Brevet FR2560390A1 — publié le 19850830

-1-* La présente invention se rapporte à la diagraphie par induction à haute fréquence pour déterminer la résistivité et la constante diélectrique de la terre. Dans le brevet des E.U.A. N 4 278 941, sont décrits un procédé et un appareil pour la diagraphie de formations rocheuses qui entourent un trou de sonde afin de déterminer tant la résistivité que la constante diélectrique de la formation. En particulier, le brevet décrit un outil de diagraphie par induction comportant une bobine émettrice et deux bobines réceptrices et fonctionnant dans une gamme de hautes fré- quences de 20 à 60 mégahertzs. Le procédé comprend l'utili- sation des composantes de tension tant en phase que déphasées ou déwattées mesurées à chaque récepteur par rapport à la phase du courant de l'émetteur. Les tensions en phase et déphasées sont utilisées pour calculer le dcphasage et l'atténuation de tension entre les deux récepteurs. Comme le déphasage et l'atténuation de tension sont relativement insensibles au diamètre du trou de sonde et à la résistivité de la boue de forage, on peut utiliser des nomogrammes relativement simples-pour déterminer tant la résistivité que la constante diélec- trique de la formation. En variante, la résistivité de la formation et la constante diélectrique peuvent être calculées en utilisant un ordinateur programmé de manière appropriée. Le brevet décrit aussi un moyen comportant quatre récepteurs, ce qui permet de compenser l'invasion de boue dans la formation. Il est préférable que les signaux détectés aux récepteurs soient traduits numéri- quement avant transmission à la surface pour conserver leur phase et leur amplitude. Ainsi qu'il est bien connu, la phase et l'amplitude de signaux analogiques sont consi- dérablement modifiées ou déformées s'ils sont transmis sur des câbles classiques de diagraphie de puits. Bien que le procédé décrit dans le brevet fournisse des informations supérieures sur la résistivité et la constante diélectrique -2- 2560390 en utilisant des outils de diagraphie par induction à haute fréquence, sa résolution verticale peut être nota- blement améliorée si la diagraphie par induction à haute fréquence est effectuée dans une plage de fréquences bien plus hautes de 100-500 MHz ou au-dessus. Toutefois, à une aussi haute fréquence, la profondeur d'investigation dans la formation est sévèrement limitée. On peut montrer que l'appareil décrit dans le brevet, s'il fonctionne à 300 MHz, voit la formation seulement dans les cas o le rayon du trou de sonde est inférieur à 6 centimètres. En fait, quand le trou de sonde a un rayon de 16 centimètres ou plus, l'outil voit seulement la résis- tivité de la boue. Comme on doit faire fonctionner l'outil dans un trou de sonde non tubé, il y a beaucoup de cas o le rayon du trou de sonde dépassera 8 centimètres. En fait, sauf dans le cas de puits très profonds, le diamètre du trou de sonde non tubé sera presque toujours supérieur à 6 centimètres. Ainsi, l'utilité de l'outil décrit dans le brevet antérieur est sévèrement limitée dans une grande majorité des puits réels qui sont forés, si on opère à très haute fréquence pour obtenir une bonne résolution verticale. La présente invention fournit une solution aux problèmes ci-dessus de propagation du courant induit dans la formation en utilisant un émetteur à focalisation. En particulier, l'invention utilise un outil de diagraphie prévu pour être descendu dans un trou de sonde et comportant quatre bobines espacées disposées sur lui, deux bobines étant des bobines émettrices et deux bobines étant des bobines réceptrices, les bobines réceptrices étant placées entre les deux bobines émettrices. L'outil comprend aussi une alimentation en courant à haute fréquence connectée aux bobines émettrices de façon à produire des flux de courant d'antenne dans la formation ayant des directions opposées et des moyens pour détecter les signaux induits -3- 2560390 dans les bobines réceptrices comprenant la tension tant en phase que déphasée des signaux induits et pour transmettre les signaux à la surface. Dans l'outil à deux émetteurs selon l'invention, une des bobines émettrices joue le rôle d'émetteur de focali- sation. L'émetteur de focalisation est alimenté en courant de façon à produire un flux de courant d'antenne opposé à celui produit par l'autre émetteur. De plus, il est souhaitable que les deux récepteurs soient placés plus près de l'un des deux émetteurs et ne soient pas situés au centre géométrique entre les deux. Quand on utilise le système ci-dessus, on peut montrer que la pénétration ou la propagation du flux de courant induit dans la formation est approximativement double de celIe obtenueen utilisant un seul émetteur. Un avantage supplémentaire de l'outil à deux émetteurs résulte du fait qu'il est moins sensible à la boue de forage et qu'ainsi la phase et l'atténuation du signal sont ainsi toutes deux représentatives de la formation et sensibles à la formation. La présente invention utilise le même procédé pour déterminer la résistivité et la constante diélectrique que décrit dans le brevet. En particulier, l'invention utilise les tensions tant en phase que déphasées ou déwattées qui sont mesurées à chaque récepteur par rapport à la phase du courant induit. Bien que le flux de courant dans chacune des bobines émettrices soit opposé ou en opposition, la phase est maintenue la même et ainsi il n'y a pas d'ambi- guité pour déterminer la phase des signaux aux récepteurs. On peut montrer que dans la présente invention la constante diélectrique est sensible tant à l'atténuation qu'à la différence de phase et ainsi les deux quantités doivent être déterminées. Au contraire, dans le brevet antérieur, avec une très haute fréquence, la constante diélectrique était, dans une large mesure, sensible seulement à la différence de phase. Ainsi, bien que des nomogrammes clas- siques puissent être construits pour déterminer facilement la constante diélectrique, on doit déterminer à la fois l'amplitude et la différence de phase. La présente invention sera plus facilement comprise d'après la description détaillée suivante, prise conjoin- tement avec les dessins annexés, o: Les figures 1A et lB sont des représentations schéma- tiques de l'outil de diagraphie de la technique antérieure et de l'outil de diagraphie selon la présente invention. La figure 2 est un nomogramme représentant la variation dans la résistivité (R) et la constante diélec- trique (K) en réponse à l'atténuation (A) et à la phase (P) en utilisant l'outil de la technique antérieure. La figure 3 est un nomogramme similaire à celui de la figure 2, mais utilisant l'outil selon la présente invention. La figure 4A représente la réponse de l'outil de la technique antérieure de la figure 1A en fonction du diamètre D du trou de sonde, et La figure 4B représente la réponse de l'outil de diagraphie selon l'invention en fonction du diamètre D du trou de sonde. Pour revenir à la figure 1, la figure 1A est une représentation d'un outil de diagraphie par induction à haute fréquence tel que connu d'après le brevet des E.U.A. N' 4 278 941. En particulier, on a représenté un émetteur T et deux récepteurs R1 et R2 espacés au-dessus de l'émetteur. La bobine émettrice est excitée par un courant allant dans la direction de la-flèche 10 qui produit un champ dans la direction tl le long de l'axe de la bobine. Ce flux de courant produit alors un champ symétrique dans la formation comme représenté par les lignes de force 12. Comme représenté sur la figure, le champ rayonné est uni- forme autour de l'émetteur et est émis à des distances -5- sensiblement égales au-dessus et au-dessous de l'émetteur. Sur la figure lB, on a représenté un outil de dia- graphie par induction à très haute fréquence selon la présente invention comportant deux émetteurs, T1 et T2, qui sont placés au-dessous et audessus des deux récepteurs R et R rcepteurs 1 et R2, respectivement. L'émetteur T1 est exciéé par un flux de courant représenté par la flèche 20 qui produit un champ le long de l'axe représenté par la flèche 21. Il en résulte un champ rayonné à travers la formation tel qu'illustré par les lignes de force 22. De méme, l'émetteur T2 est excité par une source de courant ayant la polarité opposée pour produire un champ le long de l'axe ayant une direction illustrée par la flèche 31 qui est opposé au champ de l'émetteur T1 et il en résulte un rayonnement à travers le champ le long des lignes de force 32. Comme représenté sur le dessin, l'interaction des lignes de force en opposition des champs 22 et 32 a tendance à une répulsion mutuelle, entraînant ainsi un aplatissement de la partie supérieure du champ produit par l'émetteur T1 et un aplatissement de la partie inférieure du champ produit par l'émetteur T2. L'effet de cet aplatissement des champs entraîne une pénétration plus profonde du champ électrique induit dans la formation dans la zone o les deux champs influent l'un sur l'autre. Comme représenté sur la figure lB, les bobines émettrices T1 et T2 sont excitées par une source de courant située à la surface du sol. La source de courant 40 produit un courant alternatif dans la gamme de fréquence de 300 MHz. Le courant alternatif est amené aux émetteurs par un câble conducteur isolé qui fait partie du câble armé 41 utilisé pour faire descendre et pour remonter le système de diagraphie. Les bobines réceptrices R et R2 sont con- 1 2 nectées par un câble conducteur isolé qui fait partie du câble armé 41 à un détecteur sensible à la phase et ampli- ficateur 42. Le détecteur sensible à la phase et -6- 2560390 amplificateur 42 est connecté au moyen du câble conducteur isolé à la source de courant 40. Cela permet que le courant de l'émetteur soit utilisé comme référence de phase pour les siqnaux de tension reçus en provenance des bobines réceptrices. Ces signaux sont amplifiés et on détermine leurs composantes de tension, tant en phase que déphasées, par rapport au courant de l'émetteur. Le réseau du détecteur sensible à la phase et amplificateur 42 peut être construit selon les enseignements du brevet des E.UJ.A. N 2 788 483. Les signaux de sortie de ce réseau 42 sont les quatre composantes de tension pro- venant des deux bobines réceptrices. Ces quatre compo- santes de tension sont introduites dans un calculateur 43 qui est connecté au détecteur sensible à la phase et amplificateur 42 au moyen de câbles conducteurs isolés. Le calculateur 43 est un mino-ordinateur qui calcule, en utilisant les quatre composantes de tension mesurées, les valeurs des déphasages et des atténuations relatives entre les bobines réceptrices adjacentes en utilisant les relations décrites plus haut. L'ordinateur est connecté à un système d'enregistrement classique entraîné par une roue de mesure (non représentée) qui est accouplée méca- niquement au câble 41 par une liaison appropriée (non représentée). Comme résultat, on obtient les déphasages et les atténuations sur un diagramme en fonction de la profondeur du câble. En plus du fait qu'ils permettent une pénétration plus profonde du champ induit dans la formation, les deux champs réduisent aussi l'effet du fluide du trou de sonde sur les signaux résultants aux deux récepteurs. Cela est illustré plus clairement par les réponses de diagraphie comme représenté sur les figures 2 et 3, respec- tivement. Ce sont des réponses de diagraphie calculées en utilisant une formation homogène ayant une constante diélectrique K qui varie entre 5 et 100 et une résistivité 7- 2560390 R qui varie entre 10 et 200 ohms-mètres. De plus, l'outil est supposé avoir un écartement entre l'émetteur T1 et le récepteur R2 et 16 centimètres et entre l'émetteur T1 et le récepteur R de 20 centimètres, avec un écartement entre les deux émetteurs de 48 centimètres. De plus, on a supposé que les deux récepteurs ont un rayon de 2 centi- mètres. Les émetteurs étaient excités par un signal de courant alternatif de 300 MEz ayant une polarité convenable pour produire une direction de courant d'antenne opposée dans le champ résultant autour des deux émetteurs. Cette configuration produira les résultats de diagraphie repré- sentés sur la figure 3, tandis que les résultats repré- sentés sur la figure 2 correspondent à la même configu- ration et à la même fréquence, à ceci près qu'on a fait abstraction de l'émetteur 2. En se référant particuliè- rement à la figure 2, on peut voir que, sauf dans les régions de faibles valeurs, la constante diélectrique K dépend presque exclusivement de la différence de phase P quand on utilise un outil construit selon le brevet de la technique antérieure. Ainsi, il n'est normalement pas nécessaire de déterminer l'atténuation A, sauf si on désire la résistivité R de la formation. Au contraire, sur la figure 3, on peut voir que la constante diélec- trique K dépend non seulement de la différence de phase P, mais aussi de l'atténuation A. Sur les figures 4A et 4B, on a représenté les réponses de diagraphie pour l'outil du brevet antérieur et celui de la présente invention, respectivement. En particulier, on a représenté les mesures de la phase P et de l'atténuation A pour les deux outils. Comme illustré plus clairement sur la figure 4A, l'outil de la technique antérieure est efficace seulement dans des trous de sonde ayant un dia- mètre D d'environ 0,12 mètre et l'outil atteint le point de saturation audelà duquel l'outil répond seulement au fluide du trou de sonde dans des trous de sonde ayant un -8- diamètre D de plus de 0,32 mètre. Comme illustré sur la figure 4B, l'outil selon l'invention répondra dans des trous de sonde ayant un diamètre D de plus de 0,32 mètre et n'atteindra pas le point de saturation tant que le diamètre du trou de sonde ne sera pas au-delà de 0,60 mètre. De plus, il est évident que l'outil selon la présente invention ne répond pas aux caractéristiques du fluide de forage dans le trou de sonde, mais plutôt presque exclusi- vement à la formation. C'est seulement dans la région d'une différence de phase de 1,5 radian que la constante diélec- trique dépend seulement de la différence de phase. Ainsi, l'outil de la présente invention donne des résultats supérieurs à ceux obtenus par la technique antérieure. L'outil de diagraphie comprenant le traitement des signaux peut être construit et utilisé comme décrit dans le brevet antérieur ou d'autres références de la technique antérieure bien connues de l'homme de l'art. De même, les résultats de diagraphie peuvent être traités de la manière décrite dans le brevet. Par exemple, le déphasage et l'atténuation sont calculés d'après les deux composantes de tension mesurées déterminées pour les deux récepteurs. Les récepteurs R1 et R2 sont situés en z1 et z2 avec z2 > z1 par rapport à l'émetteur T2. Les quantités mesurées sont alors les quatre composantes de tension VIl1, VQ,l, VI,2 et VQ,2. Pour continuer,il est commode d'introduire le rapport complexe VI,2 + iVQ, 2 R - R' + iR" = () VI,1 + iVQ,l VI'l VI,2 + VQl,2 (2) o0 R' = - V2 + V2 et1,1 Q et V I, VQ,2 - VQ,1 VI,2(3) RI: Ryt (3) V2 + V2 It Ql Il n'est pas difficile de démontrer que la phase du rapport complexe R est simplement le déphasage Ap des signaux reçus aux deux bobines réceptrices adjacentes. Ce déphasage est donc donné (en radians) par A% = tg l (R"/R') + F (4) ou R' et R" sont tels que définis ci-dessus et la 1o fonction F est définie par l'équation F = 'n/2/(l - sgn R') + (1 - sgn R") (1 + sgn R')/ (5) avec la fonction sgn définie par X pour X = 0 sgn X - (6) X |1 pour X = 0 Dans l'équation (4), la tangente inverse doit être comprise comme une valeur de principe et est donc définie dans l'intervalle de -9/2 à r/2. On a introduit la fonction F dans l'équation (4) pour tenir un compte approprié des signes algébriques des composantes de tension de façon que l'équation (4) donne des déphasages continus dans l'intervalle 0 _ t L 2r. On a montré jusqu'à présent que le déphasage entre deux récepteurs adjacents peut s'exprimer en fonction des composantes de tension mesurées en utilisant les équations (2) - (6). En plus du déphasage, on a besoin aussi de l'atténuation relative pour caracté- riser la réponse de l'outil. Pour arriver à une expression de l'atténuation relative, on note d'abord que l'amplitude de la tension induite dans le premier récepteur est donnée par l'équation: = "/:J V2 v10 = K V2 2 (7) 1,0! ,l Ql L'atténuation relative A est obtenue à partir du -10- 2560390 logarithme du rapport des amplitudes des tensions induites aux deux récepteurs adjacents et est donnée (en décibels par mètre) par A = (8, 686/L) Log (V1,0/V2,0) (8) o L = z2 - z1 est la distance en mètres séparant les centres des récepteurs. Cela donnera la constante diélec- trique et la résistivité de la formation. Evidemment, il est possible de construire des nomogrammes similaires à ceux représentés dans la figure 3 et d'obtenir la constante diélectrique et la résistivité directement à partir des résultats de diagraphie. -ll- 2560390 REVENDICATIONS 1. Un appareil pour diagraphie par induction à très haute fréquence de la formation entourant un trou de sonde, comprenant: un outil de diagraphie prévu pour être descendu dans un trou de sonde et comportant quatre bobines espacées disposées sur lui; deux bobines étant des bobines émettrices et deux bobines étant des bobines réceptrices; les bobines réceptrices étant placées entre les deux bobines émettrices; une source de courant à haute fréquence, cette source de courant étant connectée aux bobines émettrices de façon à produire des flux de courant d'antenne dans la formation ayant des directions opposées; et des moyens pour détecter les signaux induits dans les bobines réceptrices comprenant la tension tant en phase que déphasée des signaux induits et pour transmettre les signaux à la surface. 2. Un procédé pour améliorer une diagraphie par induction à très haute fréquence de la formation entourant un trou de sonde, selon lequel: on produit par induction à un premier endroit un flux de courant à très haute fréquence dans la formation; on produit par induction à un second endroit espacé du premier endroit un flux de courant à très haute fréquence dans la formation, le flux de courant induit au second endroit étant de la même fréquence que le flux de courant au premier endroit, mais de direction opposée; on mesure les composantes de tension tant en phase que déphasées de la tension induite par rapport au courant induit à un troisième endroit et à un quatrième situés entre le premier endroit et le deuxième, et on détermine la différence de phase et l'atténuation dans la tension induite. -12-- -12- 2560390 3. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre le premier endroit et le plus proche parmi le troisième endroit et le quatrième est différente de la distance entre le second endroit et le plus proche parmi le troisième endroit et le quatrième. 4. Un procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'atténuation est le logarithme du rapport des tensions. 5. Un procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les amplitudes des tensions sont la racine carrée de la somme des carrés des tensions en phase et déwattée.