Brevet FR2642848A1 — publié le 19900810

Procédé ultrasonore pour la détection du passage d'un corps dans un tube métallique et ses utilisations, notamment dans l'industrie pétrolière. La présente invention a pour objet un procédé acoustique pour la détection du passage d'un corps se trouvant dans un milieu quelconque circulant dans un tube métallique ou analogue, y compris en plastique, matériaux composites, verre, etc., et son utilisation notamment dans l'industrie pétrolière. La mise en oeuvre dudit procédé est particulièrement avantageuse. Elle est simple et fournit des résultats précis meme dans des environnements très sévères. Ainsi, elle permet de détecter le passage d'un objet, en un matériau quelconque, métallique ou non, à l'intérieur en particulier d'un tube métallique, et circulant dans un milieu quelconque. Un tel procédé répond à un besoin certain, notamment dans l'industrie pétrolière. Dans ladite industrie, on met en oeuvre des techniques comportant l'injection dans le tube (casing) de bouchons obturateurs (plugs) et de balles d'obturation (ball sealers). Il est très important de pouvoir disposer d'un moyen sur de vérification de la réalité de telles injections. Le tube (casing) est mis en place par cimentation. Lors de sa mise en place, et lors d'autres opérations de traitement et d'exploitation du puits, on utilise des bouchons obturateurs (plugs), plus précisément des bouchons obturateurs à surface cannelée (wiper plugs). Ainsi, on envoie un bouchon de fond qui peut par exemple consister en un materiau plastique ou en une structure composite métal/plastique, par exemple aluminium/ plastique. Celui-ci constitue un espacement entre par exemple le laitier de ciment et les boues de forage qui sont deux fluides chimiquement incompatibles. Il comporte, dans son corps, un diaphragme calculé pour ceder sous une pression déterminée (généralement entre 106 et 3.106 Pa). On est certain que le bouchon a atteint le fond lorsqu'une surpression est observée en tête de puits. Cependant, cette méthode de vérification, qui est la seule existant à ce jour, est loin d'être fiable. Il peut arriver que le bouchon ne parte pas mais que l'opérateur soit trompé par une augmentation de pression due à une autre cause que le placement du bouchon. D'autre part, on sait que le casing est formé de sections dont le diamètre décroît lorsque la profondeur augmente. Le bouchon a donc un diamètre plus faible que la première section. Durant cette première phase de propulsion vers le fond, le bouchon peut donc (même s'il a été correctement lancé) assez facilement se "retourner", se coincer etc.. entre la tête de cimentation et la surface ou "cave", et l'opérateur ne dispose pratiquement d'aucun moyen de déceler une telle anomalie avec certitude. I1 est donc impossible, selon l'art antérieur, de savoir si ledit bouchon, bien été injecté et correctement mis en place. Le seul dispositif de contrôle consiste à ce jour en un système mécanique dénommé "tell-tale" (indicateur) monté sur la tête de puits et censé indiquer, par le déplacement d'un organe mécanique, le passage du bouchon. Ce système, d'une part, est peu fiable (risque d'encrassement) et d'autre part, ne renseigne pas sur un éventuel "retournement" du bouchon dans la première section ("string") du tube. Les bouchons en eux-mêmes, les techniques de lancement par une sorte de cartouche montée en tête du puits, les diverses utilisations de ces bouchons, etc... sont bien connues de l'homme du métier Celui-ci connaît également, et depuis plusieurs dizaines d'années, les causes des échecs : encrassement du dispositif de lancement par le laitier de ciment sous pression, notamment. L'homme de métier connaît également les conséquences d'un mauvais placement du bouchon ou d'un défaut de lancement : par exemple, deux fluides incompatibles chimiquement vont entrer en contact, réagir et, par exemple, précipiter en fond de puits. Ou encore, le traitement prévu ne sera pas effectué, ou mal. On utilise également, depuis une trentaine d'années, des balles d'obturation (ball sealers). Il s'agit de sphères de petite taille, qui sont destinées à boucher sélectivement certaines "perforations" du tube. On sait que le tube, mis en place, comporte notamment, dans sa zone en contact avec la zone productrice, diverses perforations d'environ 10 mm de diamètre. I1 s'avère parfois nécessaire de boucher certaines de ces perforations, afin de réaliser le traitement sélectif prévu, par exemple, la stimulation d'une zone bien précise. Le positionnement desdites balles, de densité parfaitement déterminée, est réalisé par injections successives de celles-ci dans des fluides adaptés. Il n'existe à ce jour, aucun dispositif fiable permettant de compter le nombre de balles entrant dans le puits. Comme dans le cas ci-dessus des bouchons, on ne sait pas non plus vérifier la réalité du lancement desdites balles. Elles sont lancées par l'intermédiaire d'un système de distribution assez rudimentaire monté sur une dérivation du circuit principal. Elles sont entassées dans une cartouche de distribution, au bas de laquelle est aménagée une rampe de lancement hélicoidale. Un système à piston actionné manuellement par un système à manivelle pousse un certain nombre d'entre elles sur ladite rampe, et, de là, dans le circuit d'amenée de fluide sous pression à la tête de puits. Comme précisé ci-dessus, à ce jour, il n'existe aucun moyen de vérifier la réalité du lancement, de contrôler le passage desdites balles d'obturation en têtes de puits : l'opérateur est contraint de travailler sans aucun contrôle et de faire- confiance au système rudimentaire décrit ci-dessus. Cependant, ce système s'enraye fréquemment en raison de la très forte pression exercée par le fluide, de l'encrassement du système par les divers fluides pompés. Les balles sont très souvent envoyées irrégulièrement, par grappes, ou pas du tout. Seul le démontage du système de lancement pourraît apporter une certitude ; celui-ci est toutefois à exclure, tout le système étant sous haute pression. Le système ne peut être démonté qu'après l'achèvement de toute l'opération et si les balles n'ont pas été lancées, ce contrôle intervient évidemment trop tard. D'autre part, si les balles ont été lancées irrégulièrement, par grappes, même le démontage ne permet pas à l'opérateur de s'en apercevoir. Les techniques de cimentation d'un puits d'eau, de pétrole, de gaz, ou géothermique, et de traitement des formations souterraines traversées, notamment stimulation, sont connues de l'homme de métier. Les bouchons et balles d'obturation, ainsi que leurs techniques de lancement, de placement, sont également bien connues. On a seulement rappelé ici les problèmes auxquels ces techniques donnent lieu, bien que ces problèmes soient également, et depuis très longtemps, connus, afin de situer l'intérêt de l'invention et des solutions radicales qu'elle apporte. Selon l'invention, on propose un procédé pour lever les incertitudes dommageables décrites ci-dessus et on propose un système précis et fiable de contrôle du passage desdits objets. Il s'agit d'un procédé ultrasonore consistant à détecter au moyen d'un détecteur ultrasonore, à amplifier et à traiter les variations d'amplitude du signal ultrasonore dues au passage du ou des objets. Lesdites variations (atténuations et perturbations diverses du signal) résultent notamment de phénomenes de dispersion et de diffraction. Le détecteur ultrasonore comporte de manière générale deux paires de transducteurs ultrasonores : deux émetteurs et deux récepteurs. Il est possible de n'employer qu'une paire de transducteurs ultrasonores, en utilisant la méthode par écho, le mee élément servant successivement d'émetteur puis de récepteur. Les signaux délivrés par les transducteurs sont traités et enregistrés en temps réel et un signal sonore ou visuel est de plus délivré lors du passage de l'objet. Selon l'invention, on a mis en évidenca le fait que, de manière surprenante, un tel procédé, utilisant des dispositifs de haute technologie, donnait des résultats précis et fiables malgré les conditions très sévères de l'industrie pétrolière et para pétrolière (chocs, vibrations, poussières, etc.). L'invention permet en outre de manière surprenante de s'affanchir des perturbations et atténuations induites par le fait que le tube est dans cette industrie, constitué d'une épaisseur importante de métal. On pensait auparavant que cela produirait un tel "bruit" parasite que le passage d'un objet Cet environnement, ainsi que la nécessité d'opérer sous forte pression, sont responsables du fait que depuis trente ans au moins, les opérateurs n'ont eu à leur disposition que des dispositifs rudimentaires dont la principale qualité devait être la robustesse mais, on l'a vu, au détriment en fait de la fiabilité. L'invention peut donc servir à détecter, dans le tube métallique, soit le passage d'un bouchon obturateur, lors de l'opération de cimentation, par exemple, soit le passage d'une balle d'obturation, lors d'opérations de stimulation par exemple. Lesdits bouchons obturateurs sont généralement en matiere déformable, par exemple en matière plastique ou en caoutchouc. Lesdites balles obturatrices sont conçues pour être de densite voisine de celle de fluides porteurs et sont donc en plastique, caoutchouc ou creuses avec éventuellement des parties métalliques. En utilisant le procédé selon l'invention, non seulement on contrôle leur passage, mais il est également possible de les compter. On peut atteindre une résolution de l'ordre de 1/10 s, ce qui permet de déceler jusqu'à 10 passages de balles par seconde. Il devient donc possible pour la première fois d'enregistrer en temps réel et avec une grande précision, le nombre de balles envoyées et donc de suivre exactement la conception de l'opération à effectuer ("job design"), laquelle prévoit le rythme optimum de lancement. L'invention ouvre donc la voie à l'automation et à la programmation du lancement. Pour détecter le passage desdits bouchons et/ou balles, les transducteurs sont fixés à l'extérieur du tube au niveau de la tête de puits. La fixation en elle-même ne présente pas de difficultés (vissage, collier, fixation magnétique, etc.) En ce qui concerne les bouchons, un intérêt supplémentaire de l'invention réside dans le fait qu'un deuxième système de détection ultrasonore selon l'invention peut être fixé sur le tube au niveau de la "cave" (surface du sol). On dispose ainsi d'un second point de contrôle permettant de mieux suivre la progression du bouchon, repérer d'éventuelles irrégularités dans le déplacement, y compris dans le débit du fluide porteur et réagir pour corriger l'anomalie. Naturellement, on pourra utiliser plus de deux systèmes, et installer par exemple une série de tels systèmes à des distances variables. Le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre à d'autres fins. I1 peut permettre de suivre une balle en chute par gravité dans un milieu quelconque, une bille ou une bulle injectée sous contrôle et transportée par un fluide, c'est-à-dire qu'il permet de réaliser des mesures de viscosité ou de débit. La vitesse de chute d'un solide dans un milieu quelconque donne accès à sa viscosité. Des détecteurs ultrasonores positionnés à des distances connues permettent de mesurer le temps mis par le solide pour les parcourir. La vitesse de chute peut donc en être déduite. La connaissance des caractéristiques du solide (forme, densité...) permet d'avoir accès aux paramètres rhéologiques du milieu. Une large gamme de vitesses de chute, et donc de vitesses de cisaillement (important pour les fluides non-Newtoniens), peut ainsi être examinée. La méthode précitée s'applique à de nombreux cas - milieu homogène (huile, solution de polymères) ou hétérogène (suspensions) ; - milieu clair (eau...) ou turbide (boues de forage) - milieu permanent (huile) ou en évolution lente (ciment) - haute température, haute pression. Le comptage de bulles, par exemple peut donner accès au débit quelque soit le fluide considéré (conducteur ou non, charge ou non, ...). On trouvera sur la Fig. 10 annexée le schéma synoptique d'un viscosimètre ultrasonore selon l'invention. Un tel viscosimètre présente deux avantages essentiels. Tout d'abord, sa plage de mesure est très large, depuis une vitesse de cisaillement proche de zéro jusqu'à 500 5 1, et également en viscosité depuis les alcools, éthers, l'eau1 jusqu'aulx fluides très fortement visqueux (gels, bitumes, etc...) Ensuite, le viscosimetre selon l'invention peut opérer sur des fluides même turbides et chargés, contrairement à l'art antérieur. Les viscosimètres mécaniques connus sont fortement limités en pression et, dans le cas de fluides chargés, par les écoulements secondaires ; ces deux limites sont particulièrement néfastes dans ltindustrie pétrolière. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, en se référant au dessin annexé sur lequel La figure 1 représente des bouchons à surface cannelée, tels que ceux utilisés lors d'opérations de cimentation de puits. Bien entendu, ces bouchons n'ont pas un caractère limitatif. La figure 2 est un schéma synoptique du système ultrasonore selon l'invention. La figure 3 est un schéma synoptique du traitement du signal. La figure 4 représente les oscillogrammes obtenus dans le cas de signaux non traités. La figure 5 représente les oscillogrammes obtenus après différence et amplification mais avant la seconde étape de traitement. La figure 6 représente les signaux logiques nécessaires à la seconde étape de traitement selon l'invention et permettant de réaliser un échantillonnage. La figure 7 représente un agrandissement de la zone d'échantillonnage. A la fin du temps d'échantillonnage prédéterminé (point B) la tension est bloquée à la valeur obtenue au point B. Lors du passage d'un bouchon, le même traitement donne une valeur différente "xi" A chaque impulsion "i" reçue par le transducteur correspond un signal "x,i ou IYill tel que représenté sur la figure 7. La figure 8 représente l'évolution transitoire du signal analysé au cours du passage d'un bouchon obturateur devant les transducteurs. En d'autres termes, la figure 8 représente l'évolution dans le temps de la'tension au point B après filtrage. Avant et -après le passage du bouchon, on retrouve -sensiblement une valeur constante "x" (car toutes les valeurs "xi" sont sensiblement identiques). Par contre, durant le passage du bouchon, les perturbations sont telles que pour chaque impulsion "i" les valeurs "Yi" (Y1, y21 ...) varient fortement, ce qui explique la forme du signal TP4 sur la figure 8. La figure 9 représente l'évolution transitoire du signal analysé au cours du passage d'une balle d'obturation de 40 mm de diamètre dans un tube métallique de 140 mm de diamètre et 1 cm d'épaisseur de paroi (même explication que pour la figure 8). Dans le mode de réalisation, illustré sur la figure 2, le système comprend un générateur d'impulsions qui active deux transducteurs ultrasonores. De tels générateurs d'impulsions se trouvent sur le marché. Les transducteurs ultrasonores sont taillés, selon les besoins, dans un bloc de céramique piézoélectrique. La carte électronique traite l'atténuation du signal observée durant le passage du bouchon obturateur. La figure 3 est un schéma synoptique de l'appareillage, utile pour déterminer l'affaiblissement du signal ultrasonore lors du phénomène étudié. Elle montre que la différence des signaux délivrés par les deux paires de transducteurs est amplifiée et analysée. On a désigné par V1 le signal de sortie, non analysé, d'un transducteur et par TP4 le dernier signal filtré et analysé. La figure 4 (a et b) représente les oscillogrammes des signaux obtenus, non traités avec et sans passage du bouchon obturateur. Les tests ont été effectués dans des conditions simulées de laboratoire, avec un bouchon en caoutchouc envoyé a l'intérieur d'un tube en fer de 45 mm de diamètre intérieur et de 8 mm d'épaisseur. Même dans de telles conditions, on voit qu'il n'est pas possible de détecter directement le passage du bouchon, les signaux des figures 4a et 4b n'étant pas différentiables. La figure 4 confirme la complexité des signaux obtenus dans l'environnement considéré et le fait qu'il ne semblait pas possible d'en tirer un signal "lisible". La figure 5 montre l'oscillogramme obtenu après différence et amplification du signal selon l'invention mais avant échantillonnage. On voit que la sensibilité d'ensemble du système a été améliorée. Cependant, un tel oscillogramme n'est pas encore utilisable en pratique. Cette figure montre que l'obtention d'un signal clair impossible à confondre avec des parasites, bruits de fond, etc. nécessite un traitement complément et justifie le préjugé antérieur défavorable de l'homme de métier. La figure 7 montre que le temps d'échantillonnage doit autre court par rapport au temps de blocage ou maintien de sorte que l'on obtienne seulement une tension continue après le filtrage. Le temps d'échantillonnage doit être réglé selon la durée du trajet de l'impulsion et est donc fonction du diamètre du tube. Le temps de blocage ou maintien est fonction de la fréquence de répétition, de sorte qu'il n'y ait aucune superposition de signaux. Dans les tests effectués sur un tube de 45 mm de diamètre intérieur dans des conditions de laboratoire, les temps suivants ont été réglés - temps de prélèvement 65s - temps de blocage ou maintien 7 ms Pour des utilisations en grandeur réelle, sur le champ, on peut concevoir des temps précalibrés pour des tubes de différents diamètres. Les fréquences utilisables sont de 20 kHz à 10 - 20 MHz. En pratique, on préfèrera travailler entre environ 150 kHz et 1MHz. REVENDICATIONS 1. Procédé ultrasonore pour la détection du passage d'un corps dans un tube ou un conteneur analogue, caractérisé en ce qu'il consiste à détecter, au moyen d'au moins une paire de transducteurs ultrasonores (1 émetteur, 1 récepteur), à amplifier et à traiter les variations des différences des atténuations et des perturbations du signal ultrasonore dues au passage dudit corps. 2. Procédé ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comprend deux paires de transducteurs ultrasonores : -2 émetteurs, 2 récepteurs. 3. Procédé ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdites variations sont ensuite traitées par une méthode d'échantillonnage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit tube est un tube métallique ou en alliage. 5. Utilisation, dans l'industrie pétrolière, du procédé ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour vérifier le lancement de bouchons obturateurs dans le tube (casing) et eventuellement suivre sa progression. 6. Utilisation, dans l'industrie pétrolière, du procédé ultrasonore selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour vérifier le lancement de balles d'obturation (ball sealers) dans le tube (casing) et éventuellement compter lesdites balles. 7. Utilisation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que les transducteurs sont fixes à l'extérieur du tube (casing), au niveau de la tête de puits et/ou au niveau de la surface. -8. Utilisation du procédé ultrasonore selon Prune quelconque des revendications 1 à 4, pour la détermination de propriétés rhéologiques d'un fluide, notamment viscosité ou débit, par la mesure du temps de passage d'une bille ou bulle dans ledit fluide entre deux paires de transducteurs.