Brevet FR2545942A1 — publié le 19841116

P-DSF-26/MF Apparieil en vue de mesttrer la résistivité apparente d'un trou de forage. La présente invention concerne le domaine de la détection des paramètres d'un trou de forage, en particulier, des paramètres présentant un intérêt lors du forage des trous de puits de pétrole Plus particulièrement, la présente invention concerne la mesure de la résistivité apparente des formations géologiques et, plus particulièrement, un nouveau groupement d'électrodes, ainsi que la structure et les procédés de formation de l'isolation et des grou- pements d'électrodes. Dans la technique, il est bien connu qu'il est souhaitable de mesurer la résistivité apparente des formations géologiques au cours du forage de troua. Ce sujet a été largement débattu dans la littérature, y compris la littérature des brevets et de nombreuses propositions ont été faites concernant des appareils et des systèmes en vue de mesurer la résistivité ap- parente des formations géologiques. Le concept général consiste à monter des électrodes sur un segmentdu train de tiges à un endroit du fond du trou Un système spécifique de la techni- que antérieure est illustré en figure 1 et il comprend un groupement de quatre électrodes A, B, M et N montées sur un segment isolé S d'un segment D du train de tiges en acier Un courant I 1 venant de l'électrode A est dirigé à travers la formation géologique F et il est recueilli à l'électrode B La chute de tension se produisant aux électrodes M-N est mesurée par un voltmètre V et la résistivité apparente de la forma- tion géologique Rf est déterminée d'après les valeurs I et AV Toutefois, une sérieuse imprécision 1 MN existe dans ce système spécifique de la technique antérieurecar un important parcours de courant de fuite 12 existe entre l'électrode A et le segment D du collier de forage Dès lors, bien que la valeur totale du courant engendré à l'électrode A soit un niveau de courant I, une partie seulement I 1 de ce 3 courant se dirige vers l'électrode B à travers la formation géologique F et un important courant de fuite I 2 s'établit dans le système En conséquence, la chute de tension &V est uniquement une fonction MN de la composante de courant I 1 (dont la valeur est inconnue, même si le courant total I engendré à l'électrode A est connu) et, partant, la valeur cal- culée Rf de la résistivité apparente de la formation géologique est imprécise Une méthode possible en vue de résoudre ce problème de la technique antérieure est de prévoir une section isolée extrêmement longue S pour le train de tiges dans le but d'interrompre ou de minimiser le courant de fuite entre l'électrode A et le segment du train de tiges Toutefois, l'utili- sation d'une section isolée et exceptionnellement longue du collier de forage est impossible, car, en elle-même, elle pose un certain nombre d'autres pro- blèmes. Dès lors, suivant la présente invention, on prévoit un appareil en vue de mesurer la résistivité apparente d'un trou de forage, cet appareil compre- nant un segment isolé d'un train de tiges, un groupe- ment de cinq électrodes disposées à des endroits pré- déterminés dans ce segment isolé, une source de cou- rant raccordée à une première de ces électrodes, un premier circuit de retour raccordé entre une deuxième électrode et cette source de courant, cette deuxième électrode étant espacée de la première dans une pre- mière direction, une troisième et une quatrième élec- trode prévues entre la première et la deuxième élec- trode, un moyen de mesure de tension raccordé à cette troisième et cette quatrième électrode en vue de déterminer la tension existant entre ces dernières, un moyen de mesure de courant en vue de déterminer le courant existant dans ce premier circuit de retour, une cinquième électrode espacée de la première dans une deuxième direction, de même qu'un deuxième cir- cuit de retour raccordé entre la cinquième électrode et la source de courant. Tout comme dans la technique antérieure, le courant passe de la première à la deuxième électrode, tandis que la chute de tension est détectée par la troisième et la quatrième électrode entre la première et la deuxième électrode Toutefois, un courant de fuite venant éventuellement de la première électrode est recueilli par la cinquième électrode et il est maintenu isolé du courant passant entre la première et la deuxième électrode On utilise une source de courant, de préférence, une source de courant cons- tant, de même que le courant passant dans le circuit de la première et de la cinquième électrode Dès lors, le courant provoquant la chute de tension entre la troisième et la quatrième électrode est connu avec précision et la résistivité apparente Rf de la forma- tion géologique peut être déterminée avec précision. La présente invention fournit également des structures d'électrodes perfectionnées destinées à être montées sur un segment d'un train de tiges et elle prévoit également des procédés améliorés en vue de former les électrodes ou de les monter sur le segment du train de tiges. Dans les dessins annexés dans lesquels des éléments semblables portent les mêmes chiffres de référence dans certaines figures: la figure 1 est une illustration d'un grou- pement spécifique de quatre électrodes de la techni- que antérieure ainsi qu'on l'a décrit ci-dessus; la figure 2 est une représentation schéma- tique du groupement d'électrodes de la présente in- vention; la figure 3 représente un appareil et un procédé en vue de former la structure d'électrodes et d'isolation; la figure 4 représente une modification de la figure 3 en vue d'incorporer des cloisons de dila- tation dans l'isolation; la figure 5 représente une autre structure d'isolation modifiée; la figure 6 représente une modification de la structure de la figure 5; la figure 7 représente une autre structure modifiée d'électrodes; et les figures 8 et 9 représentent d'autres modifications encore de structures d'électrodes et d'isolation. En se référant à présent à la figure 2, on représente une configuration générale du groupement d'électrodes de la présente invention Un segment 10 d'un train de tiges de forage est représenté dans un trou de forage 12 qui a été foré dans une formation géologique F Comme c'est habituellement le cas dans la technique, le segment 10 du train de tiges est une longueur d'un tube en acier comportant, à chaque ex- trémité, une structure de jonction permettant de l'assembler à d'autres segments analogues en vue de former un train de tiges de forage allongé Une longueur d'une matière d'isolation 14 comble la ca- vité ou le logement cylindrique 16 de la surface du collier de forage afin de former un anneau isolant dont la surface extérieure 18 est affleurante à la surface extérieure 20 du segment du train de tiges. L'isolation 14 peut être constituée de n'importe quelle matière appropriée répondant aux conditions requises concernant l'établissement d'une isolation électrique et d'une résistance au milieu ambiant dans lequel le collier du train de tiges doit travailler. Un groupement de cinq électrodes annulaires A B 1, Ba 2 M et N est enrobé dans la matière isolante 14 Les électrodes peuvent être constituées de nimpoerte quelle matière conductrice appropriée telle quo la fer et elles sont sous forme d'anneaux dont la surs face extérieure peut être affleurante à ou légèremant en retrait en dessous de la surface extérieure de la couche d'isolation 14 Comme on pourra l'observer, bien que les électrodes soient enrobées dans la ma- tière d'isolation 14, elles sont espacées de la sur- face extérieure de la cavité 16, étant donné qutelles doivent être isolées du segment 10 du train de tiges en acier Les électrodes M et N sont localisées entre les électrodes A et B 1, tandis que l'électrode B 2 est espacée de l'électrode A sur le côté opposé à l'élec- trode B 1 L'électrode Bl est l'électrode inférieure, clest-à-dire la plus proche du trépan de forage, tan- dis que l'électrode B 2 est l'électrode supérieure, c'est-à-dire la plus éloignée du trépan Une source de courant constant 22 est raccordée à l'électrode A; l'électrode Bl est raccordée, dans un circuit de retour 24, à la source de courant constant 22; l'électrode B 2 est raccordée, dans un circuit de retour 26, à la source de courant constant 22; tandis qu'un voltmètre 26 est raccordé entre les électrodes M et N. Lorsque la source de courant constant 22 débite un courant I vers l'électrode A, un parcours de courant I 1 est établi entre l'électrode A et l'électrode Bl à travers la formation géologique F. Comme on l'a indiqué précédemment, dans la technique antérieure, un parcours de courant de fuite était également établi entre l Vélectrode A et le collier du train de tiges, altérant ainsi la mesure de la résistivité apparente de la formation géologique. Toutefois, suivant la présente inventions le courant de fuite préalable est recueilli par l'électrode B 2 qui coopère avec 18 électrode A pour définir un deu- xième parcours de courant I 2 Il existe alors une relation selon laquelle le couranrt I venant de la source de courant constant 22 est égal à Il plus 12 (I = I + I 2)o Le courant Il passe dans le circuit 24, tandis que le courant 12 passe dans le circuit 26, le courant de fuite vers le collier de forage étant essentiellement éliminé ou réduit à une valeur insi- gnifiante La valeur du courant I peut être mesurée directement par un ampèremètre 30 ou le courant I 1 peut être déterminé indirectement en mesurant le courant I 2 passant dans le circuit 26 et en le sous- trayant du courant total I En tout cas, la valeur du courant I 1 peut être déterminée avec précision et, partant, la valeur du courant Il, qui est responsable de la chute de tension entre les électrodes M et N (AVMN) est connue avec précision La chute de ten- Sion A VMN est mesurée par le voltmètre 26 Connais- MN sant les valeurs de I et de A VMN avec précision, la 1 MN ae rcsol résistivité apparente Rf de la formation géologique peut alors être calculée avec précision Les valeurs mesurées concernant la tension et le courant peuvent être transmises à la surface d'un trou de forage par télémétrie dlimpulsions de boue ou par n'importe quelle autre technique de transmission connue 7 ou on peut procéder à un calcul d'après les valeurs de tension et de courant par un équipement situé au fond du trou afin de calculer la résistivité apparente de la formation géologique pour la transmettre à la surface Dans liun ou l'autre cas, l'information valable relative à la résistivité apparente de la formation géologique peut être connue avec préci- sion à la surface du puits. La matière d'isolation 14 peut être choisie parmi de nombreuses matières isolantes différentes disponibles pour autant que certaines conditions fondamentales minimales soient remplies Cette ma- tière doit évidemment être non conductrice d'élec- tricité Elle doit être stable (c'est-à-dire qu'elle ne doit ni se décomposer, ni ramollir, ni subir d'autres changements dans ses caractéristiques) à des températures allant jusqu'à environ 1500 C; elle 1 S doit être compatible avec la boue de forage (qui comblera llespace annulaire existant entre le seg- ment du train de tiges de forage et la formation géologique) et elle doit résister au pétrole ou au gaz pouvant être présent dans la boue de forage. Cette matière isolante doit également être compati- ble avec le collier de forage en acier dans la mesure o elle peut être liée ou collée fermement d'une autre manière à ce collier; elle ne subira pas un rétrécissement excessif par rapport au collier de forage et elle devra avoir un coefficient de dilata- tion thermique en étroite concordance avec celui du collier de forage si elle n'est pas élastique Dans les limites de ces conditions, la matière isolante peut être choisie, par exemple, parmi le caoutchouc naturel ou synthétique, les matières céramiques, les matières de moulage thermodurcissables telles que les polyuréthanes, les matières de moulage thermoplasti- ques telles que les polyamides, les polystyrènes et les polypropylènes, ou les matières époxy. La figure 3 illustre un système selon le- quel on peut former le groupement d'électrodes enro- bées dans l'isolation Comme représenté en figure 3, des éléments supports 32 sont montés sur le segment 10 du train de tiges de forage à des endroits espacés le long de l'axe de ce segment, ces endroits corres- pondant aux emplacements désirés des cinq électrodes annulaires Ces éléments supports peuvent être nimu- porte quels éléments appropriés isolés électriquement pour autant qu'ils aient une forme ou une configura- tion permettant l'écoulement de la matière isolante dans le sens axial le long de la surface extérieure du segment du train de tiges de forage Les électro- des A, B 1, B 2, M et N sont ensuite placées sur les i 5 éléments supports respectifs 32 On comprendra que les électrodes annulaires peuvent être divisées en segments qui sont ensuite réunis pour les monter sur le train de tiges de forage Lorsque les électrodes ont été mises en place, on installe alors un moule 34 autour du groupement d'électrodes, ce moule entourant complètement une cavité 16 définissant une cavité de moulage Une matière de moulage telle qu'un poly- uréthane thermodurcissable est ensuite injectée dans le moule 34 sous une pression et à une température appropriées afin de remplir la cavité de moulage qui correspond à la cavité 16 Après un durcissement approprié, le moule est ensuite retiré et la struc- ture obtenue est un groupement d'électrodes annulaires enrobées dans une longueur annulaire de matière iso- lante en retrait dans un segment du train de tiges de forage. En figure 4, on représente une version modifiée de la configuration de la figure 3, un sys- tème étant prévu pour compenser les coefficients de dilatation différents existant entre la matière iso- 9 52545942 lante et le segment du train de tiges de forage. Cette compensation est assurée en plaçant des blocs ou des cloisons annulaires de dilatation 36 à des en- droits choisis le long de la cavité 16 Ces blocs ou cloisons de dilatation 36 sont constitués de me- tières élastiques (par exemple, le caoutchouc oyathê- tique) de telle sorte qu'ils se compriment et os z a-r latent pour absorber de dilatation différentielle entrs le collier de forage 10 et la matière isolante O Les blocs ou cloisons de dilatation 36 servent à diviser la cavité 16 en une série de segments isolants (trois dans l'illustration de la figure 4), En conséquence, il devient nécessaire de modifier le moule 34 pour assurer l'itijection de la matière isolante non durcie dans chacun des segments cloisonnés de la cavité 16, formant ainsi correctement la structure isolante seg- mentaire résultant du système de la figure 4. Le segment isolant du train de tiges de forage est mis en service dans un milieu ambiant relativement hostile dans lequel il est exposé à la boue, au sable, aux débris, aux roches et à d'autres éléments de la formation géologique dans le trou qui doit être foré En raison de ce milieu ambiant hostile, il peut être souhaitable de réaliser la structure d'isolation en deux matières différentes, à savoir un manchon extérieur dur qui sera exposé au milieu ambiant hostile du forage et un manchon intérieur plus souple situé entre le manchon exté- rieur dur et le collier de forage, de telle sorte que le manchon extérieur dur soit à m 8 me de fléchir ou de se conformer stil vient à rencontrer une forte sollicitation latérale, c'est-à-dire une sollicitation slexerçant perpendiculairement à ltaxe du segment du train de tiges de forage Un système de ce type à plusieurs manchons est représenté en figure 5 dans laquelle le segment 10 du train de tiges de forage comporte un manchon intérieur isolant 38 près de la surface en retrait du segment du train de tiges de forage, ainsi qu Xun manchon isolant extérieur 40 adjacent au manchon intérieur 38 e Le manchon exté- rieur 40 est un manchon relativement dr Aï de matière isolante, tandis que le manchon intrieur 38 est c OS- titué d'une matière relativrement souple Dès lors, le manchon 40 sert a assurer une protection contre l'abrasion et d'autres protections semblables# tandis que le manchon 38 permet déabsorber les sollicitations latérales La structure de la figure 5 pose deux problèmes virtuels L'un d'eux est la possibilité d'un déplacement angulaire entre le manchon extérieur 40 et le manchon intérieur 38 à la suite de sollici. tations de torsion exercées sur le manchon extérieur. L'autre problème résulte du fait que les électrodes doivent être contenues dans le manchon extérieur 40, Etant donné que le manchon extérieur 40 doit néces- sairement avoir une épaisseur inférieure à lépais- seur totale de la matière isolante combinée des man- chons 38 et 40, une quantité réduite de matière seule- ment est disponible pour pratiquer, dans le manchon , les gorges destinées à recevoir les électrodes et, par conséquent, le manchon 40 est affaibli à chaque emplacement d 1 électrode Ces problèmes sont abordés et résolus par la structure des figures 6 et 7. La figure 6 représente, par une vue en coupe transversale, une configuration modifiée, cette coupe étant prise perpendiculairement à l'axe du seg- ment du train de tiges de forage, Dans cette confi- guration, le collier de forage 10 est constitué de segments en languettes 42 en vue de former des lon- gueurs axiales alternées de segments minces et épais 43 et 45 respectivement Le manchon isolant inté- rieur relativement souple 38 siadapte à la configu- ration des languettes de la surface extérieure du segment 10 du train de tiges de forage dans une couche d'une épaisseur ou d'une profondeur relative- ment constante, tandis que le manchon extérieur plus dur de matière isolante 40 comporte des segmenta minces 40 a en alignement radial avec les languettes 42 et des segments plus épais 40 b en alignement ra- dial avec les cavités formées entre des languettes adjacentes sur le train de tiges de forage Cotte structure à emboîtement entre les manchons et le train de tiges de forage (comme représenté en figu- re 6) rattrapera la déviation latérale du manchon extérieur plus dur 40, mais elle réduira ou limitera le déplacement angulaire entre le manchon extérieur dur 40 et le train de tiges de forage 10. Dans le système de la figure 6, la forme des électrodes est également modifiée de telle sorte que chaque électrode se présente sous forme d'un élément cubique 44 plut 8 t que sous forme d'un anneau comme décrit précédemment Les électrodes de forme cubique sont localisées dans les sections plus épais- ses 40 b du manchon extérieur isolant dur 40, si bien que l'ensemble de ce manchon n'est pas affaibli par une électrode annulaire Bien que l'on n'ait repré- senté qu'une électrode 44 en un point axial en figure 6, il est entendu que plusieurs électrodes de ce type peuvent être localisées sur deux des segments plus épais 40 b ou plus à chaque emplacement axial d'élec- trode. La figure 7 représente une autre modifica- tion encore de la structure qui est particulièrement avantageuse lorsqu'on emploie le système constitué de deux manchons de matière isolante comme représenté en figure 5 ou 6 Un problème que peut poser l'enro- bage d'électrodes annulaires dures en fer dans un manchon isolant extérieur dur, réside dans le fait qu'une force axiale éventuellement imposée à l'élec- trode suite à une interférence avec la roche ou d'au- tres débris dans l'espace annulaire sera transmise et imposée complètement au manchon isolant extérieur dur Si elles sont suffisamment élevées, de telles sollicitations-pourraient provoquer de sérieux dégâts dans l'électrode ou les manchons isolants et elles pourraient provoquer la mise hors d'usage de la struc- ture de détection de la résistivité apparente des formations géologiques Ce problème de sollicitations axiales est atténué par la structure d'électrodes il- lustrée en figure 7 dans laquelle chacune des élec- trodes est un segment en forme de losange Si llec- trode vient à rencontrer une interférence avec une roche ou d'autres débris, les forces seront engendrées le long des surfaces inclinées de l'électrode et celle-ci aura tendance à se déplacer légèrement dans une direction axiale ou latérale en réponse à la force exercée Ce déplacement réduira les risques de dé- térioration de l'électrode ou de ses limites d'assem- blage avec la matière isolante, prolongeant ainsi la durée de vie de la structure. Bien que l'on n'ait pas décrit le câblage des électrodes, il est évidemment entendu que ces dernières doivent être raccordées par un câble à un équipement électronique prévu dans le train de tiges de forage (dans lequel seront également logés le voltmètre et l'ampèremètre) Ce câblage peut être effectué de n'importe quelle manière appropriée, par exemple, au moyen d'un tube protecteur s'étendant le long de la surface intérieure de la cavité 16 ou au moyen d'une gorge telle qu'une gorge 46 pratiquée dans 13 2545942 le segment en languette 42 du système de la figure 6. Les connexions entre ces câbles protégés et les élec- trodes peuvent être effectuées, par exemple, au moyen de c Ables de forme hélicoïdale pour permettre une adap- tation au mouvement relatif entre les électrodes et le segment 10 du train de tiges de forages La figure 8 illustre une autre configuration encore pour la structure d'isolation et dléletrodedom Dans le système de la figure 8 le manchon d'isolation est constitué d'une bande 48 de matière élastomère non conductrice La bande 48 pourrait âtre constituef D par exemple, de plusieurs segments ou anneaux S 3 em- bottant l'un dans l'autre 48 (a)e 48 (b) et 48 (c) Les électrodes sont constituées d'anneaux ou de bandes d'une matière élastomère conductrice 49 qui sont placés dans des cavités judicieusement localisées dans la bande de matière non conductrice Les ma- tières élastomères 48 et 49 peuvent être les mêmes matières de base ou des matières de base semblables afin que les coefficients de dilatation concordent, les bandes conductrices 49 étant remplies d'argent, de carbone ou d'une autre matière conductrice afin que ces bandes constituent des électrodes conductrices, Les bandes de matière élastomère non conductrice et de matière élastomère conductrice peuvent être montées sur le segment du collier de forage en étant moulées in situ ou éventuellement en les étirant et en les faisant glisser par-dessus la section plus épaisse du segment du train de tiges de forage, tout en les libérant ensuite pour qu'elles se contractent en place dans la cavité 16 La figure 8 représente un tube 50 renfermant le câtblage approprié qui est raccordé à chacune des électrodes par des segments hélicoïdaux. La figure 8 ne représente que trois électrodes seule- ment, mais il est entendu que l'on pourrait employer deux électrodes supplémentaires pour compléter le groupement d 9 électrodes de la figure 2. La figure 9 illustre un détail perfectionné en vue d'effectuer la connexion électrique avec lélectrode élastomère de la fiure 8 Dans le ays- tème de la figure 95 ume cavité ou un E aorge si pra- tiquée dans l'élastomère non conducteuar 48 (b) eat enduite d 8 une matière élastique conductrice telle qu'une bande de touwnures métalliqumes 6 l U 2 t ques (de la nature de la laine d'acier) ou d'un câble conducteur tissé copme indiqué en 52 Le câble de circuit hélicoldal est raccordé physiquement et élec- triquement à cet anneau de tournures conductrices ou de laine d'acier 52 et cette matière 52 forme des contacts électriques multiples avec l'électrode élastomère conductrice De la sorte, la continuité' électrique entre les électrodes et le câblage du circuit est assurée. Bien que les détails de la structure d'élec- trodes décrite ici soient considérés comme importantes, il est entendu que le concept de base du groupement de cinq électrodes et les meilleurs résultats qu'il procure ne sont pas limités aux détails de la struc- ture d'électrodes décrite dans la présente spécifi- cation. 2545942 REVENDICATIONS 1 Appareil en vue de mesurer la résisti- vité apparente d'un trou de forage, cet appareil com- prenant un segment isolé ( 10) d'un train de tiges de forage, un groupement de cinq électrodes disposées à des endroits prédéterminés dans ce segment isolé ( 10), une source de courant ( 22) raccordée à une première électrode (A), un premier circuit de retour ( 24) rac- cordé entre la deuxième électrode (B 1) et cette source de courant ( 22), cette deuxième électrode (B 1) étant espacée de la première électrode (A) dans une première direction, une troisième et une quatrième électrode (M, N) disposées entre cette première (A) et cette deuxième électrode (B 1), un moyen de mesure de tension raccordé à cette troisième et cette quatrième élec- trode (M, N) afin de déterminer la tension (V) exis- tant entre cette troisième et cette quatrième élec- trode (M, N), un moyen de mesure de courant ( 30) en vue de déterminer le courant passant dans ce premier circuit de retour ( 24), une cinquième électrode (B 2) espacée de la première électrode (A) dans une deuxième direction, de même qu'un deuxième circuit de retour ( 26) raccordé entre cette cinquième électrode (B 2) et cette source de courant ( 22). 2 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième électrode (B 1) et la cinquième électrode (B 2) sont respectivement l'élec- trode supérieure et l'électrode inférieure du groupe- ment. 3 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le seg- ment isolé ( 10) du train de tiges de forage comprend une cavité cylindrique ( 16) formée dans sa surface extérieure, une matière isolante ( 14) étant disposée dans cette cavité cylindrique ( 16). 16 2545942 4 Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la matière isolante ( 14) est affleurante à la surface extérieure du segment ( 10) du train de tiges de forage. 5 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les élec- trodes sont des anneaux formés dans la matière isolan- te ( 14) et espacés de la surface extérieure du segment ( 10) du train de tiges de forage. 6 Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'isolation ( 14) est collée au train de tiges de forage et a un coefficient de dila- tation thermique à peu près égal à celui du segment ( 10) du train de tiges de forage. 7 Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mesure de courant est prévu dans le premier circuit de retour ( 24).