Brevet FR2636436A1 — publié le 19900316

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE SUBSIDENCE La présente invention concerne un procédé et un dipositif de mesure de subsidence permettant d'évaluer avec grande précision la distance qui sépare des repères radioactifs préalablement implantés dans les parois d'un forage. Une telle mesure, lorsqu'elle est répétée de temps à autre, permet d'évaluer l'ampleur du phénomène de subsidence des couches souterraines suite à la production de fluides, notamment d'hydrocarbures. Une technique classique en matière d'observation des phénomènes de subsidence du sous-sol est décrite dans l'article intitulé "Collar and Radioactive Bullet Logging for Subsidence Monitoring" de R.D. Allen publié au "Tenth Annual Logging Symposium, 1969" par la "Society of Professional Well Log Analysts" (SPULA). Elle consiste tout d'abord à implanter dans les parois latérales d'un forage, plusieurs balles radioactives espacées selon l'axe du forage, puis à enregistrer périodiquement des diagraphies nucléaires au moyen de deux détecteurs à scintillation longitudinalement espacés, de façon à en déduire les éventuelles variations de distance entre les balles et ainsi évaluer l'importance du phénomène de subsidence. Lors de l'acquisition de la diagraphie, l'intensité du rayonnement gamma est enregistrée de manière continue en fonction des informations relatives à la profondeur de l'outil qui sont fournies par un dispositif à roue tangentielle directement appliquée contre le câble. Compte tenu de l'élasticité du cable et du déplacement peu régulier de l'outil suspendu à son extrémité, la résolution des mesures de profondeur n'est pas suffisante pour observer de très faibles variations dans le temps. -2- La présente invention apporte une solution à ces inconvénients et permet d'améliorer sensiblement la précision de la mesure de distance qui sépare les repères radioactifs. Selon un premier aspect de l'invention, le procédé pour mesurer la subsidence des formations souterraines traversées par un forage dans- les parois duquel on a préalablement implanté au moins deux repères radioactifs espacés selon l'axe longitudinal du forage, comprend les étapes suivantes: - introduire dans le forage un dispositif de mesure comprenant au moins deux ensembles de détection nucléaire espacés selon l'axe longitudinal du dispositif. chacun des ensembles comprenant au moins un détecteur à localisation linéaire selon l'axe longitudinal du dispositif et la distance séparant les ensembles de détection étant connue et sensiblement égale à la distance séparant les repères radioactifs; immobiliser ledit dispositif dans le forage de manière à ce que chacun des ensembles soit placé au regard du repère radioactif correspondant; et effectuer les mesures de localisation des repères radioactifs tout en maintenant le dispositif immobile. De préférence, l'on immobilise le dispositif à l'aide d'au moins une section d'ancrage. Selon un second aspect de l'invention, le dispositif de mesure de subsidence est formé d'un corps allongé comprenant au moins deux ensembles de détection nucléaire espacés selon l'axe longitudinal du corps; il est caractérisé par le fait que chaque ensemble de détection comprend au moins un détecteur à localisation linéaire selon l'axe longitudinal du corps. De préférence, le détecteur est un détecteur à gaz dont le fil d'anode est parallèle à l'axe longitudinal du dispositif; la longueur du fil est d'environ un mètre. Le régime de fonctionnement du détecteur peut se situer dans la région de compteur proportionnel; cependant, il est préférable de le faire fonctionner dans la région de Geiger Muller limitée. -3- Selon un premier mode de réalisation, au moins un des ensembles de détection comprend plusieurs détecteurs identiques, disposés en parallèle de manière à scruter le même intervalle de formation. Selon un second mode de réalisation, au moins un des ensembles de détection comprend plusieurs sous-ensembles de détection composés de plusieurs détecteurs disposés en parallèle, les sous-ensembles étant espacés selon l'axe longitudinal du corps. Selon un troisième mode de réalisation, au moins un des ensembles de détection comprend plusieurs sous-ensembles de détection composés de plusieurs détecteurs disposés en parallèle, les sous-ensembles étant placés en quinconce de manière à ce que chaque sous-ensemble recouvre partiellement le sous-ensemble adjacent. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée ci-après, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure i représente schématiquement un dispositif de mesure de subsidence selon l'invention, immobilisé dans le puits en face des repères radioactifs; - les figures 2 et 3 illustrent les histogrammes élaborés à partir des signaux obtenus respectivement par les détecteurs supérieur et inférieur; - la figure 4& représente schématiquement un mode de réalisation comprenant des sous-ensembles de détection espacés selon l'axe longitudinal du dispositif. En référence à la figure 1, un forage 1 traverse les formations géologiques 2. En préalable à des mesures de subsidence des formations géologiques, l'on implante des repères R, R'...., dans les parois latérales du forage 1 au moyen d'un dispositif à explosif, et l'on met éventuellement en place un tubage 3. Chaque repère contient une substance radioactive, par exemple une pastille de Césium 137 d'environ 100 microcuries. La distance initiale D séparant deux repères R et R' successifs est généralement située à l'intérieur d'une plage de 8,5 à 11,5 m. -4- Pour évaluer les phénomènes de subsidence, l'on effectue de temps à autre une mesure à l'aide d'un dipositif de mesure nucléaire 5 en vue d'obtenir un relevé précis de leur position et ainsi estimer l'importance du phénomène de subsidence. Le dispositif de mesure 5 est suspendu de manière classique à l'extrémité d'un câble 6 qui assure de manière connue la liaison électrique entre l'outil 5 et l'équipement de surface 7. Le dispositif de mesure 5 comprend notamment: - une section électronique 8 assurant l'alimentation électrique de l'outil et la transmission des signaux détectés vers l'équipement de surface; - au moins deux ensembles de détection 10 et 11 pour mesurer le rayonnement radioactif, tel que le rayonnement y émis par une pastille de Césium; - une entretoise 9 de longueur L connue avec grande précision et légèrement inférieure à la distance D qui sépare les repères R et- R'; et - deux sections d'ancrage 13 et 14. Selon l'invention, les ensembles de détection 10 et 11 sont des détecteurs à localisation linéaire selon l'axe longitudinal du dispositif. Parmi les différents types de détecteur à localisation linéaire existants, la demanderesse préfère utiliser un détecteur à gaz, et plus particulière- ment un détecteur à gaz dont le fil d'anode est parallèle à l'axe longitudinal de l'outil et présente une longueur de l'ordre du mètre. L'outil 5 est positionné de telle manière à ce que les détecteurs 10 et 11 soient immobilisés au regard des traceurs R et R'. Une fois l'outil 5 immobilisé, on démarre le comptage aux sorties A, B, A' et B' des détecteurs 10 et 11. La localisation du repère radioactif est effectuée selon la technique de localisation par division de charge. Selon cette technique, le rayon y incident est détecté dans la paroi du détecteur par éjection dans le gaz d'électrons rapides. Apres multiplication électronique, -5- les charges atteignent le fil d'anode au point d'impact I; l'impulsion provoquée par ces charges arrive aux extrémités du fil d'anode affaiblie dans le rapport défini par la chaine de résistances de part et d'autre du point d'impact I. Selon la technique de localisation par division de charge, on peut écrire: QB QA' A - et A' = QA + QB QA' QB' - A représentant la distance séparant le lieu d'impact d'un rayon y et l'extrémité B du détecteur 10; - L' représentant la distance séparant le lieu d'impact d'un rayon y et l'extrémité A du détecteur 11; - QA, QB, QA' et QB' représentant respectivement la charge détectée aux extrémités A et B du détecteur 10, et A'et B' du détecteur 11. Pour l'ensemble des mesures élémentaires A1, A2, an, on construit un histogramme (figure 2) de la position du lieu d'impact des rayons y émis par le repère R et détectés par le détecteur 10 et on détermine la position du pic de l'histogramme selon une des techniques classiques connues. La position de ce pic définit la distance longitudinale d qui sépare le repère R de l'extrémité B du détecteur 10. De même, pour l'ensemble des mesures élémentaires A'1, A'2,... A'n' on construit un histogramme (figure 3) de la position du lieu d'im- pact des rayons y émis par le repère R' et détectés par le détecteur 11 et on détermine la position du pic pour définir la distance longitudinale d' qui sépare le repère R' de l'extrémité A' du détecteur 11. On en tire la distance D séparant les deux repères radioactifs: D d + L+ d' Une description détaillée de cette technique de localisation par division de charge se trouve dans l'article intitulé "One Meter Singlewire Position Sensitive Proportional Counter For Low Ionization -6Particles", de M. Matoba, K. Tsuji, K. Marubayashi et T. Shintake, paru en 1979 dans la revue No. 165 de "Nuclear Instruments and Methods" aux pages 469-476. Cet article décrit également un mode de réalisation du circuit électronique de comptage associé au détecteur à gaz. Le détecteur de l'article de M. Matoba et al discuté ci-dessus, fonctionne dans la région de compteur proportionnel. Il est cependant préférable de faire fonctionner les détecteurs dans une région qui présente un facteur de multiplication électronique supérieur, c'est-à- dire tout en maintenant l'avalanche électronique auto-extinguible en régime continu; ce régime de fonctionnement est connu sous le nom de régime de Geiger Muller limité ou encore en anglais sous le sigle SOS ou "Self-Quenching Streamer Mode". Les avantages de ce régime de fonctionnement sont amplement décrits dans l'article intitulé "Characteristics of the Self-Quenching Streamer Mode in a Gas Counter", signé par H. Kametani et al, paru dans Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23, No.12 de décembre 1984. De préférence, les détecteurs sont fixés sur un chassis modulaire 9 formé des éléments 12a, 12b et 12c assemblés en 15 et 16. Ce chassis 9 est en invar de manière à réduire l'erreur liée à la dilatation thermique du chassis. D'autre part, on évite les déformations du chassis sous l'influence de la dilatation de l'enveloppe extérieure de l'outil en permettant au chassis de flotter à l'intérieur de l'enveloppe selon son axe longitudinal. En outre, il est préférable d'immobiliser le dispositif de mesure nucléaire 5 en face des repères radioactifs R et R' à l'aide de sections d'ancrage 13 et 14 par exemple, un mode de réalisation de ces sections d'ancrage étant décrit dans le brevet US-4,125,013; en effet, tout mouvement de l'outil tel que les oscillations faibles induites par la remontée des fluides dans un puits en production, a pour effet d'aplatir l'histogramme et par conséquent de déteriorer la précision avec laquelle le pic de l'histogrammme est déterminé. -7- Pour améliorer le rendement global de détection des rayons y, il est d'autre part souhaitable que chaque ensemble de détection comprenne plusieurs détecteurs à gaz montés en parallèle de manière à scruter simultanément la même portion de formation; de préférence, ils sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal de l'outil. En mesurant la distance D qui sépare les repères radioactifs en fonction du temps écoulé à partir de la mise en place des repères, l'on obtient les indications désirées concernant un éventuel compactage des formations qui se situent entre les deux repères. -Il faut tout particulièrement souligner une différence essentielle avec les techniques de mesure utilisées jusqu'à présent; selon l'invention, la mesure est faite en statique, c'est-à-dire que la mesure de radioactivité est effectuée dans une position immobile de l'outil, tandis que dans les techniques antérieures, la mesure est dynamique, c'est-à-dire que la mesure est effectuée en cours de déplacement de l'outil. La mesure statique présente notamment l'avantage d'éviter les erreurs liées à l'accélération de l'outil en cours de déplacement. Compte tenu du fait que le repère radioactif se trouve à une distance d'environ 15 cm du détecteur, la dispersion spatiale du rayonnement y entrainera un aplatissement du pic de radioactivité enregistré. Il est par conséquent nécessaire d'effectuer la mesure pendant une durée relativement longue (une ou plusieurs heures) pour obtenir une courbe de distribution régulière. Les essais effectués par le demandeur montrent que le pic présente typiquement une largeur de 0,4 m à la mi-hauteur du pic. Ceci a pour conséquence de réduire de manière sensible la plage utile du détecteur; pour un détecteur de 1 m, la plage utile n'est que de 0,6 m. Pour une entretoise de longeur L de 9 m, l'outil pourra donc travailler dans une plage utile de la distance D située entre 9,40 et ,60 m. -8- Toutefois, il se peut que cette plage utile soit insuffisante du fait qu'il est relativement fréquent. comme mentionné auparavant, que la distance D séparant deux repères successifs soit située dans une plage plus importante, à savoir une plage. de 8,50 m à 11,50 m par exemple. Une première solution consiste à utiliser des détecteurs à gaz de plus grande longueur, 2 m par exemple; cependant, cette solution pose des problèmes quant à la tenue en température du détecteur et à sa résolution. Une seconde solution consiste à faire appel à un jeu d'entretoises de différentes longueurs. Cette solution qui à première vue semble acceptable, peut toutefois présenter un inconvénient, à savoir l'immobilisation du puits de production pendant une durée relativement importante du fait qu'il est nécessaire d'effectuer plusieurs descentes avec le dispositif de mesure. Une troisième solution consiste à équiper au moins une extrémité de l'entretoise avec plusieurs détecteurs à gaz. En référence à la figure 4 qui illustre un mode de réalisation, l'extrémité inférieure par exemple de l'entretoise est équipée de plusieurs sous-ensembles 110, 111 et 112 de détection espacés longitudinalement selon l'axe de l'outil. L'autre extrémité de l'entretoise est équipée d'un sous-ensemble 100 de détection. Chacun des sous-ensembles 100, 110, 111 et 112 comprend plusieurs détecteurs en parallèle. Compte tenu du fait que la plage utile de chaque sous-ensemble de détection est limitée à 80 cm par exemple, il est possible, grâce à la multiplicité des combinaisons entre sous-ensembles et à leur disposition judicieuse, d'obtenir une plage utile de l'outil plus importante et continue à la fois. Dans l'exemple de la figure 4, les trois sousensembles 110, 111 et 112 de détection présentent chacun une longueur de 1 m et sont respectivement espacés de 20 cm; le sous-ensemble 100 de détection présente également une longueur de 1 m et l'entretoise qui sépare les sous-ensembles 100 et 110 a une longueur de 7,80 m. L'on obtient ainsi trois plages contiguës de 1,20 m chacune, ce qui permet de couvrir une plage utile allant de 8,20 m à 11,80 m. ú636436 --9-- Naturellement, la description de cette disposition n'est donnée qu'à titre illustratif; d'autres arrangements de ce type peuvent être envisagés sans pour autant déborder du cadre de la présente invention. Plus particulièrement, on peut envisager que chacun des ensembles de détection soit composé de plusieurs sous-ensembles, ou encore que les sous-ensembles soient disposés en quinconce de manière à se chevaucher partiellement et obtenir ainsi un ensemble de détection qui couvre en continu un intervalle de formation plus grand. -10- REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer la subsidence des formations souterraines traversées par un forage dans les parois duquel on a préalablement implanté au moins deux repères radioactifs espacés selon l'axe longitudinal du forage, le procédé consistant à introduire dans le forage un dispositif de mesure comprenant au moins deux ensembles de détection nucléaire espacés selon l'axe longitudinal dudit dispositif, la distance séparant lesdits ensembles de détection étant connue et sensiblement égale à la distance séparant les repères radioactifs, caractérisé par le fait que: - l'on immobilise ledit dispositif dans le forage de manière à ce que chacun desdits ensembles soit placé au regard du repère radioactif correspondant, chacun desdits ensembles comprenant au moins un détecteur à localisation linéaire selon l'axe longitudinal dudit dispositif, et - l'on effectue les mesures de localisation des repères radioactifs tout en maintenant le dispositif immobile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on maintient le dispositif immobile à l'aide d'au moins une section d'ancrage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le détecteur est un détecteur à gaz. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le détecteur est un détecteur à gaz dont le fil d'anode est aligné avec l'axe longitudinal du dispositif, la localisation de chaque repère étant obtenue selon la technique de division de charge. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la localisation inclut l'élaboration d'un histogramme de la position du lieu d'impact des rayons émis par le repère radioactif par rapport au détecteur à localisation linéaire correspondant. -11- 6. Dispositif pour mesurer la subsidence des formations souterraines (2), ledit dispositif (5) étant formé d'un corps allongé comprenant au moins deux ensembles de détection nucléaire (10, 11) espacés selon l'axe longitudinal du corps, caractérisé par le fait que chaque ensemble de détection comprend au moins un détecteur à localisation linéaire selon l'axe longitudinal du corps. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit détecteur à localisation est un détecteur à gaz. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit détecteur est un détecteur à gaz dont le fil d'anode est aligné avec l'axe longitudinal du corps. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la longueur de ladite anode est d'environ un mètre. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que le régime de fonctionnement du détecteur se situe dans la région de compteur proportionnel. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que le régime de fonctionnement du détecteur se situe dans la région de Geiger Muller limitée. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait que chaque ensemble de détectiQn. comprend plusieurs détecteurs à localisation identiques, disposés en parallèle selon l'axe longitudinal du corps de manière à scruter le même intervalle de formation. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait qu'au moins un des ensembles de détection comprend plusieurs sous-ensembles de détection composés de plusieurs détecteurs à gaz à localisation identiques, disposés en parallèle selon l'axe longitudinal du corps, les sous-ensembles étant également espacés selon l'axe longitudinal du corps. -12- 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait qu' au moins un des ensembles de détection comprend plusieurs sous-ensembles de détection composés de plusieurs détecteurs à gaz à localisation, disposés en parallèle selon l'axe longitudinal du corps, les sous-ensembles étant placés en quinconce selon ledit axe longitudinal de manière à ce que chaque sous-ensemble recouvre partiellement le sous-ensemble adjacent. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé par le fait qu'il est en outre équipé d'au moins une section d'ancrage (13, 14).