Brevet FR2560928A1 — publié le 19850913

-1 - La présente invention concerne l'évaluation de formations qui sont traversées par un trou de sonde dans la recherche de gisements d'hydrocarbures. De nombreux gisements d'hydrocarbures se trouvent dans des réservoirs fractures, par opposition au sable ou à d'autres types de réservoirs. La présence d'un réservoir fracturé est dif- ficile à détecter d'après des mesures effectuées dans le trou de sonde et on laisse échapper des formations inté- ressantes. La difficulté résulte du fait que les réservoirs iO fractures présentent de très petites différences dans la plupart des paramètres de diagraphie avec les formations immédiatement adjacentes aux formations fracturées. De plus, comme on fore la plupart des puits en utilisant de la boue de forage, les fractures ouvertes ont tendance à être obturées par la boue de forage, ce qui rend difficile leur détection réelle. En plus des problèmes ci-dessus, il existe une possibilité que le trou de sonde ne rencontre pab réellement une fracture et que les fractures soient situées à une certaine distance de la paroi du trou de sonde. Si les fractures pouvaient être détectées, on pourrait mettre la formation en production en provoquant des fractures dans la formation afin d'établir une commu- nication pour fluides entre les fractures naturelles et le trou de sonde. Plusieurs méthodes ont été proposées pour essayer d'évaluer des formations fracturées afin de déterminer si des fractures sont présentes et, si elles sont présentes, si elles contiennent des hydrocarbures en quantités commer- ciales. Une méthode consiste à utiliser divers diagrammes 3') électriques en combinaison avec des diagrammes acoustiques classiques afin de détecter des différences entre les diverses formations traversées par le trou de sonde et de mettre les différences en corrélation avec des échantillons carottés provenant de puits dans le même gisement. Une autre Méthode est décrite dans le brevet des E.U.A. N -2- 4 130 816. Ce brevet décrit une méthode et un appareil utilisant quatre transducteurs acoustiques qui sont également espacés sur une circonférence dans un plan horizontal. L'appareil comprend des moyens pour maintenir les transducteurs à proximité immédiate de la paroi du trou de sonde, deux transducteurs étant utilisés comme émetteurs et deux comme récepteurs. Les transducteurs produisent des impulsions acoustiques qui avancent circon- férentiellement le long de la paroi du trou de sonde de l'émetteur vers le récepteur. Si une fracture est pré- sente, l'amplitude de l'impulsion acoustique reçue sera réduite par rapport à l'impulsion acoustique reçue en l'absence de fractures. Bien que l'appareil ait été effi- cace dans la localisation de formations fracturées, il présente plusieurs limitations. Par exemple, les trans- ducteurs ne sont pas en contact direct avec la paroi du trou de sonde et ainsi ils gaspillent une énergie acous- tique considérable dans le fluide remplissant le trou de sonde, ce qui interfère avec les signaux acoustiques intéressants. De plus, comme l'outil utilise des ondes acoustiques qui avancent circonférentiellement autour de la paroi du trou de sonde, la profondeur de pénétration est très petite et les fractures qui ne rencontrent pas le trou de sonde ne seront pas détectées. Le but de l'invention est de fournir un procgdé et un appareil pour analyser les résultats acousti'ques obte2ns par diagraphie d'un sondage afin de déterminer si des fractures sont présentes dans les formations traversées par le trou de sonde. Le procédé selon l'invention comprend l'irradiation de la formation avec une impulsion acoustique d'une grande largeur de bande, le recueil de l'énergie acoustique réfléchie par la formation tandis qu'on -vince l'énergie réfléchie par la paroi du trou de sonde, la transformation du signal reçu en un signal électrique cor- respondant, la détermination des maxima et des minima du -3- signal électrique, la détermination de la différence de fréquence entre deux maxima et minima adjacents, et le calcul de la largeur de la fracture en utilisant la diffé- rence de fréquence et de la profondeur de la fracture en utilisant la vitesse du son dans la formation et le temps nécessaire pour que l'impulsion acoustique avance à travers la formation et soit réfléchie. La présente invention sera plus facilement comprise d'après la description détaillée suivante d'un mode de mise en oeuvre préféré, effectuée en regard des dessins annexes, o: La figure lA est une vue partielle en coupe verti- cale d'un outil de diagraphie qui peut être utilisé pour mettre en oeuvre la présente invention. La figure 1B est une vue horizontale ou en plan de la position des transducteurs de l'outil représenté sur la figure lA par rapport à un trou de sonde. La figure 2 est une représentation du transducteur dans le groupe qui détecte la plus petite différence de fréquence entre des maxima et minima adjacents dans son spectre de puissance du signal réfléchi quand on fait varier la position de l'outil de diagraphie dans le trou de sonde et qu'une fracture change de direction dans une formation. Sur la figure 1A, on a représenté un outil de dia- graphie qui peut être utilisé pour mise en oeuvre de la présente invention. L'outil comprend un corps d'outil allongé I que l'on peut faire monter et descendre dans un trou de sonde en utilisant un câble de diagraphie classique 3 qui est attaché à l'extrémité supérieure du corps 1 de l'outil. Le corps de l'outil comprend à son extrémité inférieure un nez en caoutchouc 4 et il comporte dix bras 5 (seulement deux bras opposés sont représentés) qui ont des supports de transducteurs 7 et des transducteurs 11 disposes à leurs extrémités inférieures. Pour utilisation -4- de l'outil 1 décrit ci-dessus, l'outil est introduit dans un trou de-sonde avec les bras 5 dans une position rétractée. On fait ensuite descendre l'outil jusqu'à ce qu'il arrive à l'endroit o on veut faire la diagraphie, et les bras sont déployés au moyen d'un mécanisme d'écartement 8. La figure lB est une vue en plan de la disposition des transducteurs de l'outil de la figure 1A dans leur position de fonctionnement. Les dix transducteurs 11A-11K sont également espacés autour de la circonférence d'un trou de sonde 10. Les transducteurs peuvent être simi- laires à ceux décrits dans le brevet des E.U.A. N0 4 130 816. Les bras 5 sont dans leur position déployée, de sorte que les transducteurs 11 sont presses en contact avec la paroi du trou de sonde. Pour éliminer ou réduire au minimum l'énergie acoustique qui est produite dans le fluide du trou de sonde, des absorbeurs de son acoustique moulés sont placés autour du côté dorsal des trans- ducteurs. Par exemple, trois absorbeurs acoustiques moulés 12 peuvent être placés autour de chaque transducteur pour réduire efficacement l'énergie acoustique entrant dans le fluide du trou de sonde. Bien que diverses matières puissent être utilisées, il est préféré d'utiliser des absorbeurs acoustiques en bronze fritté. Les transducteurs sont de préférence mis sous tension successivement pour produire des impulsions acous- tiques qui avancent ou sont envoyées dans la formation et sont réfléchies vers le transducteurs et transformées en un signal électrique correspondant. Des circuits à cet effet sont bien connus dans la technique et ne seront pas décrits davantage. Les signaux électriques peuvent être partiellement traités au fond du trou et transmis ensuite à la surface. Par exemple, il peut être avantageux d'incor- porer des amplificateurs de plage de gain et un équipement de traduction analogique-numdrique -5- au fond du trou de façon qu'un signal numérique puisse être transmis à la surface, conservant ainsi le caractère des signaux reçus. En plus des transducteurs acoustiques, il est préférable de prévoir des moyens pour connaître l'orientation des transducteurs dans le trou de sonde, par exemple des moyens magnétiques classiques peuvent être utilisés pour déterminer l'orientation des transducteurs par rapport au nord géographique. Des signaux indiquant la position du nord géographique peuvent aussi être transmis à la surface de façon qu'ils puissent être enregistrés en corrélation avec les signaux des transducteurs. Sur la figure 2, on a représenté trois positions d'une fracture 20 dans un trou de sonde en fonction de la profondeur. Sur la figure 2A, le transducteur 11 est situé approximativement dans une position horizontale et détecte une plus petite différence de fréquence (entre les maxima et minima de son spectre de puissance des signaux réfléchis) que tout autre transducteur du groupe parce que le trajet 21 de l'énergie acoustique est sensiblement per- pendiculaire au plan de la fracture. Sur la figure 2B, l'outil est situé à une autre profondeur dans le trou de sonde. Comme l'orientation de la fracture a changé, un autre transducteur du groupe est alors aligné perpendicu- lairement à elle et c'est celui qui détecte la plus petite différence de fréquence dans le spectre de puissance de ses signaux réfléchis. D'une manière similaire, pour la figure 2C, avec l'outil situé à une profondeur différente et l'orientation de la fracture changée, un troisième transducteur produit la plus petite différence de fré- quence. Dans cet exemple, on notera que la fracture s'est élargie quand on passe de la figure 2A à la figure 2Co En comparant les différences de fréquence dans les spectres de puissance des transducteurs perpendiculaires à la frac- ture à chaque profondeur, il est évident que la différence de fréquence sera la plus grande sur la figure 2A et la -6- plus petite sur la figure 2C. Les transducteurs sont fortement amortis de façon à produire un court train d'ondes acoustiques, par exemple de 1 à 3 cycles. Cela produira une impulsion acoustique ayant une large bande de fréquences, à savoir d'une fraction de mégacycle à plusieurs mégacycles, ce qui permettra la détermination de la largeur des fractures comme décrit ci-après. Au contraire, la plupart des outils utilisés antérieurement pour détecter les fractures utilisaient des impulsions acoustiques d'une très petite largeur de bande à une fréquence relativement grande, par exemple 120 kH. Quand l'impulsion à large bande est réfléchie par une fracture, le spectre de fréquence subira un changement dépendant principalement de la largeur de la fracture. Ce changement de fréquence produira un modèle périodique de maxima et de minima qui est un résultat de l'interférence constructive et destructive des ondes qui sont réfléchies par les faces opposées de la fracture. Il est bien connu d'après la loi de Bragg que la différence ae fréquence Af entre des maxima ou minima adjacents dans un signal peut être exprimée par la formule Af = v/(2 w sin 0) o v = la vitesse du son dans le fluide remplissant la structure 0 = l'angle entre le faisceau incident et un plan con- tenant la région explorée de la fracture w = la largeur de la fracture D'après un examen de l'expression ci-dessus, on peut voir que la différence Af minimale est obtenue quand l'angle Q est égal à 90 degrés. Ainsi, il est évident que le transducteur qui détecte la différence Af minimale est celui qui est le plus proche d'une ligne perpendiculaire au plan de la fracture. La position de ce transducteur dans le groupe et l'orientation du transducteur par rapport au -7- nord magnétique peuvent être utilisées pour déterminer la direction de la fracture. Il est évident que la largeur de la fracture est approximativement w = v/(2 Af min) Il est évident aussi que la distance entre le trans- ducteur détectant la différence Af minimale et la fracture est le produit de la vitesse du son dans la formation par la durée de trajet aller et retour de l'onde acoustique. Ainsi, on peut mesurer à la fois la largeur de la frac- ture, sa direction et sa distance de la paroi du trou de sonde. D'après cette information, une vue tridimensionnelle de la fracture, similaire à celle représentée sur la figure 2, peut être produite. Comme expliqué ci-dessus, pour détecter le signal de retour en présence du bruit produit en pressant les trans- ducteurs contre la paroi du trou de sonde, il est néces- saire d'utiliser des techniques de corrélation. On connait bien ces techniques dans lesquelles la fonction de corré- lation croisée est la mesure de la façon dont un signal res- semble à une copie retardée d'un autre. Ainsi, l'impulsion et l'écho peuvent être considérés comme étant les deux signaux et ont une valeur maximale à un instant corres- pondant à la durée de trajet aller et retour de l'impulsion. Cela fournira une méthode simple pour déterminer la dis- tance entre le trou de sonde et la fracture. D'une manière similaire. la fonction d'autocorrélation est une mesure de la façon dont un signal ressemble à une copie retardée de lui-même. La fonction d'autocorrêlation a toutes les composantes de fréquence du signal initial et la trans- formée de Fourier de la fonction d'autocorrélation est un spectre de puissance du signal. Ainsi, la transformée de Fourier de la fonction d'autocorrélation de l'écho aura des maxima et minima et on peut en déduire la différence Af et donc la largeur de la fracture. -8- L'utilisation d'un équipement de traitement de signaux pour obtenir les fonctions de corrélation croisée et d'autocorrélation d'un signal est bien connue et on pense qu'aucune description détaillée de ces systèmes n'est nécessaire ici. Si on le désire, un système approprié spécial peut être utilisé pour traiter les signaux et fournir des signaux de sortie représentant la largeur et la profondeur de la fracture. Ces mesures peuvent être pré- sentées sur des enregistreurs à bande classiques ou un tube à rayons cathodiques pourrait être utilisé pour fournir un affichage visuel. En résumé, le procédé selon l'invention ccmprend l'mission d'un signal acoustique dirigé vers la formation entourant le trou de sonde, le recueil de l'énergie acoustique réfléchie et sa transformation en un signal électrique correspondant. Des techniques de corrélation croisée et d'autocorrélation sont ensuite utilisées toutes deux pour extraire le signal réfléchi du bruit de fond. Si la diagraphie du trou de sonde est effectuée avec un outil comprenant une pluralité de transducteurs, chaque trans- ducteur successivement envoie une impulsion courte (bande large) d'énergie acoustique et se met en écoute du signal de retour. Si on rencontre une fracture, le signal qui revient aura plus d'énergie à certaines fréquences et moins à d'autres que le signal original. En d'autres termes, le spectre de puissance (quantité d'énergie à chaque fréquence) du signal de retour de chaque trans- ducteur aura des maxima et minima en relation avec la largeur de la fracture et la direction de l'énergie acoustique provenant de ce transducteur à travers la fracture. La différence de fréquence entre des maxima et minima successifs du spectre de puissance des signaux réfléchis aura elle-même un minimum pour le transducteur parmi l'ensemble des transducteurs dont l'énergie acous- tique atteint une fracture à peu près perpendiculairement -9- au plan de la fracture. Une fois qu'on a déterminé quel transducteur du groupe est aligné perpendiculairement au plan de la fracture, on peut utiliser la différence de fréquence entre les maxima ou minima adjacents de son spectre de puissance pour déterminer la largeur de la fracture. De même, la durée de trajet pour que l'énergie acoustique aille du transducteur à la fracture et revienne au transducteur peut être mise en relation avec la dis- tance entre la fracture et la paroi du trou de sonde. En utilisant une orientation géographique, par exemple nord, et en déterminant la position du trans- ducteur qui produit le signal minimal, on peut tracer le trajet de la fracture à travers la formation quand on fait varier la profondeur de l'outil de diagraphie dans le trou de sonde. De plus, il est possible de déterminer la largeur de la fracture d'après la différence de fréquence et éventuellement de déterminer si la fracture contient des hydrocarbures ou n'en contient pas par des changements dans la fréquence. -10- REVENDICATIONS 1. Un procédé pour détecter des fractures dans une formation entourant une paroi de trou de sonde, selon lequel on irradie la formation avec une impulsion acous- tique d'une grande largeur de bande, on reçoit l'énergie acoustique qui est réfléchie par la formation tout en éliminant l'énergie qui est réfléchie par la paroi du trou de sonde, on transforme le signal reçu en un signal élec- trique. correspondant, on détermine les maxima et minima du signal électrique, on détermine la différence de fréquence entre deux maxima et minima adjacents et on calcule la largeur de la fracture en utilisant la différence de fr4- quence et la profondeur de la fracture en utilisant la vitesse du son dans la formation et le temps nécessaire pour que l'impulsion acoustique avance à travers la formation et revienne. 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une pluralité d'impulsions acoustiques, ces impulsions étant également espacées autour de la périphérie du trou de sonde et produites successivement. 3. Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les impulsions sont produites au voisinage immédiat de la paroi du trou de sonde. 4. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion acoustique comprend un train d'ondes court de pas plus de cinq cycles. 5. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on améliore les signaux en utilisant une analyse par corrélation croisée. 6. Un procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur maximale de la fonction de corrélation croisée est mise en relation avec le double de la profondeur de la fracture. 7. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé -11- en ce qu'on obtient la fonction d'autocorrélation du signal et qu'on détermine la distance entre maxima et minima adjacents pour obtenir la différence de fréquence. 8. Un appareil pour détecter des fractures dans une formation entourant un trou de sonde, comprenant un corps d'outil 1 que l'on peut faire descendre dans le trou de sonde, le corps d'outil portant un transducteur acoustique 11 qui peut être pressé contre la paroi du trou de sonde 10, le transducteur étant utilisable pour émettre une impulsion acoustique de grande largeur de bande envoyée dans la formation de façon qu'elle pénètre dans la formation et soit réfléchie par des fractures dans la formation, le transducteur pouvant aussi recevoir l'énergie acoustique réfléchie par les fractures et transformer le signal acoustique reçu en un signal électrique correspondant, l'appareil comprenant aussi des moyens de traitement de l'information pour déterminer les maxima et minima du signal électrique, pour déterminer la différence de fréquence entre deux maxima et minima adjacents afin de calculer la largeur d'une fracture en utilisant la diffé- rence de fréquence et pour calculer la profondeur de la fracture en utilisant la vitesse du son dans la formation et le temps nécessaire pour que l'impulsion acoustique avance à travers la formation et revienne. 9. Un appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le corps d'outil porte une pluralité de trans- ducteurs acoustiques I1A-11K quisont disposés dans un seul plan et peuvent être pressés à des intervalles tangentiels réguliers contre la paroi du trou de sonde. 10. Un appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque transducteur est pourvu d'absorbeurs de son acoustique moulés qui sont disposes autour du côté dorsal du transducteur pour réduire l'énergie acoustique entrant dans le fluide du trou de sonde. -12- 11. Un appareil selon la revendication 10, caracté- risé en ce que chaque absorbeur de son acoustique est formé de bronze fritté.