Brevet FR2607263A1 — publié le 19880527

I 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 BHfV. 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 ultérieure. 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 acoustique, 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 description est alors accumulée pour produire les représentations dont il a été question ci-dessus. Non seulement le milieu fluide dans un trou de sonde typique est opaque à l'énergie optique, mais encore il affaiblit habituellement beaucoup l'énergie acoustique. C'est-à-dire que pour contenir les pressions élevées couramment rencontrées dans les formations contenant des hydrocarbures, des additifs sont mélangés dans le fluide dans le trou de sonde. Cette bouillie (appelée "boue" dans -3- l'industrie) a une masse volumique qui est réglée soit par mélange avec une quantité supplémentaire d'additif soit par dilution avec de l'eau supplémentaire, selon ce qui est nécessaire pour les conditions rencontrées. Mal- heureusement, la boue dans le trou de sonde agit comme atténuateur acoustique, réduisant l'amplitude du signal à mesure que la distance parcourue dans la boue augmente. Un facteur d'atténation typique de la boue est d'environ 1 db/2,54 cmJunité pour cent de matières solides en sus- pension dans les boues à l'eau douce. Comme les diamètres de trous de sonde typiques sont supérieurs seulement de quelques centimètres au diamètre de l'appareil d'observation à distance des trous de sonde, on comprendra facilement que des changements même relativement faibles dans le diamètre du trou de sonde peuvent avoir une influence sérieuse sur la qualité de l'image qui est produite. Evidemment, non seulement des parois irrégulières des trous de sonde (zones affouillées, zones vacuolaires, etc.) ont une influence nuisible, mais encore des changements intentionnels dans la grosseur du trou de sonde (comme quand on a changé les dimensions de l'outil de forage) ainsi que les zones o le trou de sonde a été foré très gros au début, peuvent mettre un appareil d'observation à distance hors de ses possibilités opératoires, spécialement dans des boues ayant un effet sévère d'atténuation. Cela est illustré figurativement sur les figures 2A et 2B, la première montrant les effets de l'atténuation par la boue de l'amplitude du signal réfléchi dans un trou de sonde de 20 cm, et la deuxième montrant la trace qui serait observée dans un trou de sonde de 25 cm. On observera aussi que non seulement le signal de réflexion est atténué dans une mesure qui augmente avec la distance, mais encore qu'il y a une différence importante d'amplitude entre l'impulsion initiale ou de "tir" et l'impulsion de réflexion ou signal. Dans le régime opératoire typique de la technique -4- antérieure, l'amplificateur-récepteur pour le transducteur est mis en action juste après l'impulsion de tir. Dans un système idéal, rien ne serait entendu par l'amplificateur jusqu'au signal de réflexion renvoyé par la paroi du trou de sonde. Malheureusement, ce n'est pas ce qui se produit réellement. Dans la réalité, il y a des réflexions à la fenêtre de l'appareil d'observation à distance des trous de sonde et, particulièrement dans des boues lourdes, de grandes quantités de diffusion des signaux. Le premier phénomène cause un problème appelé "ringdown" du système fenêtre/transducteur. Le deuxième phénomène cause de faux échos. Une solution à ces problèmes consiste à maintenir le niveau d'amplification assez bas durant la période ini- tiale, et à le faire monter ensuite à un nouveau niveau bien plus élevé juste avant l'arrivée prévue du signal de retour ou de réflexion. Bien qu'étant une étape nette dans la bonne direction, cette solution n'a pas pour effet de compenser dynamiquement l'atténuation dans le trou de sonde des signaux, dont il a été question ci-dessus. Quand il y a des différences dans l'atténuation du signal causée par la boue, l'atténuation dans le trou de sonde en fonction du temps des signaux d'énergie acoustique détectés causera encore une distorsion ou une dégradation de l'image acoustique produite à partir d'eux. Il subsiste donc un besoin d'un appareil et d'un procédé perfectionnés de production d'images des trous de sonde qui compenseront non seulement le "ringdown" initial et les réflexions sur la boue, mais aussi l'atténuation par la boue et l'atténuation dans le trou de sonde en fonction du temps des signaux d'énergie acoustique de réflexion sur le trou de sonde détectés. De préférence, ce procédé et cet appareil seront dynamiquement sensibles, impulsion par impulsion, utilisables dans le plus vaste domaine possible de conditions dans les trous de sonde, réglables par ajustement effectué à la surface pour répondre avec pré- cision à ce vaste domaine de conditions, et faciles à mettre en oeuvre dans un procédé et un appareil peu coûteux, simples, très souples d'emploi, efficaces et sûrs pour la plus large utilisation possible dans la formation d'images des trous de sonde. Brièvement, la présente invention satisfait les besoins et atteint les buts ci-dessus grâce à un appareil de production d'images des trous de sonde comprenant: - des moyens à transducteur acoustique pour émettre et recevoir des signaux d'énergie acoustique à travers le fluide dans un trou de sonde; et - des moyens compensant les effets de faux signaux pour compenser substantiellement chacun desdits signaux en ce qui concerne les effets de faux signaux, comprenant des moyens d'amplification à gain variable réglables à partir de la surface pour continuer à augmenter le gain appliqué à chaque signal en fonction de la durée de propagation de l'énergie acoustique à travers le fluide du trou de sonde, afin de réduire les effets de faux signaux tels que le "ringdown" initial, les réflexions sur la boue et l'atté- nuation par le fluide du trou - n du temps de ladite énergie acoustique. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'appareil comprend un circuit spécial de commande du gain variable en fonction du temps pour le traitement des signaux de réflexion sur le trou de sonde reçus. Dans le mode de réalisation préféré, le circuit applique un gain ou une atténation fixe jusqu'à un moment donné, pouvant être choisi par l'opérateur, et ensuite commence à augmenter le gain de manière exponentielle. Durant cette période d'aug- mentation, le gain continue à augmenter en fonction du temps, de sorte que le gain appliqué à chaque signal est fonction de la durée de propagation de l'énergie acoustique à travers le fluide du trou de sonde. Ainsi, en maintenant -6- le gain initialement bas, les effets de faux signaux tels que le "ringdown" initial et les réflexions sur la boue sont supprimés. Ensuite, en commençant à augmenter le gain en fonction du temps, l'atténuation de l'anergie acoustique par le fluide du trou de sonde en fonction du temps est corrigée. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, les moyens d'amplification à gain variable de l'appareil comprennent un amplificateur à gain croissant en fonction du temps, réglable à partir de la surface et connecté pour fonctionnement avec les moyens à transducteur acoustique. De préférence, l'amplificateur à gain croissant en fonction du temps comprend un retardateur d'impulsion/ extenseur variable qui retarde le début de l'augmentation du gain de l'amplificateur pendant un laps de temps pré- déterminé, la durée de ce retard pouvant être réglée à partir de la surface par commande de l'opérateur. L'ampli- ficateur à gain croissant en fonction du temps peut com- prendre aussi un dispositif de réglage de la vitesse ou de la pente du gain pouvant être commandé à partir de la surface, de manière que, une fois que l'augmentation du gain a commence, la mesure dans laquelle le gain augmente en fonction du temps puisse être réglée compte tenu des conditions existantes. De préférence, ces réglages sont effectués impulsion par impulsion (c'est-à-dire signal par signal), car l'atténuation de chaque impulsion en fonction du temps est une fonction unique de sa propre durée de trajet dans le trou de sonde. D'autres buts et avantages de l'invention apparattront d'après la description suivante avec référence aux dessins annexés, o: La figure 1 est une illustration 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; -7- Les figures 2A et 2B sont des illustrations figura- tives montrant l'atténuation en fonction du temps du signal de réflexion résultant d'effets d'atténuation dans le trou de sonde, tels que l'atténuation par la boue, comme conséquence de la transmission à des distances variables dans le trou de sonde; la figure 2A montre les effets de l'atténuation par la boue sur l'amplitude du signal réfléchi dans un trou de sonde de 20 cm et la figure 2B montre la réflexion qui serait observée dans un trou de sonde de 25 cm; La figure 3 est un schéma de principe d'un circuit utilisable pour mise en oeuvre de la présente invention; et La figure 4 est un schéma de circuit d'un mode de réalisation préféré d'une portion du circuit représenté sur la figure 3. Avec référence aux dessins, on va décrire le nouvel appareil perfectionné de production d'images des trous de sonde selon la présente invention et le procédé de pro- duction d'images d'un trou de sonde avec cet appareil. Un système 10 pour l'observation à distance des trous de sonde, comprenant une sonde à descendre dans un 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 classique 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 12 et le dispositif électronique de surface 19 situé au sommet du trou de sonde 14. Le système 10 peut comprendre aussi une unité de présentation appropriée 21, telle qu'un indicateur à tube cathodique, et un enregistreur tel qu'un enregistreur vidéo 22. Autour de la périphérie du logement 12, se trouve une fenêtre acoustique 25. Derrière la fenêtre 25, dans le -8- logement 12, se trouve un transducteur acoustique 30 monté pour rotation sur l'axe longitudinal du logement. Entraîné par un moteur d'entraînement 32, le transducteur effectue un balayage radial autour du logement 12, envoyant des impulsions acoustiques à l'extérieur à travers la fenêtre acoustique 25 et recevant des réflexions pro- venant de la paroi du trou de sonde 14. Comme expliqué précédemment, la figure 2 présente une illustration idéa- lisée des effets d'atténuation par la boue sur les im- pulsions de réflexion reçues en retour en provenance de la paroi du trou de sonde. La figure 2A montre les effets sur une impulsion de réflexion R1 (0 = 20 cm) reçue en retour en provenance de la paroi d'un trou de sonde ayant un diamètre de 20 cm en réponse à une impulsion de tir F. La figure 2B montre les effets d'une impulsion de réflexion R2 (O = 25 cm) reçue en retour en provenance de la paroi d'un trou de sonde ayant un diamètre de 25 cm en réponse à une impulsion de tir identique F. Sur la figure 3, un schéma de principe préféré d'un circuit pour mise en oeuvre de la présente invention est représenté. Des formes d'ondes illustrant les signaux présents à diverses portions dans le circuit sont aussi représentées à côté de ces portions (bien que pas néces- sairement à l'échelle). Ainsi, une première forme d'onde d'entrée représentative 35 a une première portion 35a de "ringdown" fenêtre/boue d'amplitude assez forte, suivie quelque temps après du signal de réflexion en retour 35b. Ce signal est conduit à un applificateur à gain variable 38 qui, conformément aux réglages selon la présente in- vention et comme décrit encore ci-après, produit une forme d'onde de sortie 40. La forme d'onde représentative 40 montre clairement une suppression importante de la portion de signal de "ringdown"'fenêtre/boue 40a et un renforcement important du signal 40b de réflexion sur la paroi du trou de sonde. De plus, quand on opère selon la présente -9- invention, les signaux de réflexion 40b, d'une impulsion à la suivante, auront une amplitude sensiblement indépen- dante de l'atténuation différente par la boue causée par des durées de trajet (distances) différentes. Dans le mode de réalisation préféré, l'amplificateur à gain variable 38 est un circuit intégré d'amplificateur vidéo tel qu'un MC1590G, ayant une ligne de contrôle auto- matique de gain 42. N'importe quel amplificateur vidéo approprié peut évidemment être utilisé. Le MC1590G est commode parce qu'il a une entrée "inversante" de contr8ôle automatique de gain. C'est-à-dire que le gain de l'ampli- ficateur diminue quand le signal d'entrée à la ligne de réglage automatique de gain 42 augmente. Le signal de commande 45 qui est appliqué à la ligne de contrôle de gain 42 pour l'amplificateur 38 est produit comme suit: quand le transducteur acoustique 30 dans l'appareil 10 d'observation à distance des trous de sonde est actionné, l'impulsion 46 provenant du séquenceur de circuit de tir (non représenté) est appliquée aussi à la ligne d'entrée 47 d'un retardateur d'impulsion/extenseur variable 48. De préférence, cela est effectué avec un compteur numérique commandé comme en 49 à partir de la surface. L'impulsion allongée résultante 51, dérivée de l'impulsion d'entrée initiale 46, est représentée appliquée par une ligne 52 à un régulateur de niveau 55. Dans se forme la plus simple, le régulateur de niveau 55, de préférence commandé aussi à partir de la surface comme en 56, n'est qu'un potentiomètre diviseur de tension. Dans le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 4, cela est réalisé numériquement en utilisant un multiplexeur Analog Devices AD7501 qui commande une cha ne de résistances divisant la tension qui définit le niveau maximal du signal passant à la ligne de commande 59. Evi- demment, n'importe quel autre régulateur de niveau approprié peut être utilisé. -10- Le signal appliqué à la ligne 59 passe ensuite à travers un amplificateur séparateur à gain unité 61 à une diode 64. La diode 64, à son tour, charge un condensateur , qui est ensuite déchargé sur une base dépendant du temps à travers une résistance variable 70. La résistance variable 70 est aussi commandée à partir de la surface, comme en 71, d'une manière similaire aux commandes 49 et 56. De plus, comme avec le régulateur de niveau 55, dans le mode de réalisation préféré la résistance variable 70 est un diviseur de tension un peu plus sophistiqué, commandé numériquement, utilisant de nouveau un multi- plexeur AD7501, comme représenté plus particulièrement sur la figure 4. Ici encore, bien que ce circuit soit commode, n'importe quel arrangement approprié pour décharger le condensateur 65 peut être utilisé. Le condensateur 65 est chargé à travers la diode 64, de sorte qu'il peut perdre sa charge seulement à travers la résistance variable 70 et l'amplificateur séparateur à gain unité 74 qui le suit. Si l'impédance d'entrée de l'amplificateur séparateur 74 est assez élevée, elle ne contribuera pas d'une manière appréciable à la décroissance de tension du condensateur 65. Ainsi, la forme d'onde à la sortie de l'amplificateur séparateur 74, sur la ligne de contrôle du gain 42, apparaîtra comme représenté en 77. La série de ces impulsions successives, au cours du temps, donne donc la forme d'onde représentée en 45. Comme on le comprendra, par conséquent, la présente invention a de nombreux avantages. Le niveau du seuil de gain qui est appliqué initialement au signal et couvre principalement la période du "ringdown" initial et des réflexions par la boue peut être ajusté facilement par le régulateur de niveau 55. Le point d'inflexion ou l'instant o l'amplification commence à augmenter est facilement réglable au moyen du retardateur d'impulsion/extenseur variable 48. La vitesse à laquelle l'amplification augmente -11- (qui sera réglée à la surface de manière' à correspondre aussi étroitement que possible à la vitesse d'atténuation des signaux pour les conditions existantes)est ajustée par le réseau à résistance variable 70. Avec cet arran- gement, un intervalle dynamique de plus de 50 dB peut être obtenu, ce qui souvent est considérablement plus large que nécessaire. Dans des boues légères o il y a moins d'atténuation, la constante de décroissance de la rampe peut facilement être réglée de manière à être très longue, selon ce qui est approprié. Ainsi, la présente invention fournit une grande souplesse d'emploi et une grande utilité dans un domaine étendu de conditions opératoires. Bien que diverses variantes de la présente invention aient été examinées ci-dessus, d'autres seront facilement évidentes également. Par exemple, bien que la pente soit indiquée comme étant une augmentation douce sur une base analogique, il sera évident qu'elle pourrait être réalisée numériquement (c'est-à-dire d'une manière échelonnée) si on le désire. Dans ce cas, les échelons pourraient être suffisamment fins pour ne pas être notables, ou pourraient être fixés à un niveau approprié une fois que l'arrivée d'un signal a été détectée. De même, bien qu'un gain augmentant de manière exponentielle soit mentionné plus haut, n'importe quelle forme fonctionnelle peut être réalisée avec des circuits appropriés. Par exemple, une fonction arbitraire pourrait être chargée dans une mémoire numérique et ensuite restituée séquentiellement, entrainant un convertisseur numérique-analogique qui à son tour four- nirait une souplesse d'amploi plus grande encore; ce pourrait ne pas être le meilleur compromis entre la souplesse d'emploi et la simplicité. Ainsi, bien que les formes d'appareils décrites ici constituent des modes de réalisation préférés de l'invention, il y a lieu de comprendre que l'invention n'est pas limitée à ces formes précises d'appareils. -12- REVENDICATIONS 1. Un appareil de production d'images des trous de sonde, comprenant: des moyens à transducteur acoustique pour émettre et recevoir des signaux d'énergie acoustique à travers le fluide dans un trou de sonde; et - des moyens compensant les effets de faux signaux pour compenser substantiellement chacun desdits signaux en ce qui concerne les effets de faux signaux, comprenant des moyens d'amplification à gain variable réglables à partir de la surface pour continuer à augmenter le gain appliqué à chaque signal en fonction de la durée de propagation de l'énergie acoustique à travers le fluide du trou de sonde, afin de réduire les effets de faux signaux tels que le "ringdown" initial, les réflexions sur la boue et l'atté- nuation par le fluide du trou de sonde en fonction du temps de ladite énergie acoustique. 2. L'appareil selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'amplification à gain variable comprennent des moyens pour régler la vitesse en fonction du temps à laquelle l'amplification de ces moyens d'amplification augmente. 3. L'appareil selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'amplification à gain variable comprennent des moyens pour retarder d'un laps de temps prédéterminé le début de l'augmentation du gain des moyens d'amplification. 4. L'appareil selon la revendication 3 dans lequel les moyens d'amplification à gain variable comprennent des moyens pour régler la durée du retard. 5. L'appareil de production d'images des trous de sonde selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'am- plification à gain variable comprennent des moyens réglables à partir de la surface pour augmenter le gain appliqué à chacun des signaux par les moyens d'amplification sur une -13- base signal par signal en fonction de la durée de propa- gation de chaque signal correspondant à travers le fluide du trou de sonde, afin de réduire les effets de faux signaux tels que le "ringdown" initial, les réflexions sur la boue et l'atténuation par le fluide du trou de sonde en fonction du temps de ladite énergie acoustique. 6. L'appareil de production d'images des trous de sonde selon la revendication 1, dans lequel les moyens à transducteur acoustique comprennent au moins un trans- ducteur acoustique supporté sur un moyen de montage mobile dans un trou de sonde, ce moyen de montage supportant aussi les moyens de compensation des effets de faux signaux. 7. L'appareil de production d'images des trous de sonde selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'amplification à gain variable comprennent des moyens d'amplification à gain croissant en fonction du temps, réglables à partir de la surface et reliés pour fonction- nement avec les moyens à transducteur afin de compenser le "ringdown" initial, les réflexions sur la boue et l'atté- nuation par le fluide du trou de sonde en fonction du temps de ladite énergie acoustique, les moyens d'amplification à gain croissant en fonction du temps comprenant: 1) des moyens pour continuer à augmenter le gain appliqué à chaque signal par les moyens d'amplification sur une base signal par signal en fonction de la durée de propagation de chaque signal correspondant à travers le fluide du trou de sonde; 2) des moyens pour régler la vitesse en fonction du temps à laquelle l'amplification de l'amplificateur augmente; 3) des moyens pour retarder pendant une période pré- déterminée l'augmentation du gain de l'amplificateur; et 4) des moyens pour régler la durée de ce retard. 8. L'appareil de production d'images des trous de sonde selon la revendication 1, dans lequel les moyens -14- d'amplification à gain variable comprennent des moyens d'amplification à gain croissant en fonction du temps réglables à partir de la surface et reliés pour fonction- nement avec les moyens à transducteur pour compenser le "ringdown" initial, les réflexions sur la boue et l'atté- nuation par le fluide du trou de sonde en fonction du temps des signaux d'énergie acoustique pulsés, les moyens d'ampli- fication à gain croissant en fonction du temps comprenant: 1) un amplificateur à gain variable relié pour fonc- tionnement de manière à recevoir les signaux des impulsions acoustiques reçus; 2) un régulateur de niveau réglable à partir de la surface et relié de manière à régler le gain initial de l'amplificateur à gain variable; 3) un régulateur de pente d'accroissement relié de manière à continuer à augmenter le gain appliqué à chaque signal par l'amplificateur à gain variable sur une base signal par signal en fonction de la durée de propagation de chaque signal correspondant à travers le fluide du trou de sonde; 4) des moyens dans le régulateur de pente d'accrois- sement, actionnables à partir de la surface, pour régler la vitesse en fonction du temps à laquelle l'amplification de l'amplificateur à gain variable augmente; 5) un retardateur variable pour retarder pendant une période prédéterminée l'augmentation du gain de l'ampli- ficateur; et 6) des moyens reliés au retardateur variable et actionnables à partir de la surface pour régler la durée du retard.