le forage d'un puits de pétrole, ce circuit transportant de la boue refoulée par une pompe à boue dans un tuyau, ce tuyau étant raccordé à un train de tiges de forage ssétendant jusqu'à un appareil de signalisation situé au fond du trou de sonde à partir duquel des signaux se propagent vers le haut dans la colonne de boue contenue dans le train de tiges, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (16, 18, 20, 22, 24) pour mesurer et réduire à une valeur minimale les variations de la vitesse et de la pression du courant de boue produites par la pompe à boue et se propageant dans la colonne de boue, ces moyens produisant un signal de sortie qui est représentatif des variations engen- drées par l'appareil situé au fond du trou de sonde. 2) Appareil selon la revendication 1, caractersé en ce qu'il comporte un premier dispositif (24) pour mesurer les variations de pression dans la colonne de boue et un second dispositif (16, 18) pour mesurer les variations de vitesse dans la colonne de boue, les premier et second dispositifs produisant tous deux des signaux de sortie, un troisième dispositif (22) pour additionner des parties pondérées des signaux de sortie des premier et second dispositifs et pour produire une somme en sortie, en ce que le bruit de la pompe à boue est ?accompagné d'accroissements de pression et de vitesse qui sont additionnés et pondérés de façon à annuler un intervalle de variations spécifiées et en ce que les signaux provenant de l'appareil de signalisation situé au fond du trou de sonde sont additionnés et pondérés de façon ainsi à produire un accroissement additif. 3) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte a) un dispositif (16, 78) de mesure de vitesse monté de façon à mesurer la vitesse du courant de boue dans le circuit de distribution de boue en aval de la pompe à boue, dispositif qui produit un signal de sortie formé de deux composantes, une composante étant une valeur stable et une autre composante étant une valeur variable; b) un circuit (20) de traitement des signaux raccorde au dispositif de mesure de vitesse et comportant des moyens pour annuler la composante stable de sorte que ce circuit produit un signal de sortie qui ne contient que la composante variable;; c) un dispositif (24) de mesure des va dilations de pression monté de façon à mesurer les variations de pression du courant de boue s'écoulant dans le circuit de distribution de boue, dispositif qui produit un signal de sortie représentatif des variations de pression du courant de boue s'écoulant dans le circuit de distribution de boue; et un amplificateur différentiel (22) raccordé aux moyens de traitement des signaux et au dispositif de mesure des variations de pression pour soustraire l'un de l'autre les signaux représentatifs des variations de pression et de vitesse afin de produire un signal de sortie, lequel est représentatif des signaux provenant de l'appareil de signalisation situé au fond du trou de sonde. 4) Procédé pour détecter des impulsions de pression émises par un équipement de mesure fonctionnant pendant le forage, fixé au voisinage des parties les plus basses du train de tiges, équipement qui produit des signaux qui se propagent dans la colonne de boue contenue dans le train de tiges, signaux qui sont masqués par des impulsions qui proviennent des sources de bruit situées en d'autres emplacements de la colonne de boue et quine propagent vers l'aval, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste a) à mesurer les variations de pression. du courant de boue s'écoulant dans le train de tiges; b) à mesurer les variations de vitesse du courant de boue s'écoulant dans le train de tiges; c) à ajuster les grandeurs relatives des variations de pression et de vitesse en les multipliant par des facteurs de proportionnalité; et d) à additionner les mesures prises à l'échelle d'une manière telle que 1) les variations de vitesse et de pression produites par les sources de bruit amont soient réduites à une valeur minimale; et 2) les variations de vitesse et de pression produites par l'équipement de mesure fonctionnent pendant le forage soient renforcées en étant ajoutées l'une à l'autre.. 5) Procedé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à mesurer la valeur absolue des variations et à soustraire la partie stable. 6) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape d'ajustement des variations comporte l'étape qui consiste à multiplier la valeur par un facteur de proportionnalité fixe