Brevet FR2497580A1 — publié le 19820709

La présente invention se rapporte à une méthode de diagraphie en puits par voie acoustique et en particu- lier à une méthode pour déterminer la perméabilité d'une formation rocheuse. Il est bien connu que des mesures de conductivité et de porosité d'une formation rocheuse sont importan- tes pour déterminer si des hydrocarbures s'y trouvent, ces hydrocarbures étant trouvés sous forme de fluides non conducteurs dans les formations rocheuses poreuses. Il est également bien connu que l'on ne peut générale- ment pas extraire les hydrocarbures d'une formation rocheuse poreuse à moins que cette formation ne soit également perméable. A ce jour, aucun appareil connu ne permet de mesurer avec précision la perméabilité d'une formation rocheuse in situ. En conséquence, une fois détectés les hydrocarbures, il faut généralement obtenir une carotte latérale d'une formation donnée pour pouvoir mesurer sa perméabilité en laboratoire. Cette technique demande du temps et une dépense impor- tante. On connalt bien également les techniques de diagra- phie en puits par voie acoustique et la possibilité d'application de ces techniques pour déterminer la per- méabilité d'une formation a été prédite par Rosenbaum dans l'article "Synthetic Microseismograms: Logging In Porous Formations (Microséismogrammes synthétiques Diagraphie dans les formations poreuses) ", Geophysics Volume 39 Numéro 1 (Février 1974). -Rosenbaun a étudié numériquement le cas idéal d'un forage rempli d'un fluide non visqueux surmonté par une formation poreuse et qui se conforme à la théorie de Biot. Son étude a montré que l'effet de la mobilité du fluide dans les pores sur la réponse calculée est im- portante et peut se mesurer avec un outil de diagraphie approprié. Il a prédit de plus que l'amplitude relative de l'onde tubulaire produite par un outil acoustique présentant une réponse sur une large bande de fréquence dépendrait de la perméabilité de la formation. En réaction aux prédictions de Rosenbaum, au moins un essai a été fait pour utiliser des outils de diagra- phie acoustique standard pour déterminer la perméabili- té. Dans un document intitulé "Profils de perméabilité obtenus par diagraphie acoustique", par J. J. Staal et J.D. Robinson, et présenté à la 52ème Conférence Tech- nique annuelle de la Société des Ingénieurs du Pétrole de A.I.M.I., tenue à Denver, Colorado, 9-12 Octobre 1977, il a été indiqué qu'il était possible de détecter une corrélation entre la perméabilité et l'amortisse- ment de l'onde tubulaire au moyen d'une sonde acousti- que standard Schlumberger présentant une distance entre l'émetteur et le récepteur allant jusque 1,524 m. Alors qu'il serait possible d'utiliser des outils de diagraphie acoustique standards pour déterminer la perméabilité, un besoin existe pour une amélioration des techniques de détermination de cette perméabilité. En conséquence l'invention réside en l'un des as- pects d'une méthode de détermination de l'imperméabi- lité d'une formation comprenant les phases de: (a) faire parcourir un forage à un outil comportant des moyens d'émission d'énergie acoustique basse fré- quence; (b) faire émettre des impulsions aux dits moyens d'émission; (c) détecter ladite énergie acoustique à un premier récepteur présentant une réponse en fréquence, dans les conditions du forage, entre 0,1 kHz et 30kHz, ledit récepteur étant couplé aux dits moyens d'émission par un câble d'une longueur supérieure à 1,524 m; et, (d) déterminer l'amplitude des ondes tubulaires détectées par ledit récepteur en un certain nombre d'emplacements dans lediL forage. Selon un autre aspect, l'invention réside en une méthode pour déterminer la perméabilité d'une formation comprenant les phases de: (a) faire parcourir un forage à un outil comportant des moyens d'émission d'énergie acoustique depuis au moins 1 kHz jusque 20 kHz; (b) faire émettre des impulsions aux dits moyens d'émission; (c) détecter ladite énergie acoustique à un premier récepteur d'un type présentant un cylindre de matériau piézoélectrique comportant des flasques d'extrémité qui assurent l'étanchéité des deux extrémités dudit cylindre, ainsi qu'un conduit, à travers l'un desdits flasques d'extrémité, qui transmet les changements de pression ambiante mais non les changements de pression dynamique, ledit récepteur présentant une réponse en fréquence entre 0,1 kHz et 30 kHz, ledit récepteur étant couplé aux dits moyens d'émission par un câble d'une longueur supérieure à 1,524 m; et, (d) déterminer l'amplitude des ondes tubulaires détectées par ledit récepteur en un certain nombre d'em- placements dans ledit forage. Lorsque l'on suit la méthode de l'invention, on peut observer des modifications d'amplitude des ondes tubulaires en l'un des emplacements retenus dans le fo- rage par rapport à un autre quelconque desdits emplace- ments. Cette modification de l'amplitude de l'onde tubu- laire donne alors une mesure de la perméabilité de la formation. De préférence, le récepteur est couplé aux moyens d'émission par un câble d'une longueur d'environ 4,57 m. De préférence, on prévoit un second récepteur o on détecte l'énergie acoustique, ce second récepteur étant du même type que le premier récepteur mentionné et étant placé à une distance d'environ 6,1 m des moyens d'émission. Lorsque l'on utilise le second récepteur mentionné ci-dessus, le rapport de l'amplitude des on- des tubulaires détectée par le premier détecteur et de l'amplitude des ondes tubulaires détectée par le second détecteur peut s'observer en chacun des empla- cements retenus dans le forage. Les modifications du rapport mentionnées ci-dessus fournissent également une mesure de la perméabilité de la formation étuidée par diagraphie. Selon un autre aspect important de l'invention, la phase de détection mentionnée ci- dessus s'accomplit au moyen d'un récepteur d'un type présentant un cylindre de matériau piézoélectrique avec des flasques d'extré- mité qui assurent l'étanchéité des deux extrémités du cylindre. Un conduit à travers l'un des flasques d'ex- trémité transmet les modifications de pression ambiante mais non les modifications de pression dynamique dans le cylindre. La longueur et la surface de section droite correctes du conduit s'obtiennent en ajustant à la presse un tube de la longueur et du diamètre intérieur désirés dans une ouverture dans l'un des flasques d'ex- trémité. Selon une autre réalisation importante de l'inven- tion, les moyens d'émission et les récepteurs mention- nés ci-dessus ne sont pas situés dans un carter d'une seule pièce mais sont mécaniquement couplés l'un à l'autre uniquement au moyen de câbles. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente un schéma d'un système de diagraphie acoustique en puits permettant de mettre en oeuvre une méthode de détermination de la perméabilité d'une formation rocheuse selon un exemple de l'inven- tion; la figure 2 est une coupe de l'un des récepteurs utilisés dans le système représenté sur la figure 1 les figures 3 et 4 sont des enregistrements de trains d'ondes normalisés obtenus en utilisant le sys- tème de diagraphie en puits de la figure 1; la figure 5 montre les diagrammes de perméabilité comme on les détermine au moyen des amplitudes d'ondes tubulaires normalisées détectées à différents interval- les en utilisant le système de la figure 1; et égale- ment comme on la détermine par la méthode de la carotte latérale, en comparaison avec la teneur en schiste ar- gileux sur les mêmes intervalles; la figure 6 est un tracé de la perméabilité estimée obtenue en utilisant le système de la figure 1 et com- parée aux mesures de la perméabilité obtenues à l'aide de la technique de la carotte; et, la figure 7 représente des enregistrements de trains d'ondes nornalisés obtenus en utilisant le système de la diagraphie en puits de la figure 1, comparés à un système de diagraphie en puits selon la méthode anté- rieure, avec un espacement émetteur-récepteur plus im- portant que normalement. En se référant tout d'abord à la figure 1, dans le système de diagraphie acoustique en puits représenté, un outil de diagraphie (carottage par sondage acousti- que) est relié, au moyen d'un premier câble 11, aux composants du système placés au sol. L'outil de dia- graphie 10 est placé dans le trou de forage à l'inté- rieur d'un puits 12 rempli d'un fluide, par exemple une boue de forage indiquée par le repère 14. Les composants au sol comportent un panneau de com- mande de surface 16 auquel le câble 11 est relié en passant par une poulie 18. Un moteur 20 commandé à par- tir du panneau de commande de surface 16 manoeuvre la poulie 18 pour faire monter ou descendre l'outil de diagraphie 10 dans le puits 12. Un dispositif de sortie de données tel qu'un enregistreur numérique 22 est re- lié électriquement au panneau de commande de surface pour enregistrer et/ou visualiser les données détectées par l'outil de diagraphie 10. L'outil de diagraphie 10 comporte un émetteur 24 pour émettre une impulsion d'énergie acoustique dans le puits 12. Cette impulsion a un spectre de fréquence centré autour de 20 klIz mais des basses fréquences s'étendant au moins jusque 1 kHz sont également émises. Un premier récepteur acoustique 28 large bande est relié à l'émetteur 24 par un câble 26. Le récepteur acoustique large bande 28 est sensible aux fréquences comprises entre environ 0,1 MHz et 30 kHz et sera décrit plus en détail ci-dessous en référence à la figure 2. Le câble 26 doit avoir une longueur supérieure à 1,524 m, de préférence sensiblement supérieure. Selon une réalisation préférée, la distance entre l'émetteur 24 et le premier récepteur large bande 28 est d'environ 4,57 m. Une seconde longueur de câble 30 relie le premier récepteur acoustique large bande 28 à un second récepteur acoustique large bande 32 et une troisième longueur de câble 34 relie le second récepteur acousti- tlue large bande 32 à un troisième récepteur acoustique large bande 36. De préférence, la distance entre le second récepteur 32 et l'émetteur 34 est d'envrion 6,1 m tandis que la distance entre le troisième récep- teur 36 et l'émetteur 24 est d'environ 7,62 m. on pré- fère également que les récepteurs 28, 32 et 36 ne soient pas placés dans un carter venu d'une seule pièce mais soient couplés à l'émetteur 24 uniquement au moyen des câbles 26,30 et 34. Il est bien connu que les premières ondes qui arri- vent à chacun des récepteurs d'un système de sondage acoustique par diaphonieXont les ondes de compression, habituellement suivies des ondes de cisaillement, puis des ondes d es à la boue et finalement des ondes tubu- laires. L'espacement relativement long entre l'émetteur et le récepteur dans l'outil 10 donne le temps néces- saire aux différents paquets d'ondes de se séparer de façon telle que les ondes tubulaires mentionnées ci- dessus puissent plus facilement se détecter. Du fait que dans des conditions typiques de forage la fréquence des ondes tubulaires sera d'un ordre de grandeur de 1500 Hz ou moins, leur enregistrement nécessite l'em- ploi des récepteurs large bande mentionnés ci-dessus 28, 32 et 36. De façon générale les récepteurs qui présentent la largeur de bande demandée ne sont pas capables de résister aux conditions sévères d'ambiance que l'on rencontre pendant les sondages acoustiques par diagraphie. Par contre on choisit les récepteurs 28, 32 et 36 utilisés dans l'outil 10 de façon à ce qu'ils présentent la largeur de bande demandée et que néanmoins ils soient capables de résister à la pression élevée. Si on se réfère maintenant à la figure 2, elle dé- crit en détail un seul récepteur (28) bien que l'on admettra que tous les récepteurs 28, 32 et 36 sont identiques. Donc le récepteur 28 comporte un cylindre 38 en matériau piézoélectrique, fermé, pour éviter que les changements de pression dynamique ne soient trans- mis à l'intérieur du cylindre par des flasques métalli- ques d'extrémité 40 et 42. Ces flasques d'extrémité sont réunis par une manchette 44. Un tube 46, ajusté à la presse dans une ouverture du flasque d'extrémité 42, est accordé, comme on l'ex- pliquera plus en détail ci-dessous, sur la fréquence de coupure basse de la plage désirée, i.e, 0,1 kHz. La longueur et la surface de section droite de l'intérieur du tube 46 sont telle>que les changements de pression dynamique dans la plage de fréquence située au-dessus de la fréquence de coupure ne sont pas transmis par le tube, mais sue néanmoins le tube permet effectivement l'égalisation de la pression statique entre l'extérieur et l'intérieur du cylindre. Le flasque d'extrémité 42 présente une portion 48 qui s'ajuste à l'intérieur du cylindre 38 et le flas- que d'extrémité 40 présente une portion semblable 50. Des rainures périphériques dans les portions 48, 50 recoivent des joints toriques 52 et 54 respectivement qui isolent le matériau piézoélectrique du cylindre 38 d'avec les flasques métalliques d'extrémité et assu- rent l'étanchéité des extrémités du cylindre. Par ail- leurs des joints toriques 56 et 58 isolent le matériau piézoélectrique d'avec les flasques d'extrémité. Un trou 60 prévu dans le flasque d'extrémité 42 permet de mettre sous-vide le cylindre 38 et de le remplir d'huile. A la suite de quoi une vis pointeau 62 obture de façon étanche l'huile en place. Le cylindre 38 présente un revêtement conducteur sur ses surfaces interne et externe et un contact élec- trique 64 est relié par un conducteur à la surface con- ductrice interne du cylindre. Le contact 64 est relié à une traversée électrique 66 qui s'étend à travers un support de transducteur 68 monté sur le flasque d'ex- trémité 42 pour rejoindre un préamplificateur (non représenté) logé dans un boîtier 70 qui porte le sup- port 68. Un autre support de transducteur 72 est monté à l'autre extrémité du récepteur et il est lui-même por- té par un autre boîtier 74. Une bride 76 qui s'étend selon l'axe du récepteur joint ensemble les boîtiers et 74. Un soufflet caoutchouc rempli d'huile 78 entoure le récepteur et des fils métalliques 80 et 82 encer- clent ce soufflet et le fixent aux bottiers 70 et 74. Une cage 84 entoure et protète le soufflet. En service, l'énergie acoustique est transmise par des fentes dans la cage 84, à travers le soufflet 78 et à travers l'hui- s le qui s'y trouve, pour parvenir au récepteur sensible à l'énergie acoustique sur la totalité de la plage de fréquence sismique et au-delà. Bien entendu le soufflet 78 est disposé de façon à pouvoir résister aux pressions élevées qui règnent dans les forages profonds. On pourra mieux apprécier dans quelle mesure les dimensions du conduit formé par le tube 46 sont criti- ques par référence à une analogie avec un filtre élec- trique passe-bas. Un filtre électrique passe-bas com- porte une inductance et une capacité. Le volume défini par le cylindre piézoélectrique (réservoir) et le conduit de plus petit diamètre (étranglement) forme un filtre acoustique. Le matériau (eau ou huile) Lui se trouve dans le réservoir est à rigidité contrôlée et il est analogue à une capacité. Le matériau de l'étranglement est à masse contrôlée et il est donc analogue à une inductance. La capacité peut s'exprimer sous la forme: Ca = v (1) a p2 pv avec: Ca: capacité, V: volume du matériau du cylindre 38, p: densité du matériau du cylindre, et v: vitesse du son dans ce matériau. L'inductance La peut s'exprimer sous la forme Le La AC (2) avec: Le: longueur du tube 46, et Ac: surface de la section droite du tube. La fr&quence de coupure fc pour un tel filtre passe-bas est donnée par: fc_ (3) A titre d'exemple, considérons une réalisation de l'invention o le diamètre interne d2 du cylindre 38 est 3,4925 cm, le diamètre d1 de la manchette 44 est 1,5875 cm et la longueur L du cylindre est 3,0163 cm. Egalement la longueur Le du tube 46 est 3,81 cm avec un diamètre interne de 0,0397 cm. Enfin supposons que le matériau qui se trouve dans le cylindre 38 soit de 1 'eau. La surface de section droite du tube 46 est: A7 2 Ac = - (0,0397) = 0,001237 cm2 (4) L'inertie, qui est équivalente à l'inductance est donnée par: La = Le x 3,81 (5) A= 1 x 0,00o237 = 30,82 x 102 - Le volume de l'intérieur du cylindre est: V3=0- (d22d 2) L (6) 4 2 1 2 2 - (3,4925 - 1,5875 2 (3,0163) = 22,91 cm3 La masse qui est équivalente à la capacité, est donnée par: C 22,91 (7) pv2 1,0 x (1,5 x 105)2 = 10,18 x 10-10 De ce qui précède la fréquence de coupure pour cette réalisation spécifique est: (8) 3._ 0,3185 fc 1 0=,3185 179,8 a V JlA,2.x lol8 x 10l Ceci indique une fréquence de coupure basse de Hlz qui s'améliore considérablement en remplissant le cylindre avec de l'huile. Une telle fréquence de coupure est suffisamment basse pour faire en sorte que le récepteur 28 réagisse aux ondes tubulaires. Lorsque l'on utilise l'appareil que l'on vient de décrire pour déterminer la perméabilité d'une forma- tion rocheuse, on fait passer l'outil 10 le long du forage du puits 12 et l'émetteur 24 envoie des impul- sions et on détecte l'énergie acoustique aux récepteurs 28, 32 et 36. De préférence, pour chaque longueur de un pied (0,3048 m) le long du forage, on enregistre à la surface de chacun des récepteurs 28, 30 et 32 un train d'onde d'une durée de 10 ms. On échantillonne ce train d'onde à des intervalles de 5,As et on mémorise l'échantillonnage. On peut traiter, mais pas nécessai- rement, les données numériques par un programme ordi- nateur qui détermine l'instant de la première arrivée (onde p),(onde de compression), qui égalise l'amplitu- de de chaque train d'onde en utilisant l'onde P le long du profil et qui aligne l'arrivée à un autre instant arbitraire. Cette alignement à pour but de com- penser les variations possibles de la source d'énergie =2 -2497580 il2 acoustique pendant le déroulement du sondage par diagraphie. Ces données ont été collectées et mises sous forme de tracé comme représenté sur les figures 3 et 4 et utilisees pour identifier les arrivées des ondes tubulaires pour chaque récepteur. On choisit une fenêtre de temps appropriée, de l'ordre 0,5 ms, autour de l'instant d'arrivée de l'onde tubulaire. on détermi- ne l'amplitude maxima du maximum au minimum dans cette fenêtre. on observe le changement de cette amplitude en!onction de la profondeur-. Cette amplitude fournit une mesure de la perméabilité. Comme on peut le voir sur la figure 4, la qualité des données se détériore par suite des difficultés d'identifier les instants d'arrivée des ondes tubulai- res dans le schiste argileux et, par conséquent, l'in- vention est de moindre utilité dans les zones de-teneur élevée en schiste. Toutefois, en se référant maintenant à la figure 5, on a étalonné les diagrammes d'amplitude normalisée pour la fenêtre choisie autour de l'arrivée des ondes tubulaires et on les a comparé aux échantil- lons de perméabilité obtenue par la méthode du carot- tage aux mêmes intervalles. on peut voir une bonne corrélation à l'exception des zones, mentionnées ci- dessus de haute teneur en schiste. La figure 6 est un nuage de corrélation de porméa- bilits mesurées par la méthode du carottage et compa- rées aux perméabilités estimées déterminées à partir des amplitudes des ondes tubulaires en utilisant la méthode de l'invention; on peut voir qu'il existe une corrélation sur la totalité de la plage située entre io et 10.o00 millidarcv. En se référant maintenant à la figure 7, on voit sur la partie gauche de la figure des enregistrements de formes d'ondes utilisant la méthode de l'exemple de donné ci-dessus et par comparaison des enregistrements de forme d'onde obtenues en utilisant l'appareil consi- déré comme de la technique actuelle, l'espacement entre l'émetteur et le premier récepteur étant d'environ 4,57 m. Par contre, le dispositif mentionné ci-dessus correspondant à la technique actuelle n'utilise pas de récepteur large bande tel qu'on l'utilise dans l'outil 10. De plus dans ce dispositif le récepteur et l'émet- teur étaient logés dans un carter rigide par opposition à la disposition par câble de l'outil 10. Comme on le voit il était exclu d'identifier de façon distincte des ondes tubulaires. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'e:xemple non limitatif sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Mthode de détermination de la perméabilité d'une formation, caractérisée en ce qu'elle comporte les phases de: (a) faire parcourir un forage à un outil comportant des moyens d'émission d'énergie acoustique basse fré- quence; (b) faire émettre des impulsions aux dits moyens d'émission; (c) détecter ladite énergie acoustique à un premier récepteur présentant une réponse en fréquence, dans les conditions du forage, entre 0,1 kHz et 30 kHz, ledit récepteur dtant couplé aux dits moyens d'émission par un câble d'une longueure supérieure à 1,524 m; et, (d) déterminer l'amplitude des ondes tubulaires détectées par ledit récepteur en un certain nombre d'emplacements dans ledit forage. 2. Méthode de de détermination de la perméabilité d'une formation caractérisée en ce qu'elle comporte les phases de: (a) faire parcourir un forage à un outil comportant des moyens d'émission d'énergie acoustique depuis au moins 1 kHz jusque 20 kHz; (b) faire émettre des impulsions aux dits moyens d'émission; (c) détecter ladite énergie acoustique à un pre- mier récepteur d'un type présentant un cylindre de matériau piézoélectrique comportant des flasques d'extrémité qui assurent l'étanchéité des deux extré- mités dudit cylindre, ainsi qu'un conduit, à travers l'un desdits flasques d'extrémité, qui transmet les chanqements de pression ambiante mais non les change- ments de pression dynamique, ledit récepteur présen- tant une réponse en fré6uence entre 0,1 kHz et 30 kHz ledit récepteur étant couplé aux dits moyens d'émission par un câble d'une longueur supérieure à 1,524 m; et, (d) déterminer l'amplitude des ondes tubulaires dé- tectées par ledit récepteur en un certain nombre d'em- placements dans ledit forage. 3. Miléthode selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus les phases consistant à observer les changements d'am- plitude desdites ondes tubulaires entre l'un de ces emplacements et un autre des mêmes emplacements, dans ledit forage. 4. Méthode selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisée en ce que la phase (d) s'accomplit en mesurant l'amplitude maxima de maximum à minimum desdites ondes tubulaires à chacun desdits emplacements de l'ensemble des emplacements. 5. Méthode selon la revendication 1 ou la revendica- tion 2, caractérisée en ce bue ledit premier récepteur est situé à une distance d'environ 4,57 m desdits moyens d'émission. 6. Méthode selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus la phase consistant à détecter ladite énergie acoustique à une distance d'environ 6,1 m desdits moyens d'émission à l'aide d'un second récepteur ayant ladite réponse en fréquen- ce; la phase (d) incluant la détermination de l'am- plitude des ondes tubulaires détectées à la fois par ledit premier récepteur et ledit deuxième récepteur en chacun des emplacements dudit ensemble d'emplace- ments dans ledit forage. 7. Miéthode selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus la phase consistant à déterminer le rapport de l'amplitude des ondes tubu- laires détectées par ledit premier récepteur et de l'amplitude des ondes tubulaires détectées par ledit second récepteur en chacun des emplacements dudit ensemble d'emplacements dans ledit forage. S. méthode selon la revendication 6 ou selon la revendication 7 et, caractérisée en ce qu'elle compor- te de plus la phase consistant à détecter ladite énergie acoustique à une distance d'environ 7,62 m desdits moyens d'émission avec un troisième récepteur présentant ladite réponse en fréquence, la phase (d) incluant la détermination d'amplitude des ondes tubu- laires détectées par ledit premier, ledit deuxième et ledit troisième récepteurs en un ensemble d'empla- cements dans ledit forage. 9. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus la phase consistant à déterminer le rapport de l'amplitude des ondes tubu- laires détectées par ledit second récepteur à l'am- plitude des ondes tubulaires détectées par le troisiè- me en chacun des emplacements dudit des emplacements dans ledit forage. 10. Méthode selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'émission et le récepteur/ou chacun des récepteurs sont mécaniquement couplés l'un à l'autre uniquement par l'intermédiaire dudit câble ou desdits câbles respectifs.