Brevet FR2562150A1 — publié le 19851004

SONDE GEOMECANIQUE POUR PUITS DE FORAGE La présente invention concerne des sondes destinées à être intro- duites dans un puits de forage pour y faire agir un fluide et pour y mesurer, simultanément, divers paramètres. En particulier lorsqu'on doit fracturer un réservoir souterrain au droit d'un puits, on aimerait être capable de prévoir les principales caractéristiques géométriques et hydrauliques de la fracture qu'induira un type de traitement donné: l'extension maximale de la fracture; le nombre de couches géologiques différentes traversées; l'azimut du plan contenant la fracture; la limitation de la fracture au mur et au toit du réservoir ou, au contraire, la mise en communication de deux gisements superposés.. Pour répondre à ces questions, on peut utiliser un simulateur nuréri- que capable de modéliser le comportement des fluides injectés et des roches fracturées en tenant compte de toutes les conditions aux limites. Mais ce simulateur ne peut fournir de résultats fiables que si l'on y introduit des données correctes. Un des paramètres les plus délicats à mesurer est le ten- seur de contrainte in situ dont dépendent en grande partie l'azimut de la fracture, le confinement de la fracture par les épontes du réservoir et la vitesse de percolation du fluide de fracturation dans la roche, Si l'on peut effectuer des mesures de certains paramètres en labora- toire sur des échantillons de roche prélevés par carottage, il est très important de les compléter par des mesures in situ obtenues au moyen d'une sonde descendue dans le puits. Des comparaisons entre les deux types de mesure peuvent donner des renseignements précieux, notamment sur l'existence de fissures in situ. Quant au tenseur de contrainte, il n'est pas impossible que l'on arrive à le déterminer à partir d'échantillons de roche carottés grâce à la mémoire que conservent ces échantillons des contraintes auxquelles ils ont été soumis, mais cette détermination n'en est encore qu'au stade de la recherche. Il y a donc un très grand intérêt à pouvoir effectuer des mesures précises in situ à l'aide d'une sonde descendue dans un puits de forage. Les appareils proposés jusqu'ici sont de réalisation très difficile - 2- ou même impossible et ne donnent pas d'informations suffisamment précises. La presente invention se propose de combler cette lacune en créant un appareil robuste, sûr, efficace et précis. Un objet de l'invention est une sonde géomécanique pour puits de forage, comprenant un corps allongé muni de deux obturateurs gonflables sé- parés longitudinalement l'un de l'autre et prévus pour s'appliquer à l'état gonflé, contre la paroi d'un puits et obturer ce puits et de moyens de passa- ge de fluide pour amner un fluide sous pression, successivement, dans les ob- turateurs gonflables et contre ladite paroi du puits entre les deux obturateurs gonflés, caractérisé en ce que le corps de la sonde comprend entre les deux obturateurs un boiîtier de mesure contenant une pluralité de palpeurs dirigés radialement, répartis circonférentiellement et montés, en étant sollicités radialement vers l'extérieur, sur des supports mobiles déplaçables entre une position de repos, en retrait radial, dans laquelle les palpeurs restent à l'intérieur du boîtier et une position de travail, en avancée radiale, dans laquelle les palpeurs font saillie hors du boîtier et peuvent s'appliquer contre la paroi du puits, tandis que des capteurs de déplacement sont disposés dans le boîtier pour donner une information sur la position radiale de ces palpeurs. L'invention prévoit, en outre, de réaliser lesdits supports mobiles sous la forme de pistons disposés dans des cylindres, sollicités en position de repos par des ressorts et déplaçables en position de travail par introduc- tion d'un liquide de manoeuvre dans ces cylindres. Selon un autre objet de l'invention, le boîtier de mesure comporte d'un côté longitudinal une enceinte, dite enceinte hydraulique, contenant ledit liquide de manoeuvre et des moyens, à entraînement et commande électri- ques, de mise en pression et de transmission de liquide pour introduire ledit liquide sous pression dans lesdits cylindres et en ce que la sonde contient de l'autre côté longitudinal du boîtier une pièce de connexion électrique qui permet une connexion détachable entre le boîtier de mesure et l'extérieur pour recevoir de l'énergie et des commandes électriques et pour transmettre a l'extérieur des informations électriques de mesure. D'autres particularités de l'invention ressortiront de la descrip- 6 2 1 5 0 -3- tion d'un exemple de réalisation qui va être donné, à titre non limitatif, en se référant au dessin joint dans lequel: - les fig. I et 2 représentent une vue en élévation et coupe partielle d'une sonde géomécanique avant gonflage des obturateurs; - les fig. 3 et 4 représentent une vue analogue après gonflage des obturateurs; - la fig. 5 est une coupe longitudinale, à plus grande échelle, d'une portion de boîtier de mesure dans laquelle les palpeurs ont été ramenés dans le plan de la figure; et - la fig. 6 est une coupe partielle transversale selon la ligne 6-6 de la fig. 5. La sonde représentée sur les fig. 1 et 2 et les fig. 3 et 4 comprend de haut en bas: un corps creux tubulaire supérieur 1 portant un obturateur gonflable supérieur 2, un boîtier de mesure 3 et un corps creux tubulaire in- férieur 4 portant un obturateur gonflable inférieur 5. Le corps creux tubulaire supérieur est ouvert à la partie supérieure et il contient une chemise interne 6 pouvant coulisser à l'intérieur de ce corps creux. La chemise 6 est pourvue d'un téton 7 qui s'engage dans une rainure 8 en forme de J ménagée dans le corps supérieur 1. Le profil de la rainure 8 a été représenté sur le côté des fig. I et 3. La chemise 6 est solidaire à sa partie supérieure d'un embout de raccordement 9 qui permet de la fixer au bas d'un train de tiges, non représenté ici, utilisé pour descendre la sonde dans un puits de forage que l'on n'a pas représenté non plus. L'utilisation d'un train de tiges réduit considérablement le risque de ne pas pouvoir remonter la sonde en cas de blocage de celle-ci dans le puits. Le train de tiges est muni d'un joint coulissant ou d'un système de compensation à force constante en tête de puits. Un passage annulaire 10 a été ménagé sur une portion interne du corps I pour amener un fluide sous pression dans l'obturateur gonflable supérieur 2. Une ouverture Il dans la chemise 6 se trouve en face de ce passage lorsque la chemise 6 est en position haute qui correspond à la position du téton 7 dans le haut de la rainure 8 comme on le voit sur les fig. I et 2, position -4 - qui est prise lors de la descente de 'la sonde au bout d'un train de tiges. L'obturateur gonflable inférieur 5 se trouve dans la même situation de gonfla- ge ou dégonflage que l'obturateur gonflable supérieur 2 grâce à une liaison hydraulique 12 entre ces deux obturateurs 2 et 5. Dans la position haute de la chemise 6 représentée sur les fig. I et 2, l'envoi d'un fluide sous pression à partir de la tête de puits dans le train de tiges et le volume cylindrique interne à la chemise 6 provoque le gonflage des deux obturateurs 2 et 5 et leur application étanche contre la paroi interne du puits. Les corps de la sonde sont alors fixés en position dans le puits et on peut en agissant sur le train de tiges faire descendre la chemise 6 dans le corps 1, le téton 7 venant au bas de la rainure 8 comme on l'a repré- senté sur les fig. 3 et 4. Dans cette position basse de la chemise 6, l'ouver- ture Il n'est plus en face du passage 10 qui se trouve isolé: les obturateurs 2 et 5 restent gonflés. Un passage transversal 13 ménagé dans le corps I se trouve alors en face de l'ouverture Il et permet au fluide sous pression intro- duit par le train de tiges à l'intérieur de la chemise 6 de passer dans l'espace annulaire compris entre la paroi interne du puits, la corps de la sonde et les deux obturateurs, pour agir sur cette paroi interne du puits. Le boîtier 3 contient divers appareils de mesure qui sont reliés à la tête de puits par un conducteur électrique unique qui véhicule les commandes et les données mesurées par transmission en série des informations grâce à un système de multiplexage. Un système de connexion électrique du type enfichable et utilisable dans un milieu contenant des particules en suspension tel qu'une boue de forage est utilisé au-dessus du boîtier de mesure 3. Un tel système de connexion peut, par exemple, être celui mis au point par la société Deutsch et comportant un transfert de graisse, ce qui l'adapte à cette utilisation dans des conditions environnantes très spéciales. Il comporte une pièce de connexion 14 portée par la sonde au-dessus du boîtier 3, dans laquelle on peut venir enficher une pièce de connexion complémentaire, non représentée, descendue à l'intérieur du train de tiges de forage avec des barres de charge traversées par un câble électrique fixé à cette pièce de connexion male et prévues pour fournir la force nécessaire à l'enfichage, de l'ordre d'une dizaine de kilos par exemple. Les fig. 5 et 6 représentent essentiellement le boîtier de mesure dans la région o se trouvent disposés des palpeurs s'appliquant contre la face interne du puits. Ces palpeurs 15 sont solidaires chacun d'une tige 16 dont l'extrémité opposée est munie d'un noyau]7 qui permet de déterminer la position du palpeur, Ces noyaux mobiles 17 coopèrent, en effet, avec des en- roulements fixes 18 de transformateurs différentiels montés dans un bloc 19 qui porte l'ensemble des palpeurs. Chaque palpeur peut se déplacer radialement et il se trouve sollicité vers l'extérieur par un ressort 20 s'appuyant sur un support déplaçable 21. Le profil des palpeurs est adapté aux fonctionssouhaitées. Ce support déplaçable 21 forme lui-même le piston d'un système de vérin dont le cylindre est formé par une chemise de titane 22 insérée dans un évidement cylindrique ménagé dans le corps 19, Un filtre 23 et un joint racleur 24 sont disposés sur chaque piston support 21 autour de la tige 16. Les pistons supports 21 sont, à l'état de repos, ramenés dans une position radiale en re- trait par des ressorts 25. Dans cette position en retrait, les palpeurs 15 se trouvent rentrés dans le bloc 19. Si l'on envoie un fluide sous pression dans la chambre 26 du vérin forme par le piston 21 et la chemise 22, le piston sup- port 21 est;poussé dans une position radiale avancée o le ressort 25 se trouve comprimé compiltement, les spires de ce ressort étant alors jointives. Les divers palpeurs 15 ont été disposés dans plusieurs plans trans- 2 U versaux, ici deux plans transversaux et ils sont circonférentiellement décalés d'un plan transversal à un autre plan transversal, contraire-nat à la représen- tation de la fig. 5 modifiée pour mieux montrer les palpeurs. L'alimentation en fluide sous pression des diverses chambres 26 s'ef-- fectue par un conduit hydraulique central 27. Sous le bloc 19, on a prévu une enceinte 28 dans laquelle se trouve de l'huile hydraulique. Une pompe 29 entraî- née par un moteur électrique 30 introduit, par des canalisations et des électro- valves non représentées, de l'huile hydraulique sous pression dans le conduit 27. L'enceinte 28 peut 8tre au moins partiellement disposée radialement àl'intérieur de l'obturateur 5 pour réduire la distance entre les obturateurs 2 et 5. Des passages de conducteurs électriques sont également ménagés de manière étanche dans le bloc 19. On alimente ainsi le moteur électrique 30 et on commande les électro-valves du circuit hydraulique reliant la pompe 29 au conduit 27. On a notamment figuré sur la fig. 5 un passage étanche supérieur 31 et un passage étanche inférieur 32 dans le bloc 19. On a également représenté des conduits 33 pour des fils reliés à l'enroulement 19 des transformateurs 6 -562150 différentiels. Au-dessus du bloc 19, on a prévu une enceinte 34 qui est, essentiel- lement, réservée à l'électronique. On y a représenté un capteur de pression 35 qui mesure la pression au fond et qui peut être du type à quartz ou à jauges résistives métalliques par exemple. Cette enceinte contient également un cap- teur d'azimut du type magnétomètre à trois composantes, un capteur de tempéra- ture à résistance de platine, un pressiomètre pour mesurer la pression dans les obturateurs et un ensemble d'électronique de fond, non représentés. Tout cet appareillage est relié à la pièce de connexion femelle 14, par laquelle les liaisons sont assurées avec un ensemble électronique de surface. La transmission des données mesurées s'effectue de préférence par modulation de fréquence. L'en- semble électronique de surface comporte notamment un module d'alimentation élec- trique, un module générateur de signaux de commande, un compteur mesurant les fréquences représentatives des grandeurs physiques mesurées, un calculateur pour reconvertir ces fréquences en grandeur physiques, les présenter sur un écran cathodique et les enregistrer sur support magnétique et une imprimante graphique pour fournir des listings de mesures et divers graphiques. L'utilisation de la sonde qui vient d'être décrite peut être la sui- vante. On descend cette sonde dans un puits de forage à l'aide d'un train de tiges, la chemise interne 6 de la sonde se trouvant dans la position des fig. I et 2 et les obturateurs 2 et 5 étant dégonflés. Lorsque la sonde arrive au voisinage de la formation à tester, on descend à l'intérieur du train de tiges un appareil à rayons gamma qui permet de repérer très exactement la position d'un manchon préyu à cet effet et ainsi d'ajuster la cote de la sonde dans le puits. On remonte ensuite l'appareil à rayons gamme et on gonfle les obturateurs 2 et 5 en injectant dans le train de tiges un fluide sous pression à l'aide d'une pompe de surface. L'appareil à rayons gamma pourrait aussi!tre incorporé à la sonde. On déplace alors la chemise 6 pour l'amener dans la position repré- sentée sur les fig. 3 et 4. On descend dans le train de tiges le câble électri- que de liaison avec la surface muni de barres de charge et d'une des pièces de connexion pour enficher cette dernière pièce dans la pièce de connexion complé- mentaire. 7 - On commande la sortie radiale des palpeurs 15 et on reçoit en sur- face des informations sur la forme du trou. de forage au droit du bottier de mesure, la température au fond du trou de forage (ce qui permet d'apporter des corrections aux signaux reçus des capteurs), la position de la sonde par rapport au champ magnétique terrestre, la pression dans les obturateurs, la pression du fluide injecté par la sonde, les déplacements de la paroi du puits. La période d'un cycle de mesure est de l'ordre de-la seconde. Les grandeurs mesurées sont visualisées sur un écran et stockées dans une mémoire. L'essai proprement dit commence alors et peut se dérouler de la manière suivante: on injecte un fluide sous pression dans le train de tiges en régime matriciel pour étudier les propriétés élastiques de la roche; on injecte ensuite ce fluide en régime de fracturation et on détermine l'azimut de la fracture; on arrête l'injection; on détermine le vecteur de contrain- te et la vitesse de percolation; on réinjecte du fluide et on détermine l'énergie de surface; on arrête l'injection et on suit le retour à une situa- tion stable. Apres cet essai, on rentre les palpeurs 15 dans le boîtier de mesure, op remet la chemise 6 dans la position représentée sur les fig. I et 2 pour dégonfler les ohturateurs 2 et 5 et on déplace la sonde pour l'amener à un autre niveau o l'on procède à un autre essai de manière similaire à celle décrite précédemment. Quand on a terminé le dernier essai, on déconnecte d'avec la pièce de connexion 14 le châble électrique de liaison avec la surface et on remonte la sonde à la surface à l'aide du train de tiges. Cette sonde, de construction robuste, est descendue et remontée de manière sûre à l'aide d'un train de tiges. La connexion électrique se fait après mise en place de la sonde, ce qui évite les risques de destruction d'un câble électrique courant à c6té d'un train de tiges pendant la descente et la remontée de celui-ci. Le déplacement des palpeurs est mesuré avec une très grande précision de l'ordre du micron et ces palpeurs ne risquent pas d'être endommagés lors de la descente et de la remontée de' la sonde, Les diverses mesures sont corrigées d'après la température mesurée. En outre, lors d'une fracturation, la fissure créée par fracturation hydraulique est plus ouverte que celle obtenue avec une sonde à membrane; la détection de la contrainte 2562 150 - 8 - principale ineure et de son azimut est nettement améliorée. Un faible, volume de fluide crée une très grande fissure. La translation de la masse rocheuse perpendiculaire au plan de la fracture donne l'azimut de la fracture et cet azimut pourra être détecté même si la fracture n'est pas méridienne. Cette sonde trouve application dans d'autres essais que des essais de fracturation tels que des essais de production classique o l'on peut déterminer les fissures naturelles et l'anisotropie de la perméabilité de la roche et des essais de fluage de la roche d'o l'on peut déduire les efforts s'exerçant sur]es cuvelages cimentés. 9- REVENDICATIONS 1 - Sonde géomécanique pour puits de forage, comprenant un corps allongé muni de deux obturateurs gonflables (2, 5) pour s'appliquer, à l'état gonflé, contre la paroi d'un puits et obturer ce puits et de moyens de passage de fluide (10, 11, 12, 13) pour amener un fluide sous pression successivement dans les obturateurs gonflables et contre ladite paroi du puits entre les deux obturateurs gonflés, caractérisé en ce que le corps de la sonde comprend entre les deux obturateurs (2, 5) un bottier de mesure (3) contenar.t une pluralité de palpeurs (15) dirigés radiale- ment, répartis circonférentiellement et montés, en étant sollicités ra- dialement vers l'extérieur (20), sur des supports mobiles (21) déplaça- bles entre une position de repos, en retrait radial, dans laquelle les palpeurs restent à- l'intérieur du boîtier (3) et une position de travail, en avancée radiale, dans laquelle les palpeurs font saillie hors du boîtier et peuvent s'appliquer contre la paroi du puits, tandis que des capteurs de déplacement (17, 18) sont disposes dans le bottier pour donner une information sur la position radiale de ces palpeurs. 2 - Sonde géomecanique selon la revendication 1, caractériséeen ce que les palpeurs (15) sont répartis en plusieurs ensembles disposés dans des plans transversaux parallèles et sont décalés circonférentiellement les uns par rapport aux autres d'un ensemble à l'autre. 3 - Sonde géomécanique selon la revendication 1, caractériséeen ce que les capteurs de déplacement des palpeurs (15) sont des transformateurs dif- férentiels (17, 18) à noyau interne (17) constitué par une pièce soli- daire d'un palpeur. 4 - Sonde géomécanique selon la revendication 1, caractériséeen ce que les- dits supports mobiles (21) sont des pistons disposés dans des cylindres, sollicités en position de repos par des ressorts (25) et déplaçables en position de travail par introduction d'un liquide de manoeuvre dans ces cylindres (26). -0o - 2562150 - Sonde géomécanique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le boîtier de mesure (3) comporte d'un coté longitudinal une enceinte (28), dite enceinte hydraulique, contenant ledit liquide de manoeuvre et des moyens (29), à entraînement et commande électriques (30), de mise en pression et de transmission de liquide pour introduire (27) ledit li- quide sous pression dans lesdits cylindres (26) et en ce que la sonde contient de l'autre coté longitudinal du boîtier une pièce de connexion électrique (]4) qui permet une connexion détachable entre le bottier de mesure (3) et un câble électrique de liaison avec l'extérieur pour rece- voir de l'énergie et des commandes électriques et pour transmettre à l'extérieur des informations électriques de mesure. 6 - Sonde géomécanique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite pièce de connexion électrique (14) est l'une des deux pièces complémen- taires d'un connecteur de type enfichable et utilisable dans un milieu contenant des particules en suspension. 7 - Sonde géomécanique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'ensemble des palpeurs (15) est disposé dans un bloc (19) placé longitu- dinalement entre ladite enceinte hydraulique (28) et une enceinte (34), dite électronique, qui contient d'autres capteurs de mesure (35) et un ensemble d'électronique, tandis que ladite pièce de connexion électrique (14) est disposée à l'extrémité longitudinale de ladite enceinte électro- nique éloignée dudit bloc (19).