Brevet FR2606889A1 — publié le 19880520

La présente invention se rapporte à la diagraphie des sondages et elle concerne en particulier des perfection- nements à un appareil de production d'images des trous de sonde, appelé appareil d'observation à distance des trous de sonde, ou BHTV. Des outils de ce type sont décrits, par exemple, dans les brevets des E.U.A. N 3 369 626 (Zemanek, Jr., délivré le 20 février 1968), 3 478 839 (Zemanek, Jr., délivré le 18 novembre 1969), 4 463 378 (Rambow, délivré le 31 juillet 1984) et 4 601 024 (Broding, délivré le 15 juillet 1986). En général, les outils de diagraphie par observation à distance des trous de sonde fonctionnent acoustiquement en excitant périodiquement un transducteur acoustique rotatif de manière qu'il émette une succession d'impulsions acoustiques dirigées dans le trou de sonde vers la paroi du trou de sonde et en analysant les échos qui sont réfléchis à l'outil. L'amplitude du signal réfléchi peut alors être présentée visuellement sur un tube à rayons cathodiques, l'image étant quelquefois photographiée pour référence future. Typiquement, l'image représente une carte de la paroi du trou de sonde fendue le long de la direction nord et développée à plat. En variante, une représentation polaire peut être produite, auquel cas le rayon de la trace circulaire est déterminé par la durée de trajet de l'im- pulsion iacoustique, présentant ainsi un profil de section transversale du trou de sonde. Une autre représentation, similaire à la représentation de l'amplitude, est modulée par le signal de durée de trajet au lieu du signal d'ampli- tude. Cette dernière représentation peut être transformée en une image pseudo-tridimensionnelle en ajoutant un léger biais au balayage vertical selon l'amplitude du signal de durée de trajet. Les outils BHTV comprennent typiquement des moyens pour contrôler l'orientation de l'outil dans le trou de sonde, comme un magnétomètre à déclinaison tournant à la même vitesse que le transducteur. Une bonne description -2- technique d'un appareil d'observation à distance des trous de sonde utilisable dans un environnement géothermique peut être trouvée dans "Development of a Geothermal Acoustic Borehole Televiewer", par Fred B. Heard et Tom J. Bauman, Sandia Report SAND83-0681, août 1983. Un des avantages principaux et extrêmement inté- ressants fournis par l'outil de diagraphie BHTV est l'image pseudo "visuelle" de la paroi du trou de sonde qu'il fournit. Des détails dans la formation, la strati- fication, les plans de stratification, le pendage, etc., peuvent être observés et étudiés d'une manière qui n'est pas possible autrement. Spécialement dans l'industrie du pétrole, les dispositifs classiques d'observation optique ne sont pas suffisants, en partie du fait de l'environ- nement typiquement extrêmement hostile, mais principalement parce que le milieu fluide dans le trou de sonde est norma- lement opaque à l'énergie optique. Comme indiqué dans les publications citées ci-dessus, les appareils d'observation à distance des trous de sonde effectuent un balayage radial, typiquement avec un seul transducteur, observant essentiellement un petit anneau entourant le transducteur dans son plan transversal. Quand le dispositif d'observation à distance des trous de sonde est alors déplacé verticalement dans le trou de sonde, le parcours ou la trace de cet anneau, quand il se déplace le long de la paroi du trou de sonde, décrit à son tour la paroi. Cette descript.on est alors accumulée pour produire les représentations dont il a été question ci-dessus. Comme on le comprendra, il existe avec ce type d'outil, comme avec la plupart des outils de diagraphie, le problème toujours ennuyeux de la vitesse de diagraphie en fonction de la résolution. Les opérations de diagraphie doivent typiquement être effectuées "aussi rapidement que possible", parce que les opérations de forage concernant le trou de sonde qui est soumis à la diagraphie doivent être -3 - interrompues pour la plupart des opérations de diagraphie. Ces périodes d'interruption du forage sont très coûteuses et douvent être maintenues aussi courtes que possible. Ce problème bien connu est abordé, par exemple, dans le brevet des E.U.A. N 4 601 024 précité (voir Col. 10, lignes 37-44), qui offre alors une solution: des transducteurs multiples explorant simultanément la paroi du trou de sonde. Une autre solution, et (à première vue) bien plus simple, consiste à simplement faire tournir plus vite le transducteur acoustique. On détermine la vitesse de rotation en tenant compte de l'étendue du spot du signal acoustique (environ 0,8 cm dans un trou de sonde de 20-25 cm), de la fréquence des impulsions (par exemple 1500 impulsions par seconde), de la vitesse de rotation (par exemple 3 tps) et de la vitesse verticale de diagraphie (par exemple 90 m par heure), de manière que sensiblement 100 % de la paroi du trou de sonde soit couvert. Une vitesse de trois tours par seconde a été courante dans certains outils pendant un certain nombre d'années, et plus récemment on a introduit des outils ayant une vitesse de six tours par seconde. En raison des petites dimensions radiales du trou de sonde et des limites à la résolution pouvant être atteinte par le transducteur acoustique lui-même (le "spot" de l'énergie acoustique réfléchie ayant des dimensions finies), les vitesses de rotation pour le transducteur pourraient être très notablement accrues sans perte de résolution provenant d'effets acoustiques. (Il pourrait y avoir, toutefois, une perte de couverture du trou de sonde, en fonction de ces paramètres et de la grosseur du trou de sonde). Cela étant le cas, reste la question de savoir pourquoi les vitesses n'ont pas été accrues. Les limi- tations aux vitesses de transmission des informations pourraient éventuellement imposer des limites, mais les cadences des informations à ces vitesses sont bien au-dessous de la saturation. Plutôt, les problèmes majeurs -4- ont été mécaniques. En particulier, la viscosité du fluide, typiquement de l'huile pour moteurs ou du fluide pour freins, dans lequel le transducteur rotatif est plongé devient un facteur limitatif important quand on augmente les vitesses de rotation. Plus particulièrement, en raison des pressions extrêmes rencontrées dans un trou de sonde, l'espace entourant le transducteur est rempli de liquide plutôt que d'air, car l'air serait trop compressible et trop affaiblissant. En raison des conditions opératoires extrêmes, ce liquide pour transducteurs doit être assez spécial. Il doit présenter des propriétés lubrifiantes, doit de préférence être peu coûteux, non-toxique, thermi- quement conducteur, électriquement non-conducteur, non- réactif avec les composants de l'appareil d'observation à distance du trou de sonde avec lesquels il vient en contact, et il doit supporter des températures et pressions élevées de fonctionnement dans le trou de sonde (point d'ébullition élevé, par exemple au-dessus d'environ 150=C- 175 C). On a trouvé que certaines huiles pour moteurs et certains fluides pour freins, comme mentionné, satisfont assez bien à beaucoup de ces exigences. Toutefois, on a trouvé aussi, bien qu'on pense que cela ne soit pas encore reconnu dans l'industrie, que les impédances acoustiques de ces huiles pour moteurs et de ces fluides pour freins s'accordent très médiocrement avec les matières pour fenêtres acoustiques utilisées dans au moins un des outils BHTV les plus perfectionnés, et la matière élastomère de revêtement du transducteur. C'est-à-dire qu'une partie du corps extérieur du logement de l'outil ou de la sonde est formée typiquement d'une matière substan- tiellement transparente à l'énergie acoustique (impulsions) renvoyée par la paroi du trou de sonde. Dans la situation idéale, l'impédance acoustique de la matière pour fenêtres correspond sensiblement à celle du fluide (boue de forage) -5- dans le trou de sonde, et l'impédance acoustique du fluide acoustique entourant le transducteur à l'intérieur de l'outil est en accord avec celle de la matière pour fenêtres acoustiques. Bien qu'un tel fluide acoustique ait été identifié et soit utilisé depuis plusieurs années par le cessionnaire de la présente invention, on ne pense pas que d'autres praticiens dans cette technique aient utilisé efficacement un tel fluide. Le fluide acoustique ainsi identifié et utilisé est un fluide synthétique de transmission de chaleur disponible dans le commerce, un terphényle modifié, qui est disponible en provenance de la Monsanto Company sous la marque déposée "Therminol 66". Il a une impédance acoustique pC = 1531 kilorayls. La matière utilisée pour la fenêtre par le ces- sionnaire de la présente invention, que l'on pense aussi être par ailleurs inconnue des praticiens dans cette tech- nique, a été le polyméthylpentène, qui a une impédance acoustique pC = 1820 kilorayls. Cela est en bon accord avec l'impédance acoustique de fluides typiques pour trous de sonde (1700-2300 kilorayls). Acoustiquement et autrement, le fluide Therminol 66 de Monsanto s'est bien comporté dans cette capacité comme fluide acoustique pour le couplage des impulsions acous- tiques provenant du transducteur enfermé avec le fluide du trou de sonde à travers la matière de la fenêtre dans le logement de l'outil. Le fluide Therminol 66 (marque déposée) est aussi avantageusement non-conducteur, lubrifiant pour les parties mobiles dans l'outil, et a des points d'éclair et points d'ébullition dépendant de la pression qui sont en dehors des limites de fonctionnement normal de l'outil. Il a une masse volumique de 1 g/cm et une vitesse de propagation du son de 1531 m/s. Malheureu- sement, toutefois, il a aussi une viscosité relativement forte à de basses températures opératoires (environ 500 cSt à 4 C). Ce problème est un peu atténué quand l'huile -6- s'échauffe après que l'appareil d'observation à distance a été descendu dans le trou de sonde. Toutefois, l'essai de l'outil à l'emplacement du puits avant l'opération de diagraphie est souvent effectué aux températures existant à la surface, inférieures à l'intervalle de température opératoire de la section méca- nique. L'huile doit alors quelquefois être préchauffée pour abaissement de la viscosité cinématique. Autrement, des dommages à des pièces telles que le réducteur de vitesse de précision ou d'autres organes de transmission peuvent résulter de tels essais de démarrage à froid. De plus grandes vitesses de rotation deviennent alors impos- sibles, étant limitées par la consommation de puissance des moteurs et le couple maximal disponible des moteurs. La charge de couple, la consommation de puissance et la production de chaleur résultante par les moteurs augmentent de manière exponentielle avec les augmentations de la viscosité et de la vitesse de rotation, rendant éventuel- lement nécessaires un moteur d'entraînement et un système de transmission par engrenage de plus grandes dimensions. Comme l'espace et la puissance sont presque toujours d'une grande importance dans les outils de diagraphie, et qu'il en est certainement ainsi pour les appareils d'observation à distance des trous de sonde, on peut comprendre pourquoi les vitesses de rotation sont restées si petites. Il subsiste donc un besoin d'un fluide acoustique conservant les propriétés acoustiques et physiques ave.nta- geuses de fluides tels que Therminol 66 (marque déposée), mais ayant une viscosité cinématique notablement réduite dans tout l'intervalle normal de température de fonction- nement de l'outil. En conséquence, c'est un but de la présente invention de fournir un appareil de production d'images des trous de sonde dans lequel de l'énergie acoustique est produite et est transférée au fluide du trou de sonde par l'intermédiaire -7- d'un fluide acoustique qui satisfait le besoin indiqué ci- dessus. L'appareil de production d'images de trous de sonde selon l'invention comprend à cet effet: - un logement mobile dans un trou de sonde; - des moyens formant une fenêtre acoustique dans au moins une première portion de ce logement; - au moins un transducteur acoustique pour émettre et recevoir de l'énergie acoustique vers le trou de sonde et en provenance de lui par ladite fenêtre; -desmoyensde support pour supporter de manière rotative le transducteur acoustique dans ladite première portion du logement; - des moyens moteurs reliés au transducteur acous- tique pour faire tourner ce transducteur acoustique; et - un fluide acoustique dans ladite première partie du logement pour coupler acoustiquement le transducteur au fluide dans le trou de sonde, ce fluide acoustique étant lubrifiant, essentiellement non-toxique, thermiquement conducteur, sensiblement non-conducteur de l'électricité, sensiblement non-réactif avec les composants de l'appareil de production d'images en contact avec lui, supportant les températures et pressions opératoires dans le trou de sonde, ayant une impédance acoustique substantiellement dans l'intervalle de 1400 à 2000 kilorayls à 22 C et ayant une viscosité cinématique inférieure à environ 15 cSt à 4 C, ce fluide réduisant ainsi notablement le couple de charge sur le moteur, et étant substantiellement optimisé pour transmettre l'énergie acoustique à travers la fenêtre avec une perte minimale d'énergie. Dans un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on utilise un nouveau fluide acoustique, identifié de manière générale comme étant de l'éthylbenzène benzylé, (CH3CH2)-C6H5-n- (CH2-C6H5)n, n = 1, 2 et 3. Il est dispo- nible dans le commerce en provenance de la Monsanto Company sous la désignation "Therminol 60" (marque déposée). -8- Therminol 60 a des propriétés acoustiques similaires à celles de Therminol 66 (marque déposée)(une masse volumique de 0,998 g/cm3 et une vitesse de propagation du son de 1515 m/s). Il est aussi lubrifiant, fondamentalement non- toxique, thermiquement conducteur, électriquement non- conducteur, nonréactif avec les composants de l'appareil d'observation à distance des trous de sonde, a un point d'ébullition élevé (par exemple au-dessus des températures hostiles des trous de sonde d'environ 175 C) et supporte très bien les températures et pressions opératoires dans les trous de sonde. De plus, il présente une diminution notable de la viscosité à basse température: 13,5 cSt à 4 C. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail avec référence au dessin annexé, qui est une illus- tration un peu figurative, avec arrachement partiel, montrant un appareil de production d'images de trous de sonde selon la présente invention situé dans un trou de sonde. Avec référence au dessin, on va décrire le nouvel appareil perfectionné de production d'images de trous de sonde selon la présente invention. Un système 10 pour l'observation à distance des trous de sonde, comprenant une sonde à descendre dans le puits comportant un logement 12, est placé dans un trou de sonde 14 rempli d'une boue de forage fluide 15. Le logement 12 de la sonde est supporté dans le trou de sonde 14 par un câble de diagraphie clas- sique 17. Le câble 17 constitue un support physique pour déplacer la sonde verticalement dans le trou de sonde 14, et est aussi un lien de communication entre le dispositif électronique 18 situé dans le logement 12et le dispositif électronique de surface 19 situé au sommet du trou de sonde 14. Le système 10 peut comprendre aussi une unité de pré- sentation appropriée 21, telle qu'un indicateur à tube cathodique, et un enregistreur tel qu'un enregistreur vidéo 22. -9- Autour de la périphérie du logement 12, se trouve une fenêtre acoustique 25 formée d'une matière, telle que du polyméthylpentène, qui est durable et -supporte les conditions extrêmement sévères rencontrées dans la dia- graphie des sondages. La fenêtre 25 a aussi une impédance acoustique en accord étroit avec celle de fluides typiques de trous de sonde tels que la boue de forage 15 située dans le trou de sonde 14. A l'intérieur du logement 12, et monté pour rotation autour de l'axe longitudinal du logement, se trouve un transducteur acoustique 30. Entraîné par un moteur d'entraînement 32, le transducteur effectue alors un balayage radial autour du logement 12, envoyant des impulsions acoustiques à l'extérieur à travers la fenêtre acoustique 25 et recevant les impulsions réfléchies par la paroi du trou de sonde 14. La portion du logement 12 dans laquelle se trouve la fenêtre acoustique 25 est remplie d'un fluide acoustique 35, tel qu'un liquide incompressible, plutôt que d'air atmosphérique. Dans le mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le fluide acoustique est une huile liquide synthétique, comme de l'éthylbenzène benzylé, (CH3CH2)-C6H5-(CH2-C6H5in, n = 1, 2 et 3. Il est disponible dans le commerce, par exemple en provenance de la Monsanto Company sous la désignation "Therminol 60" (marque déposée), comme mentionné plus haut. Quand il est utilisé dans des applications de formation d'images de trous de sonde comme décrit ici, ce fluide est avantageusement lubrifiant, essentiellement non- toxique, thermiquement conducteur, électriquement non- conducteur, non-réactif avec les composants de l'appareil d'observation à distance des trous de sonde qui sont en contact avec lui, supportant (c'est-à-dire sensiblement inaltéré par) les températures et pressions opératoires dans le trou de sonde, et, ce qui est particulièrement intéressant, il a une impédance acoustique d'environ -10- 1550 kilorayls à 22 C et une faible viscosité cinématique d'environ 13,5 cSt à 40C. Comme l'impédance acoustique de la fenêtre en polyméthylpentène 25 est d'environ 1820 kilorayls, et celle de fluides typiques 15 des trous de sonde est comprise entre 1700 et 2300 kilorayls, l'accord des impédances acoustiques est excellent. D'importantes économies d'énergie et de grandes efficacités sont aussi obtenues avec la présente invention en raison de la visco- sité cinématique notablement réduite par rapport à celle du fluide utilisé antérieurement qui avait de telles propriétés acoustiques avantageuses. Par exemple, par rapport au fluide synthétique de transmission de chaleur terphényle modifié utilisé antérieurement mentionné ci- dessus (disponible en provenance de la Monsanto Company sous la désignation "Therminol 66" (marque déposée)), un appareil de production d'images des trous de sonde selon la présente invention a demandé 40 % de puissance en moins pour le moteur d'entraînement 32 durant un démarrage à froid à 21 C et a permis une plus grande vitesse de rotation. Les avantages de la présente invention sont ainsi facilement apparents. Comme on le verra, par conséquent, la présente invention représente un progrès important par rapport à la technique antérieure. En combinant d'excellentes caractéristiques opératoires (non-réactivité, onctuosité, tolérance concernant les températures et pressions, etc.) avec des propriétés acoustiques optimales et une faible viscosité cinématique, la présente invention fournit la plus haute efficacité dans l'émission et la réception de l'énergie acoustique, avec des pertes minimales, un bruit minimal dû aux réflexions inutiles de cette énergie aux interfaces fenêtre/liquide, et la possibilité supplémen- taire de faire tourner le transducteur à des vitesses notablement plus grandes sans qu'il en résulte des péna- lités concernant l'énergie ou la résistance dans la sonde. -11 - La présente invention atteint ainsi les objectifs majeurs de la technique antérieure, comme celui visé par le brevet des E.U.A. N 4 601 024 mentionné plus haut, mais sans la complexité et le coût résultants dus aux transducteurs multiples. -12- REVENDICATIONS 1. Un appareil de production d'images de trous de sonde, comprenant: - un logement mobile dans un trou de sonde; - des moyens formant une fenêtre acoustique dans au moins une première portion de ce logement; - - au moins un transducteur acoustique pour émettre et recevoir de l'énergie acoustique vers le trou de sonde et en provenance de lui par ladite fenêtre; - des moyens de support pour supporter de manière rotative le transducteur acoustique dans ladite première portion du logement; - des moyens moteurs reliés au transducteur acous- tique pour faire tourner ce transducteur acoustique; et - un fluide acoustique dans ladite première partie du logement pour coupler acoustiquement le transducteur au fluide dans le trou de sonde, ce fluide acoustique étant lubrifiant, essentiellement non-toxique, thermiquement conducteur, sensiblement non-conducteur de l'électricité, sensiblement non-réactif avec les composants de l'appareil de production d'images en contact avec lui, supportant les températures et pressions opératoires dans le trou de sonde, ayant une impédance acoustique substantiellement dans l'intervalle de 1400 à 2000 kilorayls à 22 C et ayant une viscosité cinématique inférieure à environ 15 cSt à 4 C, ce fluide réduisant ainsi notablement le couple de charge sur le moteur et étant substantiellement optimisé pour transmettre l'énergie acoustique à travers la fenêtre avec une perte minimale d'énergie. 2. Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide acoustique a une impédance acoustique substantiellement en accord avec celle du fluide dans le trou de sonde. -13- 3. Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide acoustique comprend de l'éthylbenzène benzylé, (CH3CH2)-C6H5-n-(CH2-C6H5)n, n = 1, 2 et 3. 4. Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide acoustique comprend en outre un fluide ayant une impédance acoustique qui est substan- tiellement en accord avec celle de la fenêtre acoustique. 5. Un appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fenêtre acoustique est formée de polyméthyl- pentène.