Brevet FR2486997A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne une méthode pour déterminer le pendage de formations géologiques traversées par un sondage. Les pendagemntres les plus précis actuellement utilisés sont basés sur la mesure de la résistivité des formations géologiques le long de plusieurs génératrices du puits. Ces mesures sont effectuées à l'aide d'une sonde portant des électrodes qui doivent être placées au voisinage immédiat des formations géologiques. Ainsi, lorsque pour éviter un effondrement de la paroi on est contraint d'insérer un tubage dans le puits avant d'avoir pu effectuer toutes les mesures nécessaires, il n'est plus possible de mesurer la résistivité électrique des formations géologiques et d'en déduire le pen- dage des couches géologiques. De même, lorsque le forage est rempli de boues isolantes, du type boues à huile, la détermination du pendage ne peut être obtenue à l'aide de sondes utilisant des électrodes électriques. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients en pro- posant une méthode de détermination du pendage des terrains, à partir des signaux de réflexion d'une onde acoustique sur la paroi du puits, au niveau des formations géologiques, en mettant en corrélation les signaux recueillis le long de plusieurs génératrices du forage, de position connue par rapport à un système de référence. L'invention pourra 9tre bien comprise et tous ses avantages apparaîtront clairement à la lecture-de la description qui suit, illustrée par les figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente schématiquement une sonde acoustique mettant en oeuvre la méthode selon l'invention, - la figure 2A représente un patin de mesure en place dans un puits et directement en contact avec les formations géologiques, - les figures 2B et 2C montrent un patin de mesure en place dans un puits dont l'orifice central est séparé des formations géologiques traversées par un gateau de boues et par un tubage, - les figures 3A, 3B et 3C indiquent l'allure des signaux délivrés par la sonde dans les trois cas illustrés aux figures 2A, 2B et 2C et, - la figure 4 représente un signal identique à celui de la figure 3C et ayant subi un traitement dans un amplificateur logarithmique. Sur la figure 1, la référence 1 désigne la corps de sonde sus- pendu à l'extrémité d'un câble de manoeuvre 2, dans lequel peuvent 9tre incorporés des conducteurs électriques transmettant à la sonde l'énergie nécessaire à son fonctionnement et transmettant, en surface, les signaux délivrés par la sonde. Le corps de sonde 1 est, par exemple, pourvu de quatre patins de mesure, diamétralement opposés deux à deux. Deux seulement de ces patins sont représentés en 3a et 3b. Ils sont reliés au corps de sonde par un mécanisme, non représenté en détail, comportant des bras articulés 4a, 4b, pour déplacer les patins par rapport à l'axe du corps de sonde, et les mettre en contact avec la paroi 5 du puits lors des mesures. Le corps de sonde 1 est également équipé d'un dispositif de centrage 6. Chaque patin de mesure acoustique est choisi par exemple du type de celui décrit dans le brevet français 2 172 &80. Sommairement, et comme le montre la figure 2A, chaque patin comporte un transducteur émetteur-récepteur d'ondes acoustiques 15 du type piézo-électrique qui, à la réception d'un signal électrique transmis par le câble 7, émet une impulsion acoustique et qui, à la réception d'une impulsion acoustique délivre un signal électrique transmis par le câble 7. Le diagramme d'émis- sion et de réception du transducteur 18 est choisi très directif. De plus, le transducteur 18 est placé de telle sorte qu'il émet dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de la sonde et reçoit les ondes acoustiques qui se réfléchissent perpendiculairement à l'axe de la sonde. Le transducteur 18 est placé dans un boitier 8 contenu dans un logement 9 du patin de mesure 3. Au moins un élément intermédiaire ou palpeur 10, solidaire du boitier 8, est interposé entre le transducteur 18 avec lequel il est en contact, et la surface interne du puits. La surface externe 11 du palpeur 10 est telle qu'elle s'applique parfaitement contre la paroi interne 5 du puits. Des moyens élastiques 12, tels qu'un ressort, interposés entre le fond du logement 9 et un épaulement 13 du boitier 8, maintiennent le palpeur 10 en contact avec la paroi du puits en déplaçant le bottier perpendiculairement à l'axe de la sonde. L'élément intermédiaire 10 est, de préférence, réalisé en polyimide tel que celui commercialisé sous le nom de VESPEL, éventuelle- ment additionné de charges de graphite. Mais il n'est pas exclu d'utiliser d'autres matériaux tels qu'une résine époxy, par exemple celle commercia- lisée sous le nom de ARALDITE. Ainsi l'épaisseur et les caractéristiques acoustiques de l'élément intermédiaire sont connues avec précision. La sonde est également pourvue d'un dispositif diamétreur non représenté, qui indique la valeur du diamètre du forage au-niveau o le palpeur 11 est en contact avec la paroi interne 5 du sondage. Un tel dispositif, bien connu de l'art antérieur, n'a pas besoin d'être décrit en détail. Par exemple, ce dispositif indique la valepr du diamètre du trou en tenant compte de la rotation des bras articulés 4a et 4b. Le fonctionnement d'un patin de mesure est indiqué ci-dessous an envisageant successivement'le cas o la paroi 5 du forage est cons- tituée par les formations géologiques elles-mêmes, par un gâteau de boues au contact des formations ou par un tubage cimenté dans le puits foré. Dans le premier cas, le palpeur 10 est directement en contact avec les formations géologiques comme représenté sur la figuke 2A. Le train de signaux S>délivré par l'émetteur-récepteur 18 après l'émission d'une onde acoustique>est du type de celui schématisé sur la figure 3A qui montre l'évolution de ce train de signaux en fonction du temps, l'origine étant l'instant d'émission to. On observe tout d'abord, à l'instant t1, un premier pic P1 qui représente la première réflexion du signal acoustique sur l'interface palpeur 10formation géologique, interface désigné par I1 dans ce qui suit. L'onde acoustique se réfléchit ensuite sur l'interface transduc- teur 18-palpeur 10 qui est désigné par Io0. Une partie de l'énergie acoustique ainsi réfléchie est à nouveau renvoyée sur l'interface I1. Cette nouvelle réflexion est représentée par le pic P2 qui apparaît à l'instant t2 et dont l'amplitude est inférieure à celle du pic P1. De la même façon, on observe une succession de pics d'amplitudes décroissantes P3,... aux instants t3,.. La formation géologique sur laquelle s'est réfléchie l'onde acoustique peut alors être caractérisée par différents éléments du train de signaux S$pris séparément ou en combinaison. Ces éléments sont: a) l'enveloppe E du signal S, tracée en trait mixte sur la figure 3A, b) l'amplitude de l'un quelconque des pics P1, P2 ' -2.. c) la largeur At de l'un quelconque des pics P11 P2 ' Les intervalles de temps [tO, ti1], [t1, t2].. sont repré- sentatifs du double de l'épaisseur du palpeur 10. Lorsque la paroi du puits est recouverte diun gâteau de boue 14 ("Mud cake" en anglais) (figure.2B), le train de signaux S délivré par le transducteur 18 a la forme schématisée sur la figure 3B, c'est-à-dire comporte des pics P1, P2, P3... résultant de la réflexion successive de l'onde acoustique sur l'interface palpeur 10-g9teau de boue 14 et des pics P'1, P'2, P'3... apparaissant aux instants t'1 t2, t'3..., et pics Pl l'' 1t2' P3 "'sa ' ' 2 qui résultent des réflexions successives de l'onde acoustique sur l'inter- face gâteau de boue 14-formations géologiques. Dans le train de signaux S représenté, on a supposé que le temps de parcours de l'onde acoustique dans le palpeur 10 est supérieur au temps de parcours de l'onde acoustique dans le gâteau de boue 14. L'intervalle de temps [t1, t'l] est représentatif du double de l'épaisseur du gâteau de boue 14. On peut donc corriger la valeur indi- quée par le diamétreur de la sonde pour connaître le diamètre réel du trou foré au niveau des formations géologiques. Comme précédemment, on peut caractériser le gâteau de boue 14 par l'un au moins des éléments suivants du train de signaux S: a) enveloppe E des pics P1, P2, P3... exclusivement, b) amplitude de l'un quelconque des pics P1, P2, P3... c) largeur At de l'un quelconque des pics P1, P2, P3 et d) intervalle de temps entre deux pics consécutifs tels que P'1, P'2, P'3. De la même façon la formation géologique sur laquelle stest réfléchie l'onde acoustique pour former les pics P P'... peut etre 1'R2 caractérisée par l'un au moins des éléments suivants du train de signaux S: a) enveloppe Et des pics P',I P'2, P'3... exclusivement, b) amplitude de l'un quelconque des pics P'1, Pt2, P'3.. et, c) largeur àt' de l'un quelconque des pics P'1, P'2' P'3... La figure 2C illustre le cas de mesures effectuées dans un puits comportant un tubage 15 maintenu en place par une cimentation 16. Le train de signaux S délivré par l'émetteur-récepteur 13 est tracé sur la figure 3C. Il comporte des pics P1, P2, P3 résultant des réflexionssuccessivesde l'onde acoustique sur l'interface palpeur 10- tubage 15. Apparaissent également des pics P' P'2... aux instants t'1, t'2.o qui résultent des réflexionsde l'onde acoustique sur l'interface tubage 15-ciment 16 et enfin des pics P "1 P"3... qui apparaissent P2' 3 aux instants t"1, t"2, t"3... et proviennent des réflexionsde l'onde acoustique sur l'interface ciment 16-formation géologique. L'intervalle de temps [t1, t'1] est représentatif du double de l'épaisseur du tubage 15, tandis que l'intervalle de temps [t1 t'"1lest représentatif du double de l'épaisseur du ciment interposé entre le tubage et la formation géologique au droit de la mesure. On peut donc, en tenant compte de l'intervalle de temps [t1, t"1] corriger la mesure du diamètreur pour connaître le diamètre réel du trou foré au niveau des formations géologiques. Comme précédemment, on pput caractériser le tubage 15 par l'un au moins des éléments suivants du train de signaux S: a) enveloppe E des pics P1, P2... exclusivement, b) amplitude des pics P1, P2, P3..., c) largeur At de l'un au moins des pics P1, P2, P3... et d) intervalle de temps [t1, t'1] La cimentationest caractérisée par l'un des éléments suivants du trains de signaux S: a) enveloppe E' des pics Pl1 P'2, P'l3... exclusivement, b) amplitude de l'un au moins des pics P'1, P'2, P'3... c) largeur At' des pics P'1, P'2... et, d) intervalle de temps [tl, t]. Enfin, la formation géologique sur laquelle s'est réfléchie l'onde acoustique est caractérisée par l'un au moins des éléments suivants du train de signaux S: a) enveloppe E" des pics P"1, P", P"3... exclusivement, b) amplitude de l'un au moins des pics P"1, "2... et, c) largeur At" des pics P"1, P"2, P"3...' Toutefois, il faut noter que l'on a supposé que la cimentation du tubage était correctement effectuée, c'est-à-dire qu'il n'y avait pas entre le ciment 16 et le tubage 15 un film d'air ou de liquide d'épaisseur notable, ce qui se traduit en pratique par des amplitudes réduites des pics P ' P2... En effet, si la cimentation du tubage n'est pas de qualité suf- fisante, l'énergie acoustique est absorbée pour la plus grande partie au niveau de l'interface tubage 15-ciment 16 et les pics P"1, P"2... ne sont plus d'amplitude suffisante pour etre décelés dans le train de signaux S. La sonde représentée sur la figure 1 peut comporter également des moyens schématisés en 171permettant de repérer: a) la position du corps de sondeet donc des patins de mesure1par rapport à une direction déterminée fixe telle que le nord magné- tique. Ces moyens, de tout type connu, peuvent comporter par exemple, mais non limitativement, trois capteurs magnétiques tels que des vannes de flux disposées perpendiculairement entre elles et ayant une position fixe par rapport au corps de la sonde; b) l'inclinaison du puits à l'endroit o est située la sonde, ces moyens pouvant 9tre de tout type connu et comportant par exemple trois accéléromàtres perpendiculaires deux à deux ou encore un pendule, etc. Bien entendu, le profil exact du sondage peut avoir été déter- miné dans une étape précédente, par exemple pendant le forage. La détermination du pendage des couches géologiques s'effectue en déplaçant la sonde (Fig. 1) dans le puits et an enregistrant, en fonc- tion de la position de la sonde dans le puits, les trains de signaux S délivrés par les quatre patins de mesure ainsi que, éventuellement, l'orientation et l'inclinaison de la sonde, puis en mettant en corrélation entre eux au moins un élément caractéristique de chacun des trains de signaux obtenus le long d'au moins trois génératrices du puits, puis en déterminant le décalage entre les trains de signaux correspondant à une même formation géologique comme étant la distance séparant les trains de signaux, pour laquelle la corrélation est maximale, ce décalage étant représentatif du pendage de la formation géologique. Cette corrélation peut être faite sur la totalité du train de signaux S délivré par chaque patin de- la sonde ou sur au moins un des éléments caractéristiques de ces trains de signaux tel que l'amplitude des pics provenant de la réflexion de l'onde acoustique sur les formations géologiques, la largeur de ces pics, l'enveloppe de ces pics, l'épaisseur du gâteau de boue, etc... La corrélation permet de repérer les profondeurs pour lesquelles les trains de signaux réfléchis reçus par la sonde suivant au moins trois génératrices de position et d'orientation connues avec précision, sont suffisamment proches les unes des-autres pour correspondre à la m9me formation géologique. an en déduit le niveau d'intersection de chaque couche géologique avec ces trois génératrices. Compte tenu de la valeur réelle du diamètre du sondage au niveau des formations géologiques (in- diquée par la mesure du diamétreur, éventuellement corrigée comme indiqué plus haut), de l'inclinaison et de l'orientation du sondage (mesurées par exemple par les moyens 17), on en déduit le pendage des couches géolo- giques qui correspond au décalage pour lequel on obtient la corrélation maximale entre les trains de signaux ou leurs éléments représentatifs. Dans ce qui précède on a décrit l'utilisation d'un patin à'- transducteur acoustique glissant le long de la paroi du puits. On ne - sortirait pas du cadre de la présente invention en utilisant une sonde à patin rotatif telle que-celle décrite dans la demande de brevet fran- gais EN 79 03565 ou touteautre sonde acoustique dont l'élément de mesure n'est pas en contact avec la paroi interne du puits pourvu que ces sondes fonctionnent par l'émission d'une onde acoustique dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du puits. On peut également, dans le traitement des trains de signaux délivrés par la sonde, utiliser des amplificateurs logarithmiques qui permettent de transformer les trains de signaux délivrés par la sonde pour que les réflexions provenant d'un même interface se traduisant par des pics de même amplitude comme le montre la figure 4 qui correspond au train de signaux de la figure JC traité par un amplificateur logarithmi- que. R E V E ND I iC A T I O N S 1. - Méthode pour déterminer le pendage de formations géologiques tra- versées par un sondage d'orientation et d'inclinaison connues, caractérisée en ce que le long d'au moins trois génératrices distinctes du sondage dont la position est connue par rapport à un système de référence, on émet une onde acoustique dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du sondage, on recueille selon la même direction l'onde acoustique qui s'est réfléchie au moins sur l'interface entre le puits et les formations géologiques, on produit un train de signaux représentatif de l'onde acous- tique réfléchie, on met en corrélation entre eux au moins une série d'élé- ments caractéristiques de chaque train de signaux obtenus le long de ces trois génératrices en faisant varier la distance entre ces trains de signaux et on détermine le décalage entre les trains de signaux corres- pondant à une même formation comme étant la distance séparant les trains de signaux, pour laquelle la corrélation est maximale, ce décalage étant représentatif du pendage de ladite formation. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on met en corrélation l'intégralité des trains de signaux représentatifs des réflexions de l'onde acoustique. 3. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments caractéristiques de chaque train de signaux sont constitués par l'amplitude d'au moins un pic représentatif de la réflexion de l'onde acoustique sur les formations géologiques. 4. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments caractéristiques de chaque train de signaux sont constitués par la durée d'au moins un pic représentatif de la réflexion de l'onde acous- tique sur les formations géologiques. 5. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments caractéristiques de chaque train de signaux sont constitués par l'enveloppe des pics représentatifs de la réflexion de l'onde acoustique sur les formations géologiques. 6. - Méthode saelon la revendication 1;mise en oeuvre dans un sondage dont les formations géologiques sont recouvertes de boue de forage, caractérisée en ce que les éléments caractéristiques de chaque train de signaux sont constitu6s par la portion du train de signaux représentative de l'épaisseur de la couche de boue recouvrant les formations géologiques.