Brevet FR2611054A1 — publié le 19880819

Procédé et dispositif de mesure du pendage des couches géologiques en forage. Les sédiments se déposent horizontalement à quelques degrés pris au fond des océans des deltas ou des lacs. Les mouvements ultérieurs de la croute terrestre déforment par plis ou basculent par blocs les couches qui acquièrent de ce fait une inclinaison appelée pendage. La répartition de ce pendage sur la hauteur d'un forage et la comparaison avec les autres forages d'un bassin donne des indications sur la structure de ce bassin et sur l'évolution dans le temps de la tectonique qui l'a affecté. Dans le cas particulier de sondage d'exploration minière ou de travaux publics, le pendage des couches et son évolution sur la hauteur de forage sont des éléments qu'il est important de connattre pour la stabilité des structures qui y sont implantées profondément. Le pendage d'une couche est en général défini par deux angles - l'un est un angle d'une ligne horizontale du banc (direction du banc) ou d'une ligne de plus grande pente par rapport au nord magnétique ou géographique ou par rapport à toute direction fixe ou repérée dans l'espace., - l'autre est l'angle que font entre eux la ligne de plus grande pente du banc et le plan horizontal du lieu. Principe de la mesure. Supposons que la géologie et en particulier les plans de pendage qui séparent les bancs soient continue sur l'espace du forage. Le principe de la mesure est d'enregistrer une propriété physique qui varie d'un banc å l'autre selon trois, quatre ou plus directions selon des génératrices du forage par des capteurs situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil, si les couches sont horizontales et le forage vertical. Dans le cas contraire, ils seront décalés les uns par rapport aux autres. Si la position de l'outil est repérée par les angles classiques de repérage de l'outil : - autour de son axe par azimut d'un repére par rapport au nord ma gnétique ou à toute autre direction (par exemple - en inclinaison par des inclinomètres. Si l'angle de déviation du forage est fort on mesure l'azimut de la projection de l'axe vertical de l'outil sur le plan horizontal. Ce repérage de l'attitude de l'outil est un problème classique. Dans ce cas le pendage des couches peut etre restitué en azimut et en angle. Les outils de détermination du pendage utilisent en général la re sistivité électrique comme paramètre physique enregistré. Des électrodes fixées sur trois, quatre ou plusieurs patins enregistrent la résistivité des formations en étant pressés contre la paroi du trou. La comparaison des courbes obtenues dans les différents patins contenant chacun soit une mesure de résistivité soit plusieurs, permet par un traitement approprié des données de restituer le pendage des couches et pour des outils comprenant un grand nombre de mesures1 de donner une image des parois du forage comprenant non seulement le pendage des formations mais aussi une image des fractures et de la lithologie. Ces outils présentent des inconvénients - les patins doivent être pressés régulièrement le long des parois car la résistivité dépend fortement de la qualité des contacts, - les boues utilisées pour le forage doivent être conductrices, ce qui élimine les boues à l'huile. La présente invention a pour objet un procédé de mesure qui utilise la susceptibilité magnétique pour déterminer le pendage et si nécessaire une image de susceptibilité magnétique du trou du forage. Nous proposons donc d'utiliser pour la détetnination du pendage la susceptibilité magnétique des formations mesurées le long des parois par des capteurs de petites dimensions (par exemple quelques centimètres pressées contre les parois du forage). Ce procédé ne présente pas les inconvénients précédents car la mesure de la sus ceptibilité ne dépend pas de la qualité du contact pourvu que le patin touche la paroi. La qualité de la boue de forage ne joue pas sur la qualité de la mesure. Définition. La susceptibilité magnétique est le rapport entre l'aimantation acquise par un corps dans un champ magnétique et l'intensité de ce champ. Soit M l'aimantation acquise et H le champ appliqué, on a M + K.H M est mesuré en A/M H est mesuré en A/M K est sans dimension. La susceptibilité K d'une roche est due - aux minéraux magnétiques, magnétite, hématite, goetite, maghémite, pyrrhotite pour les plus importants. - à la structure non ferromagnétique de la roche. Les minéraux magnétiques sont ferromagnétiques, les minéraux de la matrice sont paramagnétiques ou diamagnétiques. Tous contribuent à la susceptibilité globale de la roche dans des proportions qui dépendent de sa nature. Si M et H ne sont pas colinéaire la roche est anisotrope et sa susceptibilité varie selon la direction dans laquelle elle est mesurée. Mesure de la susceptibilité. La susceptibilité magnétique peut être mesurée par une méthode quelconque par exemple la méthode classique dipole-dipole bien adaptée aux mesures en forage intéressant de grands volumes de roches mais cependant utilisable. Une méthode dite de pont d'inductance soit par la bobine d'air soit par noyaux de ferrite semblerait mieux adaptée. Un capteur construit sur ce principe est fait de deux bobinages proches l'un de l'autre, l'un dit émetteur est parcouru par un courant alternatif. La géométrie du système est telle que dans l'air aucun courant n'est induit dans la seconde bobine dite réceptrice (inductance mutuelle nulle entre les deux bobines).Si un corps aimantable, en l'occurance la paroi du forage, est approché du système, l'aimantation acquise par le roche sous l'effet du champ magnétique alternatif produit par la bobine émettrice, déséquilibre le système et un signal alternatif de même fréquence est induit dans la seconde bobine réceptrice. Le courant est fonction de la susceptibilité magnétique de la formation. La fréquence est également déterminée à partir de cette géométrie pour atteindre la profondeur d'investigation voulue. Un capteur du type à solénoïde et pont de Maxwell peut être utiisé. Il peut être utile d'associer dans l'outil plusieurs jeux de sondes pouvant utiliser différentes fréquences et dlfférentes géométries pour accéder, par traitement numérique des données, à une imagerie de la paroi du trou et d'un volume de roches déterminée pour une tomographie du forage en champ proche par exemple hors. des zones envahies. Les sondes de mesures pourraient facilement avoir par exemple des dimensions de quelques centimetres et avoir une sens i- bilité les rendant capable de mesurer des susceptibilités faibles comme celles des carbonates ou des grils. Si les sondes de mesures sont disposées dans plusieurs directions on peut espérer atteindre L'anisotropie de susceptibilité magnétique. Une méthode dite en continu pourrait être salement utilisée pour mesurer la susceptibilité : dans cette méthode un bobinage du type solénoïde produit un champ dans la paroi du forage soit vertical soit horizontal. Une sonde de agnétozètre, du type dit sonde de Forster ou fluxgate par exemple, mesure le champ soit verticalement soit horizontalement. Dans l'air, un petit solénoide bobiné, par exemple, sur la sonde magnétométrique ou a proxilité et parcouru par un courant convenable, équilibre le système pour que la lecture du regaétometre soit nulle. Si l'appareil est descendu dans un forage, l'aimantation des parois du trou déséquilibre le système, le magnétomètre lit un champ proportionnel à l'aimantation induite dans la couche où il se trouve (si l'on ne tient pas compte de l'effet des autres couches). Si le champ produit par le solenoide principal à une intensité égale à plusieurs fois celle du champ terrestre le signal peut être important et la détermination précise. La résolution verticale dépend de celle du magnétomètre et peut être trips grande. De plus, ce dispositif permettrait de mesurer l'anisotropie si on mesure le champ produit dans la direction perpendiculaire a celle du champ produit par le solénoide principal. Toute autre méthode de mesure de la susceptibilité peut être utilisée. Outre le pendage des formations et une imagerie magnétique, la susceptibilité magnétique donne des indications intéressantes sur - la teneur en fer même très faible et ses variations, - la teneur en phyllosilicate paramagnétique (illite et chlorite) - des indications sur l'évolution des minéraux magnétiques par diagènèse ; les conditions rétuctrices ou oxydantes donnant des résultats tris différents. - Les zones lessivées témoin de fortes perméabilités actuelles ou fossiles, - les zones imperméables ou la susceptibilité a conservé en géné ral une assez grande valeur, - la détection des couches repères de volcanosédimentaire ou d'intercalations volcaniques dont les susceptibilités peuvent être plusieurs milliers de fois supérieures à celles de l'encaissant. - L'anisotropie de susceptibilité est liée aux déformations subies par la roches ainsi qu'aux conditions de dépôts tels que les courants dont elle permet de reconstituer les directions. La susceptibilité varie en général de façon rapide donnant une ré- solution verticale de l'outil tris bonne : quelques centimètres à un centimètre par exemple. Un tel outil aura des possibilités in téressantes sans restriction sur les boues de forage utilisées. Si la boue est fortement polluée par des constitutants ferrDmagné- tiques on peut tenir compte du phénomène par un coefficient appris avoir mesuré la susceptibilité de la boue elle-même. En tout état de cause, une simple circulation avant logging avec une boue ayant circulé sur un aimant résoud le problème facilement donnant à l'outil des pssibilités d'application tris générales. L'invention a également pour objet un dispositif de mesures de pendage des couches forées et d'imagerie de susceptibilité magnétique de la paroi du forage et des roches proches sur une profon deur qui peut être choisie par la géométrie des capteurs et la fréquence utilisée par chacun des capteurs. Une exploration en fréquence, par balayage en fréquence, sur un certain nombre de capteurs ou sur tous peut être utilisée. Les capteurs de suceptibilité magnétiques sont en nombre quelconque, nécessaire à la mesure du pendage ou à l'i agerie magnétique ou à la tonographie des roches forées ; ils sont fixés sur des patins ou pressés contre la paroi par tout autre dispositif. Les patins sont en nombre quelconque nécessaire a la détermination du pendage ou il'imagerie magnétique de la paroi ou à la tomographie magnétique des roches for es. D'autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit avec référence aux dessins annexés surlesquels on peut voir Un outil de diamètre approprié comporte une attache (1) permettant le raccord à un cable (2) de logging pour la traction, le descente de lténergie électrique, la remontée des données. En bas, des bras (3) par exemple au nombre de 4 qui peuvent être manoeuvrés (4) par un signal pour s'écarteur et avoir un diamètre adapté au diamètre du trou de forage. Des capteurs de susceptibilité magnétiques (5) montés dans les patins par exemple sans dépassement de façon a être pressés ré guliirement contre la paroi. Ces patins et les capteurs doivent être en matériau anagnétique et non métallique pour les capteurs eux-mêmes et éventuellement pour des parties proches des bras ou tous les bras (la figure 1 représente schématiquement un exemple d'outil-comportant 4 bras avec chacun 3 capteurs de susceptibilité). Un dispositif préamplificateur (6) Un dispositif amplificateur pour la mise en forme des données avant transmission (7) Un repérage de la position de l'outil comportant par exemple un magnétomètre triaxial (8) ou une centrale à inertie et des incli nomètres (9), une coque en métal amagnétique, par exemple en acier inoxydable (10). REVENDICATIONS 1 - Dispositif de logging pour la mesure du pendage des couches géologiques par la mesure de la susceptibilité magnétique le long des parois du trou de forage et caractérisé en ce que les capteurs de petites dimensions sont portés par des patins au nomnbre de 4 par exemple, pressés par des bras le long des parois du forage. Ces bras font partie d'un outil. Le pendage est déduit des variations de susceptibilité enregistrées par les différents patins en tenant compte de l'orientation de l'outil. 2 - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ltélément de mesure est constitué par des capteurs de petite dimension portés par des patins et ensurépaisseur ou affleu rant la surface des patins. 3 - Dispositif suivant les revendication 1 et 2 caractérisé en ce que les éléments dits capteurs sont en contact constant avec la paroi du forage et presses contre elle. 4 - Dispositif suivant les revendications 1 et 2 ou 3 caractérisé en ce que les capteurs de susceptibilité peuvent être de tout type dipole-dipole ou pont d'inductance par exemple et en nom- bre nécessaire sur chaque patin. 5 - Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 4 caractéri sée en ce que les capteurs de susceptibilité peuvent être constitués d'un solénoide inducteur produisant une aimanta tion induite dans la formation et d'une sonde magnétométrique compensée par un bobinage fait sur elle ou à proximité et par couru par un courant convenable pour que la lecture soit nulle dans l'air et loin de tout corps magnétique. Dans le forage la lecture du magnétomètre sera une mesure du champ produit par l'aimantation induite donc de la susceptibilité de la roche. Ce dispostif de mesure, objet de cette revendication peut être utilisé pour des mesures de susceptibilité non liées à des me sures de pendage par exemple en recherche minière. 6 - Dispositif suivant les revendications 1 - 2 - 3 - 4 - 5 carac térisé par le fait que la géométrie des capteurs et les fré quences utilisées permettent d'obtenir la profondeur d'investigation et la résolution verticale voulue de l'outil. 7 - Dispositif suivant les revendications 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 caractérisé en ce qu'il est possible d'associer plusieurs cap teurs de caractéristiques différents (type, géométrie ou fréquence) pour obtenir une image de susceptibilité magnétique de la paroi du forage et des roches forées en champs proches. 8 - Dispositif suivant revendications précédentes caractérisé en ce que les capteurs sont portés ou inclus dans des patins ou dans tout autre dispositif les appliquant contre la paroi du forage. 9 - Dispositif suivant revendications précédentes caractérisé en ce que les capteurs peuvent être placés sur un même généra teur du cylindre même s'ils transmettent une information redondante.