Brevet FR2574949A1 — publié le 19860620

-1- La présente invention se rapporte aux outils de diagraphie et elle concerne en particulier un outil pour trou de sonde observable par télévision (BHTV) tel que décrit dans le brevet des E.U.A. N 3 369 626. Ce brevet décrit un outil de diagraphie dans lequel un transducteur acoustique tournant reçoit des impulsions de façon à pro- duire des ondes acoustiques qui avancent à travers le fluide du trou de sonde et sont réfléchies par la paroi du trou de sonde vers le transducteur. Diverses caractéris- tiques du signal réfléchi sont enregistrées et affichées de façon à fournir une indication concernant la surface du trou de sonde. Par exemple, l'amplitude du signal réfléchi peut être affichée sur un tube à rayons cathodiques qui est photographié périodiquement de-manière à fournir une représentation de la paroi du trou de sonde développée en une surface plane. L'outil s'est révélé utile pour loca- liser des fractures dans les formations traversées par le trou de sonde, ainsi que pour localiser la corrosion dans un tubage qui a été installé dans le trou de sonde. L'outil a été adapté aussi de façon à fournir une mesure du type diamétrage du trou de sonde de manière que des portions élargies du trou de sonde puissent être localisées. Un système d'affichage qui incorpore les particularités ci- dessus est décrit dans le brevet des E.U.A. N 4 463 378. Bien que l'outil se soit révélé utile, il a des limi- tations quand on le fait fonctionner dans des trous de sonde contenant des boues de forage lourdes. On utilise des boues lourdes dans de nombreuses zones o on fore dans des formations sous pression. Les boues lourdes ont tendance absorber et à disperser le signal acoustique et limitent la capacité de l'outil d'examiner la paroi du trou de sonde. Une solution possible au problème est d'utiliser des fréquences plus basses de façon à fournir des ondes acous- tiques qui peuvent mieux traverser la boue de forage. 25749_49 -2- L'utilisation de fréquences plus basses exige des trans- ducteurs plus gros pour faire converger l'énergie acous- tique. Comme le transducteur est monté dans l'outil et qu'on le fait tourner pour explorer la paroi complète du trou de sonde, il y a une limitation physique aux dimensions du transducteur que l'on peut réellement monter dans l'outil. Si on utilise des fréquences plus basses sans agrandir les transducteurs, la largeur de faisceau définie comme la largeur complète à la moitié de la hauteur du lobe primaire devient très grande, augmentant la grosseur des points et réduisant la résolution. Pour maintenir la même largeur de faisceau, on doit maintenir approximativement le même rapport du rayon A du transducteur à la longueur d'onde A. Toutefois, pour des transducteurs plats ayant un rapport A/ donné, quand on augmente A et qu'on réduit À, la région compliquée du champ proche s'éloigne du transducteur, le rendant inutilisable pour fournir des images dans de petits trous de sonde, c'est- à-dire près du transducteur. Comme expliqué ci-après, il existe en réalité une valeur nulle de la pression de l'onde sonore le long de l'axe du transducteur. Pour un transducteur plat avec un rayon de 1,8 cm et une longueur d'onde de fonctionnement (dans l'eau) de 0,4 cm ou 400 Hz, cette valeur nulle se trouve à plus de 5 cm de la face du transducteur. On a découvert qu'avec - l'addition d'une courbure au transducteur, ce champ proche est rapproché, ce qui permet la production d'images dans un trou de sonde d'un diamètre inférieur d'au moins 5 cm par rapport à ce qui est possible autrement. En réduisant la fréquence, on peut améliorer la pénétration dans la boue, et si le diamètre du transducteur est accru dans une mesure correspondante et on donne une courbure au transducteur, la résolution et la résolution des images formées près du transducteur n'en souffriront pas. De plus, l'addition d'une courbure augmente de façon -3- spectaculaire le rapport d'énergie dans le lobe'primaire au détriment de l'énergie dans les lobes secondaires à des distances allant jusqu'à la distance focale. Cela améliore aussi l'efficacité et aide à la pénération dans la boue. Une amélioration supplémentaire dans la capacité des ondes acoustiques de pénétrer dans les boues de forage lourdes est obtenue grâce à une réalisation particulière de la fenêtre acoustique qui isole le transducteur des fluides du trou de sonde dans l'outil de trou de sonde observable par télévision. La fenêtre acoustique doit être en bon accord acoustique avec les fluides du trou de sonde et assez résistante pour fournir une protection au système de transducteur tournant. On a découvert qu'une matière polyméthylpentène a une résistance mécanique acceptable jusqu'à-des températures de 1257C et s'accorde acousti- quement avec la plupart des boues de forage. Cette matière est vendue sous le nom commercial TPX et est produite par Mitsui Petrochemical au Japon et par Imperial Chemical Industries, Ltd., en Grande Bretagne. On a découvert aussi que l'on obtient des résultats améliorés en inclinant la surface de la fenêtre au lieu de la fenêtre de forme cylindrique plus classique. L'invention sera plus facilement comprise d'après la description détaillée suivante effectuée en regard des dessins annexés, o: La figure 1 est une vue en coupe horizontale d'un transducteur et d'une fenêtre acoustique construits conformément à la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe verticale suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique du transducteur de côté et en bout, montrant les dimensions utilisées dans le calcul de la pression produite par le transducteur à un point particulier quelconque. -4- Les figures 4 et 5 illustrent le profil de'puissance à diverses distances du transducteur pour trois configu- rations différentes de transducteurs et deux fréquences. La figure 6 représente les porformances pour divers transducteurs, divers poids de boue (W) et divers diamètres de trou de sonde (D). Sur les figures 1 et 2, on a représenté un trans- ducteur concave et une fenêtre acoustique construits selon la présente invention, le transducteur étant monté dans la tête tournante de l'émetteur de télévision de trou de sonde du type décrit dans le brevet précité. On n'a pas repré- senté les moyens pour monter la tête tournante, les moyens de rotation ni le reste de l'outil. Les détails de l'outil de diagraphie et sa construction sont décrits plus en détail dans le brevet des E.U.A. N 3 369 626 précité et diverses publications bien connues de l'homme de l'art. Le transducteur comprend un élément piézo-électrique sphé- rique 12 qui a une surface frontale concave 13 faisant face à l'extérieur vers la formation et une surface 14 du côté opposé faisant face au centre de l'outil de diagraphie. Le transducteur est monté dans une ouverture dans la tête tournante 6 et est adossé à une matière absorbant le son appropriée 15 de façon à réduire la dissipation vers l'arrière de l'énergie provenant du transducteur. Le transducteur et l'élément d'endossage sont montés sous la forme d'une unité dans la tête tour- nante 16 de l'outil de diagraphie BHTV. Le transducteur est de préférence d'un type piézo-électrique qui a une forme sphérique et une épaisseur constante et des dimensions comprises entre les limites décrites plus en détail ci- après. Le transducteur doit avoir une épaisseur uniforme de façon que les ondes de pression produites par le transducteur soient en phase. La fenêtre acoustique 20 est représentée sur la figure 2 et comprend un élément de forme générale cylindrique -5- formé du TPX décrit ci-dessus. La fenêtre comporte des filetages internes 21 et 22 à chaque extrémité de façon qu'elle puisse être fixée au reste du logement de l'outil de diagraphie. La portion centrale de la fenêtre comporte une surface 23 tronconique ou inclinée par rapport au transducteur. La surface tronconique est capable de réfléchir l'énergie pour l'éloigner du transducteur et réduit ainsi le temps de descente annulaire ou la queue résultant de réflexions multiples entre la boue et le transducteur. Dans les cas o l'accord acoustique entre le fluide remplissant l'outil de diagraphie, la fenêtre acoustique et la boue de forage est étroit, la descente annulaire n'est pas un problème. Dans le cas de boues à base d'huile assez lourdes, le mauvais accord et l'atté- nuation due à la boue lourde ont empêché l'utilisation d'un outil de diagraphie BHTV. La fenêtre décrite ci-dessus ayant un angle d'environ 4 degrés par rapport à l'axe longitudinal a permis que l'outil de diagraphie BHTV soit utilisé efficacement dans des puits contenant une boue lourde (plus de 1300 kg/m3) à base d'huile. Bien qu'un angle de 4 degrés ait été utilisé, des angles compris entre 3 et 5 degrés pourraient aussi être utilisés. Sur la figure 3, on a représenté la surface 13 du transducteur et les diverses dimensions utilisées pour calculer la pression produite par le transducteur à un point quelconque 20 dans l'espace. En utilisant les dimensions représentées sur la figure 3 et l'équation (1) que l'on trouve à la page 184 d'un article de J. Zemanek intitulé "The Beam Hehaviour Within the Near Field of a Vibrating Piston" publié dans le journal de l'Acoustical Society of America, volume 49, pages 181 et suivantes, on peut écrire l'équation suivante pour la pression P: i(wt-kL) p = C fA.12 r' dr' dO e O o L -6 - Dans l'expression ci-dessus, L a la signification suivante: L = Ir' p2 p2 + Z2 _ 2 r'p cos 071/2 L'équation suivante peut aussi s'écrire: Z = Z - R + R - r'2 o R = rayon de courbure du transducteur r' = variable d'intégration 0 = variable d'intégration Z et P = coordinateur polaire du point 20. D'après ce qui précède, on peut voir que quand R tend vers l'infini, les résultats obtenus concordent avec les résultats publiés dans l'article de Zemanek pour un trans- ducteur du type à plaque plane. En utilisant les expressions ci-dessus, on peut calculer les pressions produites dans l'espace sur le devant du disque courbe et obtenir le résultat représenté sur la figure 4. Sur la figure 4, on a représenté les courbes de puissance de trois transducteurs de 2,5 cm de diamètre; le transducteur de gauche ayant un rayon de courbure de 10 cm et le transducteur de droite ayant un rayon de courbure infini. De plus, tous les transducteurs ont été excités à une fréquence de 400 kHz. Les lignes verticales , 31 et 32 sur la figure 4 représentent les axes des transducteurs, les nombres, par exemple 33, représentent des distances en cm à partir de la face du transducteur et les lignes horizontales, par exemple 34, 35 et 36, repré- sentent des distances horizontales à partir de l'axe du transducteur. Les pourcentages de la série 37 représentent le pourcentage de puissance qui est présent à un point sur un plan espacé des distances 30 du transducteur. Evi- demment, le niveau de 100 % de puissance pour le plan à cm de la face du transducteur est le niveau de puissance 0 pour le plan à 2,5 cm de la face du transducteur. Par exemple, la courbe 40 illustre le fait que dans un plan à -7- cm de la face du transducteur, on trouve 100 % de la puissance sur l'axe du transducteur. Au contraire, le point 41 montre que seulement 50 % de la puissance est présente à un point sur le plan situé d'un côté de l'axe du transducteur. Par examen du faisceau 50 % de puissance des transducteurs représentés, on voit que les trans- ducteurs ayant une surface sphérique de rayonnement con- servent au moins 50 % de leur puissance dans ce faisceau même à des distances de 5 et de 7,5 cm de leur face. En fait, dans l'intervalle de fonctionnement le plus utile, c'est-à-dire entre 7,5 et 12,5 cm de la face du trans- ducteur, les transducteurs avec la surface sphérique de rayonnement ont produit des résultats remarquables dans lesquels la majeure partie de la puissance est concentrée dans un faisceau de 4,2 . La figure 5 représente le spectre de puissance de trois transducteurs ayant un diamètre de 3,75 cm et excités à 300 kHz. Le transducteur de gauche a un rayon de courbure de 10 cm, le transducteur du centre a un rayon de courbure de 7,5 cm, tandis que le transducteur de droite a un rayon de courbure infini. Le reste de la figure 5 est semblable à ce qui a été décrit ci-dessus pour la figure 4. D'après la figure 5, il est évident que les deux portions sphériques de leur puissance dans un petit faisceau de 4 degrés couvrent l'intervalle opératoire utile de 5 à 12,5 cm. Au contraire, le transducteur plat a considérablement moins de puissance dans un faisceau de 4 degrés à 5 et 7,5 cm de la face du transducteur. L'absence d'énergie dans les lobes latéraux du transducteur sphérique assure que les interférences seront réduites tandis qu'on utilisera cependant une fréquence relativement basse de 300 kHz qui produit une énergie acoustique mieux adaptée pour la progression ou la transmission à travers les boues de forage lourdes. Au contraire, un transducteur plat a considérablement moins de 50 % de sa puissance dans -8- ce faisceau à des distances de 5 ou 7,5 cm de la face du transducteur. La figure 6 est une représentation graphique des performances d'un outil de diagraphie BHTV en utilisant l'ancien transducteur à plaque plane comme illustré sur les figures 4 et 5 et le nouveau transducteur sphérique en combinaison avec la fenêtre inclinée comme illustré par la courbe 51. Comme on le voit facilement, le nouveau trans- ducteur donne de bonnes diagraphies dans des boues bien plus lourdes et des trous de sonde plus gros. --9- REVENDICATIONS l. Un transducteur acoustique utilisable avec un outil de diagraphie pour trou de sonde observable par télévision fonctionnant à des fréquences comprises entre 250 et 350 kHz, comprenant un transducteur en forme de disque sphérique ayant une surface concave avec un rayon compris entre 7, 5 et 10 cm et un rapport'A/À de plus de 2. 2. Un transducteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le rapport A/S pour le transducteur est supérieur à 3. 3. Un système de transducteur pour un outil de diagraphie pour trou de sonde observable par télévision comprenant: un transducteur sphérique selon la revendication 1, ce transducteur étant monté dans un support absorbant le son et disposé pour rotation autour de l'axe de l'outil de diagraphie observable par télévision; et une fenêtre acoustique cylindrique, cette fenêtre étant disposée de façon à entourer le transducteur, la paroi de cette fenêtre étant inclinée à un angle de 3 à degrés par rapport à l'axe du cylindre. 4. Un système de transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fenêtre acoustique est formée de polyméthylpentène. 5. Un système de transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transducteur a un rayon compris entre 6 et 11 cm. 6. Un système de transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le transducteur est prévu pour être excité à une fréquence de 250 à 350 kHz.