Brevet FR2633971A1 — publié le 19900112

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour la détermination dans un forage du pendage et de l'azimut d'une couche de discontinuité dans un milieu homogène. La localisation des fractures ou des zones fissurées dans un terrain homogène et, plus généralement, de toute couche de discontinuité, ainsi que la détermination de leur orientation, constitue l'une des données essentielles à la compréhension et à la description des transferts d'eau et de chaleur dans la croûte terrestre. La conductivité électrique de telles structures est l'une des propriétés physiques qui présente le meilleur contraste entre celles-ci et le milieu environnant. Elle est en effet très sensible à la variation de porosité d'une roche et constitue un très bon marqueur. La mesure de la conductivité électrique en diagraphie peut être effectuée par la méthode électrique o l'on injecte un courant dans la formation, ou par induction d'un courant avec un dispositif à deux ou plusieurs bobines parallèles à l'axe du forage. Avec de tels outils, une fracture ou une zone fissurée se manifeste par une diminution de la résistivité électrique apparente, mais la symétrie de révolution par rapport à l'axe du forage que présentent ces systèmes de mesure ne permet pas d'avoir d'indications sur l'azimut ou le pendage d'une fracture. Plusieurs outils ont été récemment développés pour l'observation de petites fractures dans la paroi d'un trou de forage. L'ensemble de ces dispositifs donnent d'excellents résultats, en particulier dans les roches cristallines ou compactes pour des trous remplis d'eau, mais ils ne prennent en compte que de très petits volumes et leur portée est limitée à quelques centimètres au-delà de la paroi du forage. La présente invention vise par conséquent à fournir un dispositif et un procédé fondés sur le phénomène d'induction qui soient sensibles à des structures plus volumineuses, fournissant une portée de quelques mètres au-delà du forage, et qui soient complètement indépendants du remplissage de ce forage, les structures recherchées étant alors des fractures importantes, des zones fissurées ou, dans le domaine minier, des filons minces. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif pour la détermination dans un forage du pendage et de l'azimut d'une couche de discontinuité dans un terrain homogène, caractérisé par le fait qu'il comprend trois bobines d'induction émettrices et trois bobines d'induction réceptrices, des moyens pour alimenter chacune des bobines émettrices en courant électrique alternatif, des moyens pour mesurer les réponses de chacune des bobines réceptrices et pour isoler, dans chacune des trois réponses, la part résultant de l'excitation de chacune des bobines - 2- 2633971 émettrices, et des moyens pour déduire des paramètres ainsi obtenus, le pendage et l'azimut d'une couche traversée par le dispositif. Le dispositif selon l'invention peut également comprendre des moyens pour mesurer son orientation par rapport au nord magnétique, par exemple un gyroscope A axe horizontal, un magnétomètre ou un compas, pour pouvoir tenir compte de sa rotation sur lui-êmme lors de sa descente dans un forage. Les axes des bobines émettrices et ceux des bobines réceptrices peuvent former deux repères orthonormés, par exemple déduits l'un de l'autre par translation parallèlement à l'axe vertical du dispositif. On comprend qu'il est relativement facile de distinguer dans chacune des bobines réceptrices les réponses dues à chacune des bobines émettrices, puisqu'il suffit que leur fréquence soit différente ou de les faire fonctionner en alternance. On choisit les trois fréquences dans la gamme basse fréquence, par exemple entre IKhz et 100 Khz selon la résistivité moyenne du terrain. On dispose par conséquent de neuf réponses référencées à un système orthonormé, que l'on peut représenter sous la forme d'une matrice 3 x 3 o chaque élément correspond à l'action d'une bobine émettrice sur une bobine réceptrice. Ainsi Ryx correspond à la mesure dans la bobine yx réceptrice orientée suivant O du signal émis par la bobine orientée suivant 0. y On peut alors restituer l'orientation dans l'espace d'une fracture en calculant les deux angles déterminant l'azimut et le pendage à partir des coefficients de la matrice précitée. L'invention a également pour objet un procédé pour la détermination dans un forage du pendage et de l'azimut d'une couche de discontinuité dans un terrain homogène, caractérisé par le fait que l'on introduit dans ledit forage un dispositif tel que décrit ci-dessus, que l'on relève lesdits paramètres au fur et à mesure de la descente du dispositif, que l'on déduit, de l'évolution d'au moins un deadits paramètres, la traversée par le dispositif du plan médian d'une couche de discontinuité, et que l'on calcule le pendage et l'azimut de cette couche pour les valeurs des paramètres relevées à l'instant de ladite traversée. Plus particulièrement, on élimine les réponses en phase pour ne conserver que les réponses en quadrature. En effet, dans la gamse de fréquence considérée, la réponse an phase est proportionnelle à la susceptibilité magnétique du terrain, et la réponse en quadrature est proportionnelle à la conductivité électrique, seule cette dernière étant intéressante pour étudier les fractures. 2 33971 Plus particulièrement, l'azimut et le pendage sont respectivement calculés par les formules suivantes: R tg xz R yz RcosÂ+ R sin? Yú xz tg9=-y Ry cos2 RXY sinZ o Ri: est la réponse de la bobine réception j due à son excitation par la bobine émettrice i lorsque le centre du dispositif est dans le plan médian de la couche. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - la figure 1 illustre un dispositif selon l'invention mis en place dans un forage; - la figure 2 représente le repère lié à ce dispositif et un repère lié à une fracture traversée par ce forage; - la figure 3a illustre ce forage recoupant une telle fracture, et - la figure 3b représente diverses réponses obtenues à l'aide du dispositif lors de la traversée d'une fracture. Le dispositif de la figure I comprend trois bobines émettrices la,lb et lc et trois bobines réceptrices 2a, 2b et 2c. Les bobines la, lb, 2a et 2b ont leurs axes horizontaux lorsque le dispositif est dans un forage vertical, les axes des bobines la et 2a étant parallèles à l'axe Ox et les axes des bobines lb et 2b étant parallèles à l'axe Oy d'un repère orthonormé lié au dispositif. Les bobines lc et 2c ont leur axe confondu avec l'axe du forage. Les bobines la, lb et lc sont alimentées en courant électrique alternatif à l'aide de conducteurs 3 à partir d'un ensemble électronique 4, et le courant induit dans les bobines réceptrices 2a, 2b et 2c est transmis à cet ensemble 4 à l'aide de conducteurs 5. L'ensemble 4 comprend également des moyens tels qu'un magnétomètre pour détecter l'orientation du dispositif par rapport au nord magnétique, par exemple par l'angle formé entre l'axe Ox et le nord magnétique. Un cible 6 de suspension du dispositif permet de transmettre les différentes informations de l'ensemble électronique 4 à une unité de traitement 7. Des moyens non représentés permettent de connattre la longueur de câble 6 déroulée et, par conséquent, la profondeur atteinte par le dispositif dans le forage. A titre d'exemple, le dispositif selon l'invention peut être logé dans un tube en matériau non conducteur et non magnétique, par exemple, de diamètre égal à 88 mm qui est le moindre de la gamme des outils pétroliers courants. L'écartement entre les deux ensembles de bobines émettrices et réceptrices étant par exemple égal à 120 cm (on peut pratiquement le choisir dans la game de 50 à 500 cm), on peut alors utiliser un tube de 220 cm de manière à prévoir une zone de garde d'environ 50 cm à chaque extrémité. Les bobines peuvent être à la pression atmosphérique, le tube supportant alors la pression extérieure (pouvant aller jusqu'à 500 bars pour un forage de 5000 m de profondeur), ou dans un bain d'huile, les branchements se faisant alors par traversée étanche. Dans le mode de réalisation o les trois bobines la, lb et lc sont destinées à être alimentées simultanément, on peut choisir les fréquences de 12 Khz, 16,97 Khz et 24 Khz. On retrouve par conséquent, dans la réponse de chacune des bobines réceptrices 2a, 2b, 2c, ces trois fréquences qui sont séparées à l'aide de filtres appropriés dans l'ensemble électronique 4, de manière à obtenir les neuf réponses Ri. Enfin, l'ensemble 4 comporte des circuits permettant de séparer les réponses en phase et les réponses en quadrature afin de ne conserver que ces dernières, seules intéressantes pour la mise en oeuvre selon l'invention. Les bobines la et lb d'une part, et 2a et 2b d'autre part peuvent être des bobines rectangulaires allongées verticalement se recoupant sur l'axe Oz du forage, les bobines lc et 2c pouvant itre du type solénolde, éventuellement enroulées autour des bobines verticales. La figure 1 représente le dispositif de l'invention alors qu'il est traversé en son milieu par une fracture 8. La localisation de la fracture dans l'espace est déterminée d'une part par la profondeur du dispositif à l'instant o il recoupe cette fracture, et d'autre part, par les angles y et e de la figure 2 qui définissent le changement de repère nécessaire pour passer du repère Oxyz lié au dispositif, au repère Ouvw lié à la fracture. Plus particulièrement, l'axe Ou est l'axe horizontal contenu dans le plan médian P de la facture, l'axe Ov est l'axe perpendiculaire à Ou également contenu dans le plan P, et l'axe Ov est l'axe perpendiculaire à ce plan. La connaissance de l'angle 9 fournit par conséquent l'azimut du plan P, puisque l'on connatt l'orientation du dispositif par rapport au nord magnétique, et l'angle e fournit directement le pendage de ce plan. On peut montrer que les angles 4 et s sont déterminés par les formules suivantes: R tgÂf- XZ tgi - R yz R cosy + R sin t * YZ xz R cos2- Ry 9 sin2V o R i est la réponse de la bobine réceptrice J due à son excitation par la bobine émettrice i lorsque le plan médian P de la fracture recoupe le centre du dispositif selon l'invention. La figure 3b représente les différentes réponses obtenues au fur et à mesure de la descente du dispositif dans un forage 9 au voisinage de la fracture 8, en fonction de la distance z entre le centre du dispositif et le point d'intersection de l'axe du forage avec le plan médian P de la fracture 8. On constate que les termes non diagonaux de la matrice Rij sont symétriques par rapport au plan Z - O (courbe 10 représentant les variations de R et courbe Il représentant les variations de R) yz zy L'approche d'une fracture peut être aisément détectée à l'aide de ces termes diagonaux qui prennent alors brusquement une valeur non nulle. La position verticale du plan médian peut être déterminée par le maximum de R ou de R, ou encore par le milieu de la plage maximale de R xx yy zz Pratiquement, tous ces paramètres sont relevés et mémorisés au fur et à mesure de la descente du dispositif dans le forage 9, l'unité de traitement 7 déterminant la position verticale du plan médian et calculant les angles J et 9 pour les valeurs des paramètres correspondant à ce plan. On a pu constater que les termes diagonaux de la matrice des réponses sont peu sensibles à l'orientation d'une fracture ou d'une zone fissurée conductrice, mais fournissent par contre clairement le point o le centre du dispositif traverse le plan médian de la fracture. Les termes non diagonaux de cette matrice sont totalement dépendants des angles de pendage et d'azimut, et d'une valeur tout à fait significative et mesurable par rapport aux termes diagonaux, de sorte qu'ils permettent d'obtenir avec une bonne précision les deux angles y et 0 précités. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu atre apportées à la description qui précède sans sortir pour autant ni du cadre ni de l'esprit de l'invention. -6 -2633971 REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la détermination dans un forage du pendage et de l'azimut d'une couche de discontinuité dans un terrain homogène, caractérisé par le fait qu'il comprend trois bobines d'induction émettrices (la, lb, lc) et trois bobines d'induction réceptrices (2a, 2b, 2c), des moyens (9) pour alimenter chacune des bobines émettrices en courant électrique alternatif, des moyens pour mesurer (9) les réponses de chacune des bobines réceptrices et pour isoler dans chacune des trois réponses la part résultant de l'excitation de chacune des bobines émettrices, et des moyens (7) pour déduire des paramètres ainsi obtenus le pendage et l'azimut d'une couche traversée par le dispositif. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour mesurer son orientation par rapport au nord magnétique. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé par le fait que les axes des bobines émettrices et ceux des bobines réceptrices forment des repères orthonormés. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'un des repères est déduit de l'autre par translation parallèlement à l'axe du dispositif. - Procédé pour la détermination dans un forage du pendage et de l'azimut d'une couche de discontinuité dans un terrain homogène, caractérisé par le fait que l'on introduit dans ledit forage un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, que l'on relève lesdits paramètres au fur et à mesure de la descente du dispositif, que l'on déduit de l'évolution d'au moins un desdits paramètres, la traversée par le dispositif du plan médian d'une couche de discontinuité, et que l'on calcule le pendage et l'azimut de cette couche pour les valeurs des paramètres relevées à l'instant de ladite traversée. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on élimine les réponses en phase pour ne conserver que les réponses en quadrature. eaqono Vl op uvTp9 uwid aT suBp:tse;TtiTsodslp np ezalueo eT enbs:oI e a1 Taeu auTqoq VI :vd uo;z;:;xe uos s anp aSa;t:ideou au;qoq Vl op esuodgz sl:se [X no OL úuls - JgSO XL ztx zx : sa:u&eTns sainouo; set:td sgnalnoa uaa,;lTzaedseal uos agupuad aI:1 rInuzvsI anb lT.'; ae T. d u sdI3auI, 9 ti S sUOt49tzpu"AOa sap enbuoolanb aunTl uoiaU 9Po0di - L 6úú9.Z z -