Brevet FR2549525A1 — publié le 19850125

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer l'orientation d'un instrument de topographie dans un trou de forage o se trouve enfoncé un manchon amagnétique de forage, de longueur assez faible, 5 qui contient l'instrument de topographie L'invention concerne en particulier la détermination de l'angle d'azimut d'un trou de forage, dans lequel on a enfoncé à cet effet un manchon de forage amagnétique d'assez faible longueur. Pour déterminer l'angle d'azimut, on utilise actuel10 lement des instruments à "compas monté sur pivot", qui sont mis en oeuvre en une seule passe ou en plusieurs passes. Cependant, avec de tels instruments, la correction qu'il est nécessaire d'introduire pour compenser la variation locale du champ magnétique terrestre, au voisinage de ces 15 instruments, ne peut être établie qu'en faisant une hypothèse sur la valeur et la direction du champ perturbateur dû à l'instrument; et pour cela, il faut connaître le moment magnétique de l'aimant du compas, et utiliser un instrument logé dans un manchon amagnétique de forage ayant 20 une longueur minimum de 9 m ( 30 ft), cette longueur minimum pouvant même atteindre 36 m ( 120 ft) dans certaines régions du globe Les modalités opératoires servant à déterminer l'angle d'azimut sont forcément empiriques, et l'utilisation du manchon amagnétique de grande longueur constitue une 25 sujétion gênante. Le brevet U S n 4 163 324, au nom de Rusell et al., décrit un procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage, en admettant par hypothèse que le vecteur qui correspond à l'erreur affectant le vecteur du 30 magnétisme terrestre à l'égard de l'instrument considéré, est orienté dans la direction du trou de forage à l'endroit de l'opération topographique en cause L'instrument peut être monté dans un boîtier amagnétique constitué par un manchon de forage, les autres éléments de la sonde de forage 35 situés au-dessus et en-dessous de l'instrument considéré étant en général réalisés en matériaux magnétiques Du fait de cette hypothèse, on peut déterminer l'importance du du vecteur d'erreur, d'après la différence existant entre la valeur apparente et la valeur réelle des composantes du champ magnétique terrestre, suivant une seule direction qui n'est pas perpendiculaire à l'axe du trou de forage. Dans le cas du procédé proposé dans le brevet au nom de Russell etc, pour déterminer l'orientation de l'instrument de topographie dans le trou de sondage, les phases opératoires consistent à déterminer l'angle d'inclinaison de l'instrument à son emplacement considéré dans le trou 10 de forage; à mesurer au même emplacement au moins l'une des composantes du champ magnétique local, pour déterminer le champ magnétique local suivant la direction d'un axe primaire, aligné avec le trou de forage; à déterminer l'angle d'azimut de l'instrument, par rapport à la direction 15 apparente du Nord magnétique à l'emplacement considéré; à vérifier les valeurs réelles de la composante horizontale et de la composante verticale du champ magnétique terrestre, à l'endroit du trou de forage; et à déterminer la correction à appliquer à l'angle d'azimut apparent, d'après la valeur réelle et la valeur apparente de la composante horizontale et de la composante horizontale et de la composante verticale du champ magnétique terrestre. Selon l'invention, le procédé perfectionné pour déterminer l'orientation d'un instrument de topographie dans un trou de forage, est caractérisé en ce qu'il comporte les phases opératoires suivantes: a) on détermine l'angle d'inclinaison de l'instrument en un certain emplacement dans le trou de forage; b) on détermine l'angle d'orientation de l'instru30 ment, dit "angle d'orientation highside", à l'emplacement considéré; c) on détermine les valeurs réelles de la composante horizontale et de la composante verticale du champ magnétique terrestre, à l'endroit du trou de forage; d) on détermine deux composantes du champ magnétique local, perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'instrument, situé à l'emplacement considéré; e) on détermine l'angle d'azimut de l'instrument, par rapport à la direction du Nord magnétique, à l'emplacement considéré. De préférence, on détermine les valeurs de l'angle d'inclinaison et de l'angle d'orientation "highside" en mesurant le vecteur de la pesanteur en regard de l'instrument A cet effet, on peut utiliser trois accéléromètres, agencés de préférence suivant un trièdre orthogonal, avec une disposition commode telle que deux accélérométres 10 mesurent les composantes de la pesanteur dans les deux directions o opèrent les magnétomètres du type "fluxgate" qui servent à mesurer les composantes du champ magnétique local. Egalement selon l'invention, le dispositif pour 15 déterminer l'orientation d'un instrument de topographie monté dans un manchon de forage en bas d'un trou de forage, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer l'angle d'inclinaison de l'instrument en un certain emplacement dans le trou de forage; des moyens pour déter20 miner l'angle d'orientation "highside" de l'instrument, à l'emplacement considéré; des moyens pour déterminer les valeurs réelles de la composante horizontale et de la composante verticale du champ magnétique terrestre, à l'emplacement considéré dans le trou de forage, et des moyens pour déterminer des composantes du champ magnétique local perpendiculairement à la direction d'un axe primaire de l'instrument aligné sur le trou de forage, à l'emplacement considéré; et en ce que le manchon de forage est confectionné en un matériau amagnétique, et présente une longueur L 30 déterminée d'après la formule suivante: n 2 f IPU' + IPLI 2 dl 1/3 4 N Bn d j On va maintenant exposer plus en détail le mode de détermination de l'angle d'azimut d'un instrument dans un trou de forage, conformément à l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une tête de forage comportant un instrument topographique conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma en perspective montrant la transformation de coordonnées entre les axes liés à la terre et les axes liés à l'instrument les figures 3 à 5 sont des-schémas à deux dimensions montrant les diverses phases de ia transformation schématisée sur la figure 2; la figure 6 est un schéma fonctionnel de l'ins10 trument de la figure 1; la figure 7 est un graphique montrant la valeur de l'erreur-type de l'azimut calculé, en fonction de la longueur du manchon, pour la zone côtière du Golfe du Mexique; la figure 8 est un schéma montrant la disposition de l'instrument topographique monté dans un manchon de forage; la figure 9 est une planisphère donnant la valeur totale de l'intensité du champ magnétique terrestre. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la tigesonde de forage comporte une tête de forage 10, accouplée au moyen d'unmanchon de forage non magnétique 12 et d'un jeu de manchons de forage 1, pouvant être confectionnés en matériau magnétique, à une tige tubulaire de forage 16. 25 Le manchon de forage 12, non magnétique et de longueur prédéterminée, contient un intrument topographique 18, conforme à l'invention Comme schématisé sur la figure 6, l'instrument de topographie 18 comprend une partie de magnétométrie 22, à magnétomètres, de type "fluxgateé" et 30 une partie d'accélérométrie 24 Le compartiment d'accélérométrie 24 contient trois accéléromètres montés de manière à détecter trois composantes de la pesanteur, suivant trois directions perpendiculaires entre elles, l'une de ces directions étant de préférence en coincidence avec l'axe 35 longitudinal de la tige-sonde de forage Le compartiment de magnétométrie 22 comprend deux magnétomètres du type "fluxgate" montés de manière à mesurer l'intensité du champ magnétique suivant deux ou trois directions perpendiculaires entre elles, c'est-à-dire suivant les axes OX et OY de la figure 2, comme on l'expose ci-après En outre, l'équipement de topographie comporte un appareillage associé, pour le traitement des signaux élaborés par les divers instruments, comme on l'explique plus loin, en référence à la figure 6. Les capteurs magnétiques mesurent les composantes du champ magnétique local, à l'intérieur d'un manchon de forage 12, en matériau non magnétique, qui fait partie de la tige-sonde de forage, ce manchon étant disposé à proximité de l'outil amovible de forage 10 Les signaux de sortie 10 des deux éléments magnétométriques du type dit "fluxgate", disposés perpendiculairement l'un à l'autre, correspondent respectivement aux composantes BX et By du champ magnétique local, suivant les axes OX et OY Les signaux de sortie des trois accéléromètres du compartiment d'accélérométrie 15 24 correspondent aux composantes gx' gy et gz du champ local de la pesanteur, suivant les axes OX, OY et OZ. Les cinq signaux élémentaires de sortie, gx, gy, gz, Bx et By, correspondant chacun à une composante, sont constitués par des tensions électriques, proportionnelles aux grandeurs en cause, et appliqués à un bloc de traitement 26 qui comporte des convertisseurs analogiques-numériques. Les signaux de sortie gx, gy et gz des convertisseurs analogiquesnumériques passent dans le bloc de traitement 26 et sont finalement traités dans un bloc de calcul numé25 rique 28 qui détermine les valeurs de l'angle 0 d'orientation dit "highside" et de l'angle d'inclinaison e Cette opération de calcul peut être réalisée dans l'appareil de topographie, et les valeurs ainsi calculées sont conservées en attente dans une unité de mémoire 30 qui comporte de préférence un ou plusieurs blocs de mémoires à semi-conducteurs Cependant, au lieu de conserver en mémoire quatre valeurs 0, 9, Bx et By, il sera d'habitude plus commode de doter l'unité de mémoire 30 d'une capacité suffisante, pour conserver en attente les cinq signaux de sortie des convertisseurs analogiquesnumériques du bloc de traitement 26, en prévoyant une unité de calcul 28 constituée par un dispositif séparé, auquel on raccorde l'instrument de topo- 2549525. graphie après l'avoir extrait du trou de forage En variante, on peut aussi transférer directement les valeurs en cause aux unités de traitement installées en surface, en les transmettant par des moyens de télémesures classiques (non représentés) L'instrument 18 peut également comporter un capteur de pression 32, agencé pour détecter une interruption de pompage des fluides de forage à travers la tige d'extrémité de forage, ce qui indique une position stationnaire de l'instrument de topographie De préférence, on effectue les mesures lorsque les instruments sont stationnaires Pour détecter l'immobilité de l'instrument, on peut aussi utiliser d'autres moyens, tels que des détecteurs de mouvement L'alimentation du groupe d'instruments peut être 15 assurée par un groupe de piles 34, ou par un générateur de puissance disposé au fond du forage, ou encore par une ligne d'alimentation reliée à un groupe électrogène installé en surface. Le mode de réalisation préféré de l'invention, tel 20 que décrit plus haut et comportant deux magnétomètres de type "fluxgate" et trois accéléromètres, et l'avantage de ne demander aucun composant monté sur un système pivotant de précision, les seules parties mobiles étant constituées par les masses actives des accéléromètres. Sur la figure 2, on a schématisé un trou de forage , avec divers axes de référence, par rapport auxquels on peut définir l'orientation du trou de forage On a représenté sur la figure un groupe d'axes fixes par rapport à la terre (ON, OE, et OV), la direction O V correspondant à la verticale orientée vers le bas, alors que ON représente une direction horizontale de référence On a également représenté un jeu d'axes correspondants OX, OY et OZ, fixes par rapport au bottier de l'instrument de topographie, parmi lesquels OZ est l'axe longitudinal du trou de forage (et donc l'axe du boîtier de l'instrument), alors que les axes OX et OY, situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du trou de forage, schématisé par un cercle en traits mixtes, correspondent aux deux directions mentionnées plus haut, suivant lesquelles les accéléromètres et les magnétomètres de type "fluxgate" sont orientés. Pour établir une représentation dans l'espace du trajet d'un trou de forage, on part d'habitude d'une série de mesures de l'angle d'azimut Y et de l'angle d'inclinaison O Les mesures de ( 0,T) sont effectuées à des emplacements successifs le long du trajet du trou de forage, et on connaît avec précision la distance entre ces emplacements 10 de mesure On considère le groupe des axes orthogonaux de référence OX, OY, OZ, liés au bottier de l'instrument, et on les rapporte à un groupe d'axes ON, OE, et OV, liés à la terre, au moyen d'une série de rotations ( L,e, 0). Plus précisément, on passe dua groupe des axes orthogonaux 15 OX, OY et OZ, à un groupe d'axes ON, OE et OV, fixés à la terre, en effectuant trois rotations successives dans le sens des aiguilles d'une montre; à savoir une rotation en azimut, d'amplitude angulaire Y, autour de l'axe O V (figure 3); puis une rotation en inclinaison, d'amplitude angulaire 0, autour de l'axe O E (figure 4); et-une rotation en orientation, d'amplitude angulaire 0, autour de l'axe OZ (figure 5) Si UN, UE et UV sont les vecteurs unités suivant les directions ON, OE et OV, respectivement, l'opération vectorielle considérée est définie par l'équation: 25 UNEV = l Yl lel lol u X Yz ( 1) qui représente la transformation entre les vecteurs unités, dans les deux systèmes de référence (ONEV) et (OXYZ), avec lYl = cos Y sin 'Y O ( 2) sin cos Y O o O 1 le J = cos O ssin ( 3) 0 1 O -sin O O cos O Dû = cos O sin O O ( 4) sin O cos O O O 1 L'équation qui définit l'opération vectorielle d'une transformation en sens inverse peut s'écrire sous la forme: Uxyz = ( 0) (O) ( T) UNEV ( 5) On va maintenant décrire les opérations de calcul effectuées par l'unité de calcul 28 Le premier stade consiste à calculer l'angle d'inclinaison G et l'angle 0 d'orientation "highside" En ayant recours à l'opérateur vectoriel ( 5) pour traiter le vecteur de la pesanteur: - O ( 6) O on obtient les composantes de la pesanteur dans le système OXYZ gx = -g sin O cos 0 ( 7) gy = g sin O sin O ( 8) gz = g cos g ( 9) On peut ainsi déterminer la valeur de l'angle d'orientation "highside", d'après l'équation: t tan O = _l ( 10) g La phase suivante consiste à prendre les valeurs de Bn et Bv dans les tables des valeurs du magnétisme terrestre, figurant dans les publications spécialisées Faute de disposer de ces valeurs du magnétisme terrestre, on peut uti25 liser la sonde de prospection pour mesurer Bn et Bv, en effectuant ces mesures en unemplacement proche du haut du trou de forage, mais assez loin de toute structure ferromagnétique, susceptible de modifier le champ magnétique terrestre-réel. On calcule l'angle d'azimut ', en utilisant une boucle d'itération, avec comme valeurs d'entrée l'angle d'orientation "highside" 0, l'angle d'inclinaison 9, et les composantes Bx, By, Bv et Bn, du champ magnétique On calcule la valeur initiale de l'angle d'azimut Y O, d'après 35 l'équation: tan o = (Bx sin O + By cos 0) cos ( 11) (Bx cos O By sin 0) Bvsin On peut utiliser les valeurs successives-de l'angle d'azimut ' n, pour déterminer Bz au moyen de l'équation: B = B cos N sin + B cos v ( 12) z N N v A partir de Bz, on peut alors déterminer l'angle d'azimut au moyen de l'équation: tan 5 n+ = (Bx sin O + By cos 0) ( 13) cos 4 (Bx cos O By sin 0) + Bz sin O Il est commode d'utiliser les équations ( 12) et ( 13) pour effectuer un calcul automatique, jusqu'au moment o la différence: (t n+l I n) tend vers une valeur faible et prédéterminée Ainsi, en effectuant des mesures des composantes du champ magnétique local, et du champ local de la pesanteur, par rapport au système d'axes lié au bottier de l'instrument de topographie, on peut disposer d'indications suffisantes pour déterminer la valeur de l'angle 15 d'azimut. On peut déterminer la longueur du manchon de forage en matière non magnétique, en fonction de la valeur B err de l'erreur admissible dans le sens transversal sur l'intensité du champ, comme schématisé sur la figure 8, o l'on 20 a représenté l'instrument de topographie 18, disposé dans le manchon de forage 12 de longueur L et de diamètre extérieur OD L'erreur commise sur le champ, dans le sens transversal, provient de la proximité des matériaux magnétiques de la tige-sonde de forage, située au- dessus, et 25 de l'embout amovible de forage 10, situé en-dessous Les matériaux magnétiques de ces deux sources créent des pâles Puet PL' respectivement Dans le cas le moins favorable, on peut admettre que ces poles sont décalés par rapport au centre d'une valeur égale à: d = OD/600 ( 14) On peut déterminer la valeur de l'erreur transversale sur le champ au moyen de l'équation: Berr ( lPu I + IP err ( 4 W (L/2)) sin N ( 15) dans laquelle N est l'angle entre l'axe et les pâles dont le sommet se trouve en regard de l'instrument de topographie 18 Donc: sin N = d/(L/2) = ( 16) L La valeur en radian de l'erreur sur l'angle d'azimut se calcule en développant l'angle d'azimut en série de Taylor, en fonction du champ transversal Bt: t T = (Bt) = Y (o) + 6 (Berr) (Bt) Bt =Yo + 6 d ( 17) Donc: B' (Berr) ( 18) Bt 2 2 2 Par définition, on a Bt = B 2 B Bz Donc: Bt Bt 'B B B Bz 6 T Bt a une valeur sensiblement constante, comprise entre 000 et 60 000 VT, environ, comme on peut le déterminer sur la carte de la figure 9, pour les zones du globe terrestre o existent des gisements de pétrole et de gaz naturel. 20 D'après l'équation ( 12), on a: d B z = B sin W sin 9 ( 20) Ad n Si on prend les valeurs moyennes ci-après: Bt sin = 2 ksin O) = on obtient: 6 Bt Bn ( 21) 6 T 2 Par définition: B 6 Bt B B err t 6 D'après l'équation ( 16): B N 8 T l IPUI l IPLI (d) l 2 = 4 (L/2) ( 23) l'on Si/tire la valeur de L de l'équation ( 23), on Qbtient: (IPU + PLI) 2 d 1/3 ( 24) L = 2 I 4 X Bn dl En prenant IPU + IPL| = 2 000 micro Webers, avec un manchon ayant un diamètre externe de 190 mm ( 7-1/2 "), on trouve, d'après l'équation ( 14) que d = 0,330 mm ( 0,013 in). Suivant la configuration du manchon, l'équation ( 14) peut varier légèrement. En prenant pour l'erreur sur l'angle d'azimut T une valeur admissible de 0,25 degré, dans la zone côtière du Golfe du Mexique,on trouve: L = 1 965 mm ( 6,4 ft) La courbe de la figure 7 représente l'erreur qui affecte 20 le calcul de l'angle d'azimut, en fonction de la valeur L -de la longueur du manchon, pour une valeur de B courante dans la zone côtière du Golfe du Mexique, n soit B = 25 micro Teslas. n Si on augmente la longueur du manchon amagnétique, la valeur 25 du champ magnétique transversal d'effet parasite se trouve réduite en conséquence, et la valeur calculée de l'azimut tend à se rapprocher de la valeur réelle. C'est pourquoi, en prenant pour la longueur du manchon une valeur L comprise au minimum entre 1 525 et 2 135 mm 30 ( 5 ft et 7 ft), on obtient pour l'angle d'azimut une valeur calculée qui est comprise dans la zone des erreurs admissibles, pour la région côtière du Golfe du Mexique Il conviendra de calculer d'autres valeurs appropriées de la longueur du manchon, pour diverses autres régions, et pour 35 d'autres configurations du manchon et d'autres valeurs du diamètre extérieur de celui-ci. En ayant recours au procédé de calcul que l'on vient d'exposer, un système conforme à l'invention, pour déter- miner l'orientation d'un instrument de topographie situé au fond d'un trou de forage, comporte des moyens pour déterminer l'angle d'inclinaison de l'instrument à l'emplacement considéré dans le trou de forage précité; des moyens pour déterminer l'angle d'orientation "highside" dudit instrument à l'endroit en question; des moyens pour déterminer les valeurs réelles des composantes du champ magnétique local, perpendiculairement à la direction d'un axe primaire de l'instrument aligné sur l'axe du troude forage a l'endroit 10 considéré, ledit manchon de forage étant confectionné en un matériau amagnétique, et présentant une longueur de valeur L déterminée par la relation ci-après: lPU| + P |Li ( 2 d)1 1/3 L = 2 4 X Bn 6 Bien entendu, il est possible d'introduire de nombreuses variantes et modifications dans le dispositif que l'on vient de décrire, sans sortir du domaine de l'inventi Qn Il est donc bien entendu que le mode de réalisation de l'invention que l'on vient de décrire, en référence aux figures annexées, ne constitue qu'un exemple, sans limiter pour autant le domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour déterminer l'orientation d'un instrument de topographie dans un trou de forage, caractérisé en ce qu'il comporte les phases opératoires suivantes: a) On détermine l'angle d'inclinaison de l'instrument mis en place en un certain emplacement dans le trou de forage; b) On détermine l'angle d'orientation "highside" de l'instrument à l'emplacement considéré; c) On détermine les valeurs réelles de la composante horizontale et de la composante verticale du champ magnétique terrestre, à l'endroit du trou de forage; d) On détermine deux composantes du champ magnétique local, perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'ins15 trument considéré; e) On détermine l'angle d'azimut de l'instrument, par rapport à la direction du Nord magnétique, à l'emplacement considéré. 2 Procédé conforme à la revendication 1, caractéri20 sé en ce qu'on détermine les composantes du champ magnétique local à partir d'au moins une composante vectorielle dudit champ magnétique local. 3 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine les valeurs réelles de la compo25 sante horizontale et de la composante verticale à la surface de la terre. 4 Dispositif pour déterminer l'orientation d'un instrument de topographie monté dans un manchon de forage en bas d'un trou de forage, caractérisé en ce qu'il comporte 30 des moyens pour déterminer l'angle d'inclinaison de l'instrument en un certain emplacement dans ledit trou de forage; des moyens pour déterminer l'angle d'orientation "highside" de l'instrument à l'emplacement considéré; des moyens pour déterminer les valeurs réelles de la composante horizontale 35 et de la composante verticale du champ magnétique terrestre à l'emplacement considéré dans le trou de forage; et des moyens pour déterminer des composantes du champ magnétique local, perpendiculairement à la direction d'un axe primaire de l'instrument aligné sur le trou de forage à l'emplacement considéré; et en ce que le manchon de forage est confectionné en matériau amagnétique, et présente une longueur5 L déterminée d'après la formule suivante: L= 2 PU + (PL) 2 d 1/3 L 4 7 Bn 6 d' Dispositif d'orientation conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens servant à détermi10 ner les composantes du champ magnétique local comportent des moyens pour détecter les valeurs mesurées des composantes dudit champ magnétique local; ces moyens de détection étant situés à au moins un tiers de la longueur du manchon de forage, à partir d'une extrémité de ce manchon. 15 6 Dispositif d'orientation conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ledit instrument est placé dans une tige-sonde qui s'étend dans le trou de forage, l'instrument étant situé entre l'extrémité inférieure de la tige-sonde sur laquelle est monté l'outil de forage, 20 et l'extrémité supérieure de la tige-sonde reliée à la surface. 7 Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que la tige-sonde est constituée d'un matériau magnétique.