Brevet FR2615900A1 — publié le 19881202

PROCEDE ET APPAREIL POUR LA MESURE DE L'AZIMUT D'UN TROU DE FORAGE EN COURS DE FORAGE - 1 La présente invention concerne le domaine des mesures dans les trous de forage. Plus particulièrement, cette invention concerne le domaine des mesures en cours de forage (MWD) et un procédé pour mesurer le paramètre d'azimut alors que la tige de forage est en rotation. Dans les systèmes MWD la méthode classique consiste à faire certaines mesures ou lectures des paramètres du trou de forage uniquement lorsque la tige de forage n'est pas en rotation. Le brevet américain n 4,013,945 a décrit et revendiqué un appareil pour détecter l'absence de rotation et pour déclencher le fonctionnement de détecteurs de paramètres afin de déterminer l'azimut et l'inclinaison lorsque l'absence de rotation est détectée. Bien qu'il y ait plusieurs motifs pour effectuer différen- tes mesures MWD uniquement en l'absence de. rotation de la tige de forage, un motif principal pour agir ainsi pour les angles d'azimut et d'inclinaison du forage est que les procédés antérieurs pour mesurer ou déterminer ces angles nécessitaient que l'outil soit fixe, afin d'obtenir les points zéro des dispositifs à axes simples ou d'obtenir la moyenne nécessaire quand on utilise des magnétomètres triaxiaux et des accéléromètres triaxiaux pour déterminer l'azimut et l'inclinaison. Ceci signifie que, si l'on utilise des magnétomètres et des accéléromètres triaxiaux, les mesures individuelles sur chantiers nécessaires pour 1 déterminer l'azimut et l'inclinaison dépendent de l'angle instantané de la face de l'outil au moment o les mesures sont effectu6es. Ceci est dû au fait que, pendant la rota- tion, les lectures suivant les axes X et Y des magnétomè- tres et des accéléromètres varient continuellement et que seule la lecture suivant l'axe Z reste constante.Si l'on se rapporteaux axes X, Y et Z, le cadre de référence est le trou de forage (et l'instrument de mesure), tandis que l'axe Z correspond à l'axe du trou de forage (et de l'instrument) et que les axes X et Y sont mutuellement perpendiculaires l'un à l'autre et à l'axe Z. Ce trièdre de référence doit être distingu6 du trièdre de référence de la terre comportant les directions est (E), nord (N) (ou horizontal) et vertical (D) (ou vers le bas). Il existe toutefois des circonstances o il est particulièrement souhaitable d'être en mesure de mesurer l'azimut et l'inclinaison alors que la tige de forage est en rotation. Cette nécessité a donné lieu à la présente invention d'un procédé de mesure de l'azimut et de l'incli- naison en cours de forage. Comme exemples de circonstances de ce genre on peut citer (a) les puits o le forage est particulièrement difficile et o toute interruption de la rotation augmenterait les problèmes de blocage de la tige de forage,et (b) les situations o la connaissance d'in- formations instantanées sur l'avancement de l'outil de forage est souhaitée afin de connaître et de prévoir l'avancement en temps réel du forage. On a proposé et utilisé à cet effet un système qui permet de connaître l'inclinaison lorsque la tige de forage est en rotation. La présente invention permet également d'obtenir l'azimut pendant la rotation. Conformément à la présente invention, il est prévu un procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage en cours de forage au moyen d'instruments situés au fond du trou de forage, dans la tige de forage, et qui comprend les étapes de- (1) détecter, avec un accéléromètre, pendant la rotation de la tige de forage,.les-composantes GX, GY GZ, HX, HY, HZ du champ total de la pesanteur GO à l'endroit de l'instrument; (2) détecter, avec un magnétomètre, pendant la rotation de la tige de forage les composantes HX, HY et HZ du champ magnétique total à l'emplacement de l'instru- ment; (3) les composantes GZ et HZ étant parallèles à l'axe de la tige de forage, les composantes GX et GY étant perpendiculaires à GZ et les composantes HX et HZ étant perpendiculaires à HZ; (4) déterminer, d'après un ensemble prédéterminé de mesures, de GX, GY, GZ, HX, HY, HZ les quantités inva- riantes (a) HX GY - HY GX (b) GX Z + GYZ (c) HX GX + HY GY (d) GZ (e) HZ (5) déterminer l'angle d'azimut A d'après la relation A - arc tan HX GY HY GX (/GO/) HZ (GX + GZZ) + GZ (HX GX + HY GY) o /GO/ - GX - GY + GZL Un mode de réalisation de la présente invention sera maintenant décrit à titre d'exemple et en se référant aux figures en annexe, qui représentent respectivement: La figure 1, un diagramme de bloc d'un système CDS connu; Les figures 2A et 2B, des illustrations de la relation existant entre les différents angles et directions 1 utilisés; La figure 3, un diagramme de bloc d'un second mode de réalisation de l'invention. Le procédé de la présente invention est conçu afin d'être mis en oeuvre en combinaison avec le fonctionne- ment industriel normal d'un système et d'un appareil MWD connus de Teleco Oilfield Services Inc., qui a été en service industriel pendant plusieurs années. Le système connu est offert par Teleco sous le nom de CDS (Computeri- zed Directional System) pour les mesures MDW et le système comprend notamment un magnétomètre triaxial, un accéléro- mètre triaxial, des éléments électroniques de contrôle,de détection et de traitement et un appareil de télémétrie à impulsions dans la boue, le tout étant situé au fond du trou, dans un segment du collet de forage rotatif de la tige de forage. L'appareil connu est en mesure de détecter les composantes GX, GY et GZ du champ total de la pesan- teur, les composantes HX, HY et HZ du champ magnétique total HO et de déterminer l'angle de la face de l'outil et l'angle de pendage (l'angle entre la direction horizon- tale et la direction du champ magnétique). L'appareil de traitement au fond du trou du système connu détermine l'angle d'azimut(A)et l'angle d'inclinaison (I) d'une manière connue en soi, d'après les différents paramètres. Voir notamment l'article "Hand-held Calculator Assists in Directional Drilling Control" par J.L. Marsh, PETROLEUM ENGINEER INTERNATIONAL, juillet & septembre 1982. Si l'on examine la figure 1, on y voit un dia- gramme de bloc du système CDS connu de Teleco. Ce système CDS est situé au fond du trou dans la tige de forage, dans un collet de forage et à proximité de l'outil de forage. Ce système CDS comprend un accéléromètre triaxial 10 et un magnétomètre triaxial 12. L'axe Z de l'accéléromètre et du magnétomètre est sur l'axe de la tige de forage. Pour décrire, d'une manière brève et générale, le fonction- 1 nement du système, il suffit de dire que l'accéléromètre détecte les composantes GX, GY et GZ du champ de la pesanteur GO au fond du trou et fournit des signaux analo- giques proportionnels à celles-ci à un multiplexeur 14. D'une manière analogue, le magnétomètre 12 détecte les composantes HX, HY et HZ du champ magnétique au fond du trou. Un détecteur de température 16 détecte la températu- re de l'accéléromètre et du magnétomètre au fond du trou et fournit des signaux de compensation de température au multiplexeur 14. Le système comprend également un micro- processeur programmé 18, des horloges de système 20 et un adapteur à interface périphérique 22. Toutes les données de contr8le, de programmes decalcul et de calibrage de détecteur sont enregistrées dans une mémoire EPROM 23. Sur commande du microprocesseur 18, les signaux analogiques envoyés au multiplexeur 14 sont multiplexés en direction du convertisseur analogique/numérique 24.Les mots de données numériques sortant du convertisseur A/D 24 sont ensuite envoyés par l'adapteur à interface péri- phérique 22 au microprocesseur 18, o ils sont stockés dans une mémoire vive (RAM) 26 pour les opérations de calcul. Une unité de traitement arithmétique (APU) 28 permet d'effectuer hors-ligne des opérations arithmétiques compliquées et une gamme d'opérations trigonométriques afin d'améliorer la puissance et la rapidité du traitement des données. Les données numériques pour chaque GX, GY,GZ HX, HY et HZ font l'objet d'un calcul de moyenne dans l'unité de traitement arithmétique 28 et les données sont utilisées pour calculer les angles d'azimut et d'inclinai- son dans le microprocesseur 18. Ces données d'angle sont ensuite envoyées par le circuit à retard 30 pour actionner une génératrice de courant 32 qui actionne à son tour un émetteur à impulsions dans la boue 34, tel celui décrit par exemple dans le brevet US 4,013,945. Dans le fonctionnement normal du système CDS propre à la technique antérieure, les mesures de l'accélé- romètre et du magnétomètre sont effectuées pendant les périodes de nonrotation de la.tige. de forage. On effectue jusqu'à 2000 mesures pour chacune des composantes GX, GY, GZ, HX, HY et HZ pour obtenir une seule lecture, et ces mesures font l'objet d'un calcul de moyennes dans l'APU 26 afin d'obtenir des lectures moyennes pour chaque composante. On a également utilisé antérieurement une méthode pour déterminer l'inclinaison (I) alors que la tige de forage est en rotation. Dans cette méthode, la composante GZ du champ de la pesanteur est déterminée d'après une moyenne des mesures obtenues pendant la rotation et l'angle d'in- clinaison (I) est déterminé Dar la relation simple tan (I) - GO - GZZ (1) GZ O GO est pris = 1G (c'est-à-dire la valeur nominale de la pesanteur). Ce système est acceptable pour mesurer l'inclinaison pendant la rotation parce que la composante GZ suivant l'axeZ n'est pas modifiée par la rotation. Pendant le fonctionnement du système CDS connu, les valeurs de sortie de l'accéléromètre triaxial 10 et du magnétomètre triaxial 12 alors quel'outil est immobile, sont utilisées pour en déduire l'azimut. Les valeurs de GX, GY, GZ, HX, HY et HZ sont mesurées alors que l'outil n'est pas en rotation et sont stockées dans la mémoire RAM 26. On effectue jusqu'à 2000 mesures, voire davantage, pour chacune des composantes X, Y et Z, en vue d'obtenir un seul ensemble de mesures, et ces valeurs font l'objet d'un calcul de moyennes. L'angle d'azimut est ensuite calculé dans le microprocesseur 18, d'après l'équation (A) - arc tan HX GY - HY GX (/GO/) (2) HZ (GX + GZ) + GZ (HX GX + HY GY) o /GO/= V'GXZ - GY + GZg La valeur de l'azimut (ou tan(A)) est ensuite 1 transmise à la surface par l'émetteur 34. Il est facile de démontrer que les faibles erreurs de mesure donneront lieu à une erreur d'azimut qui varie sinusoidalement en fonction de l'angle de référence de la face de l'outil (c'est-à-dire l'orienta- tion de l'outil par rapport à son propre axe). L'effet de cette erreur est éliminé en permettant à l'outil de tourner au moins une fois et, de préférence, plusieurs fois, autour de son axe au cours des mesures; mais ceci U nécessite alors que l'azimut soit mesuré en cours de ro- tation. Lorsque l'outil est en rotation, les valeurs de sortie individuelles X et Z de l'accéléromètre 10 et du magnétomètre 12 varieront sinusoidalement et auront une moyenne nulle après de nombreuses rotations. Toutefois, dans l'équation(2) ci-dessus relative à l'azimut, tant le numérateur que le dénominateur sont invariants en cas de rotation autour de l'axe de l'outil, c'est-à-dire au- tour de l'axe Z. On peut exprimer ceci en écrivant l'équa- tion (2) sous la forme A - arc tan (H x G)Z /GO/ (3) HZ (/GO/ - GZL) + GZ (H. G - HZGZ) Dans l'équation (3), chaque terme est soit une mesure invariante (c'est-àdire un produit de la longueur du vecteur) de la composante Z, un vecteur ou un produit transversal de vecteur. Vu que l'axe Z de l'outil reste fixe pendant la rotation, le numérateur et le dénominateur resteront inchangés pendant la rotation, sauf les varia- tions aléatoires et les effets des erreurs de détection (dont la moyenne sera nulle au cours d'une rotation). Les signes du numérateur et du dénominateur assureront les informations nécessaires par quadrant. Dans la présente invention, nous pouvons donc calculer le numérateur et le dénominateur (ou les composantes invariantes de ceux- ci) de l'équation (2) d'après chaque ensemble instantané de mesures GX, GY, GZ, HX, HY et HZ et calculer la moyenne 1 des valeurs d'invariants ainsi déterminées sur l'ensemble de la période de mesure afin d'obtenir la valeur d'azimut d'après l'équation (3). Conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention, un seul ensemble de données brutes GX, GY, GZ, HX, HY et HZ est envoyé à la mémoire RAM 26. On calcule les invariants suivants de l'équation (2) d'après ce seul ensemble de données dans le MPU (18) de la manière suivante: (1) HX GY - HY GX (2) GX2 + GY2 (3) HX GX + HY GY (4) GZ (5) HZ Les invariants de chaque lecture instantanée sont ensuite introduits dans la mémoire RAM 26. Ce procédé est répété de préférence au moins plusieurs centaines de fois et les valeurs d'invariants déterminées pour chaque cycle subissent ensuite un calcul de moyennes. Les valeurs moyennes des invariants (1) - (5) sont utilisées pour cal- culer l'azimut d'après l'équation (2). La valeur d'azimut calculée est ensuite transmise à la surface par l'émetteur 34. On peut se rendre compte de ce que la précision de chaque ensemble instantané de mesure peut être affecté par le fait que l'outil est en rotation. Par exemple, alors que dans le premier mode de réalisation toutes les mesures d'un enisemble sont réalisées séquentiellement, l'outil -aura tourné d'un angle limité au cours de chaque ensemble de mesures si bien que chaque ensemble est mesuré instan- tanément, mais uniquement de manière approximative. Une manière de réduire cet effet est de grouper par paires et de calculer les moyenens des lectures. Ceci signifie que deux ensembles de mesures instantanées peuvent être pris suivant une séquence prédéterminée symétrique telle 9 = 26159O0 1 que GZ HZ GX GY HX HY HY HX GY GX HZ GZ Pour chaque ensemble couplé de mesures de ce genre, les deux lectures successives de chaque paramètre sont groupées par paires, également écartées par raport au centre de l'ensemble (qui est situé entre HY et HY, dans la séquence ci-dessus). Chaque paire de lecture subit ensuite un calcul de moyenne afin de réduire les effets sur la precision provenant du fait que l'outil est en rotation pendant que les mesures sont effectuées; et un ensemble d'invariants (1) - (5) est déterminé d'après ces moyennes de valeurs couplées. Le procédé de la présente invention tel que décrit ci-dessus peut être mis en oeuvre en transmettant à la surface les invariants calculés (1) - (5) pour effec- tuer les calculs en surface; ou bien le procédé peut être mis en oeuvre en effectuant les calculs au fond du trou et en transmettant à la surface les informations relatives à l'azimut. Dans l'un et l'autre cas, les phases du procédé effectuées au fond du trou seront effectuées sous le contrôle programmé du microprocesseur 18 utilisant tout programme approprié propre à la technique usuelle, ou en modifiant le programme existant dans l'unité CDS, cette modification faisant également partie de la technique ordinaire. La valeur de l'angle d'inclinaison (I) peut également être déterminée pendant la rotation, d'une manière connue, d'après GZ CosI = Go GO et être envoyée à la surface. Le procédé de la présente invention peut égale- ment être mis en oeuvre en utilisant le second mode de réalisation,qui comprend une modification du système représenté schématiquement à la figure 1. Si l'on examine O10 1 la figure 3, on y voit des circuits 36 d'échantillonnage et de maintien inclus dans le système et connectés chacun entre le multiplexeur 14 et chacun des détecteurs des composantes X, Y et Z de l'accéléromètre 10 et du magnéto- mètre 12, ainsi que du détecteur de compensation de tempé- rature 16. Chacun des circuits d'échantillonnage et de maintien 36 est connecté de manière à recevoir les signaux de commande provenant du MPU 18, comme indiqué. Sauf pour ce qui concerne l'addition des circuits 36 d'échantillon- nage et de maintien représentés à la figure 3 et leur connection au MPU 18, l'équipement du système de la figure 2 reste non modifié. Dans ce mode de réalisation de l'invention, tous les six détecteurs de l'accéléromètre ,du magnétomètre 12 et le détecteur de température 16 sont lus simultanément afin d'obtenir un instantané des composantes de pesanteur et de magnétisme. Ceci signifie qu'un ensemble complet de mesures GX, GY, GZ, HX, HY et HZ (et de température si nécessaire) est réalisé en même temps et que chaque mesure est envoyée et conservée dans le circuit correspondant d'échantilonnage et de maintien 36. Le multiplexeur 14 interroge ensuite séquentiellement chaque circuit d'échantillonnage et de maintien 36 afin d'envoyer séquentiellement les données au convertisseur A/N 24, puis à la mémoire RAM 26, en vue de leur stockage. Ces données mises en mémoire,correspondant à une valeur instantanée de GX, GY, GZ, HX, HY et HZ sont soumises ensuite à une compensation de température, grâce aux données fournies par le détecteur de température 16. Le MPU 18 calcule ou détermine ensuite les termes d'invariants suivants de l'équation (2): (1) (HX GY - HY GX) (2) (GX2 + GY2) (3) (HX GX + HY GY) (4) GZ (5) HZ 1! 1 Ces valeurs d'invariants calculées ou détermi- nées sont ensuite mises dans la mémoire RAM 26. Au cours d'une période T, un certain nombre"d'instantanés" de ces lectures sont réalisés et les calculs ci-dessus sont effectués puis les calculs et GZ et HZ font l'objet d'un calcul de moyennes pendant la période T. Ensuite, le microprocesseur 18 effectue le calcul de l'équation (2) basé sur les valeurs moyennes, afin d'obtenir tan(A). Les informations relatives à l'angle d'azimut (soit sous la forme de tan(A) ou de (A)), sont ensuite transmises à la surface par l'émetteur 34. L'appareil et le procédé de ce second mode de réalisation éliminent les difficultés relatives à la nécessité d'effectuer les lectures sur une distance angu- laire très courte courue par l'outil, comme c'était le cas avec le premier mode de réalisation. Il convient de noter que, dans l'un et l'autre mode de réalisation de la présente invention, les erreurs des lectures de l'accéléromètre en X et en Y dues aux effets de l'accélération centripète sont éliminées par la technique de calcul de moyennes utilisée pour la présente invention. R E V E N D I C A T I ON S 1. Procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage foré au moyen d'instruments disposés dans la colonne de forage et au fond du trou, comprenant les étapes de (1) détecter avec un accéléromètre,pendant la rotation de la tige de forage,'les composantes GX, GY et GZ du champ total de la pesanteur GO à l'emplacement de l'instrument; (2) détecter avec un magnétomètre, pendant la rotation de la tige de forage, les composantes HX, HY et HZ du champ magnétique total HO à l'emplacement de l'instrument; (3) les composantes GZ et HZ étant parallèles à. l'axe de la tige de forage, les composantes GX et GY étant perpendiculaires à GZ et les composantes HX et HZ étant perpendiculaires à HZ; (4) déterminer d'après un ensemble prédéterminé de mesures de GX, GY, GZ, HX, HY, HZ, les quantités inva- riantes (a) HX GY - HY GX (b) GX t+ GYt (c) HX GX + HY GY (d) GZ (e) HZ (5) déterminer l'angle d'azimut (A) d'après la relation A - arc tan HX GY - HY GX (/GO/) HZ (GXL+ GZL) + GZ (HX GX + HY GY) o /GO/ - VGX L- GY + GZL 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel: les étapes (1) et (2) sont répétées, l'étape (4) est répétée pour chaque répétition des étapes (1) et (2), afin d'obtenir des valeurs moyennes des invariants (a) - (e), et l'angle d'azimut, déterminé d'après l'étape (5), est déterminé d'après les valeurs moyennes des invariants (a) - (e). 3. Procédé selon la revendication 2,dans lequel chaque ensemble de mesures GX, GY, GZ, HX, HY, HZ est obtenu simultanément. 4. Procédé selon la revendication 1,dans lequel chaque ensemble de mesures GX, GY, GZ, HX, HY HZ est obtenu simultanément. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les composantes sont détectées suivant une séquence à symétrie. 6. Procédé selon la revendication 5,dans lequel la séquence à symétrie est GZ HZ GX GY HX HY HY HX GY GX HZ GZ 7. Procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage en cours de forage au moyen d'instruments disposés au fond du trou dans la tige de forage et comprenant: un accéléromètre pour détecter, pendant la rotation de la tige de forage, les composantes GX, GY et GZ du champ total de la pesanteur GO à l'emplacement de l'instrument; un magnétomètre pour détecter, pendant la rota- tion de la tige de forage, les composantes HX, HY et HZ du champ magnétique total HO à l'emplacement de l'instrument; les composantes GZ et HZ étant parallèles à l'axe de la tige de forage, les composantes GX et GY étant perpendiculaires à GZ et les composantes HX et HZ étant perpendiculaires à HZ; t un moyen pour déterminer, d'après un ensemble prédéterminé de mesures de GX, GY, GZ, HX, HY et HZ les quantités invariantes (a) HX GY - HY GX (b) GXZ+ GYL (c) HX GX + HY GY (d) GZ (e) HZ un moyen pour déterminer l'angle d'azimut A d'après la relation A - arc tan HX GY - HY GX (/GO/) HZ (GXd + GZI + GZ (HX GX + HY GY) o /GO/ 'V GX2 - GY L + GZ t 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant: la répétition des étapes (1) et (2); un moyen pour obtenir des valeurs moyennes des invariants (a)-(e); et l'angle d'azimut étant déterminé d'après les valeurs moyennes des invariants (a)-(e). 9. Appareil selon la revendication 8,dans lequel chaque ensemble de mesures GX, GY, GZ, HX, HY, HZ est obtenu simultanément. 10. Appareil selon la revendication 7,dans lequel chaque ensemble de mesures GX, GY, GZ, HX, HY, HZ est obtenu simultanément. 11. Appareil selon la revendication 7,comprenant un moyen pour mettre en mémoire et conserver un ensemble complet de lecture GX, GY, GZ, HX, HY HZ effectuées simul- tanément. 12. Appareil selon la revendication 11 comprenant un moyen pour déterminer les invariants (a)-(e) pour chaque ensemble complet de ces lectures et un moyen pour calculer les moyennes de ces invariants (a)-(e) destinées à la détermination de l'angle d'azimut.