Brevet FR2652911A1 — publié le 19910412

La présente invention concerne un procédé permettant de déterminer l'aimantation rémanente des roches traversées par un trou de forage afin de localiser les zones d'inversion du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre est actuellement orienté vers le nord, mais au cours des temps géologiques, il a basculé un grand nombre de fois entre le nord et le sud. Les roches possèdent une aimantation qui peut être décomposée en deux termes: une partie est induite par le champ magnétique terrestre et est appelée aimantation induite; l'autre partie correspond à la mémorisation du champ magnétique terrestre au moment du dép8t et/ou de la formation des roches et est dans la direction et le sens de ce champ magnétique terrestre; cette dernière fraction est appelée aimantation rémanente. On peut considérer que les inversions du sens de l'aimantation rémanente détectées au cours d'un forage dans les couches rocheuses successives, reflètent fidèlement les inversions de sens du champ magnétique terrestre qui se sont produites entre les époques o les couches se sont déposées. La détection des inversions permet donc de dater les roches. Dans le domaine du forage de puits pétroliers, la connaissance de l'âge des roches est de la plus grande importance puisqu'elle permet d'établir une corrélation entre les couches. On connaît déjà des procédés de détection des inversions du champ magnétique terrestre. Le procédé le plus commun consiste à prélever une multitude d'échantillons de roches le long du trou de forage, à les remonter à la surface et à en effectuer en laboratoire une analyse magnétique en vue de déterminer leur aimantation rémanente. Mais cette procédure est longue et coûteuse et de plus, les échantillons acquièrent, lorsqu'ils sont remontés à la surface, un magnétisme parasite influencé par le magnétisme terrestre et par le changement de température. C'est pourquoi, on a créé par le passé toute une famille de sondes de mesures magnétiques appelées magnétomètres ou magnétogradiomètres qui permettent de déterminer in situ le magnétisme des roches à mesure que ladite sonde se déplace dans le trou de forage, celle-ci étant reliée à une unité de traitement de données disposée à la surface. Lorsqu'on opère sur des roches fortement aimantées, l'induction créée dans le puits par l'aimantation rémanente est suffisamment importante pour être détectée directement. Mais dans le domaine des sondages pétroliers, les roches en présence sont très faiblement aimantées, à de rares exceptions près. Or il est nécessaire de connaître la valeur de l'induction magnétique avec une grande précision. Les inductions en jeu étant de l'ordre de 1 à 10 nanoteslas (nT), il est souhaitable de les connaître avec une précision inférieure au nT. Il existe des magnétomètres triaxiaux très précis qui permettent de déterminer l'induction magnétique par restitution à partir des trois composantes, mais le manque de précision de la technique rend difficile l'opération dans le domaine des forages pétroliers. Ce manque de précision n'est pas lié aux caractéristiques intrinsèques du magnétomètre, mais plutôt au procédé de détection. Par le brevet US 4 071 815, on connaît un procédé de détection des inversions du champ magnétique qui consiste à effectuer deux mesures simultanées du champ magnétique total B1 et B2 dans le trou de forage en deux points distincts, et deux mesures de la susceptibilité magnétique terrestre X1 et X2 aux mêmes points, à calculer les différences dif B= B1 - B2 et dif X= X1 - X2 et à calculer enfin la quantité R= dif B- dif X qui est représentative de la fraction d'aimantation rémanente présente dans la roche au niveau de ces deux points. Ce procédé connu est valable, mais il souffre d'un manque d'optimisation qui permettrait d'exploiter la grandeur R qui, comme on l'a indiqué cidessus, ne contient qu'une fraction de l'information sur l'aimanta- tion rémanente. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des procédés de la technique antérieure exposée ci-dessus. Elle concerne un procédé de relevé de mesures du champ magnétique dans un puits de forage, ainsi que le traitement de ces mesures en vue de déterminer de façon concrète les zones à polarités inverses et normales traversées par le trou de forage. Une zone à polarité normale est une zone o l'aimantation rémanente dans la roche est orientée dans le même sens que le champ magnétique terrestre actuel et inversement dans une zone à polarité inverse, l'aimantation rémanente de la roche est déphasée de 180 par rapport au champ magnétique terrestre actuel. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il consiste: - à mesurer les variations de l'induction magnétique terrestre B1 en un grand nombre de points tout le long du trou de forage par remontée en continu d'un appareil de mesure et simultanément les variations de l'induction magnétique B2 en un point fixe situé à la surface du sol, ainsi que celles de la susceptibilité magnétique X des roches en un grand nombre de points tout le long du trou de forage par remontée en continu de l'appareil de mesure; - à former la grandeur B1-B2 afin d'éliminer les influences des variations temporelles du champ magnétique terrestre sur l'induction magnétique B1 mesurée dans le trou; - à effectuer un filtrage de ladite grandeur afin d'éliminer la fraction d'induction due aux sources magnétiques lointaines, et d'isoler ainsi la fraction restante d'induction BL qui comprend une composante BI due à l'aimantation induite et une composante BR due à l'aimantation rémanente; - à déduire des mesures de l'induction B1 et de la susceptibilité magnétique X, l'induction BI; - et enfin à déduire des inductions BL et BI ainsi obtenues, l'influence des changements d'orientation de l'aimantation rémanente. L'invention concerne également un dispositif permettant d'effectuer le traitement des informations obtenues sur les inductions BL et BI en vue d'en déduire le sens de l'aimantation rémanente. La méthode de détection des inversions de l'aimantation rémanente sera expliquée à présent plus en détail dans la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente sur le même schéma des exemples de courbes de variations de l'induction BL et de l'induction BI en fonction de la profondeur z; Les figures 2a, 2b et 2c illustrent un premier procédé de détection des inversions de l'induction rémanente par translation de chaque pic de la courbe de l'induction BI de la figure 1 pour l'amener en superposition avec le pic correspondant de l'induction BL; La figure 3 représente un exemple de diagramme résumant les résultats obtenus dans un trou de forage; La figure 4 illustre un second procédé de détection des inversions de l'induction rémanente par calcul de la dérivée des inductions BL et BI et comparaison des pentes moyennes des évolutions de BI et de BL sur des échelles de profondeur variables; Les figures 5a et 5b représentent schématiquement les appareils de mesure, et leur position. Comme on l'a expliqué précédemment, on mesure d'une part l'induction magnétique terrestre B1 et la susceptibilité magnétique X le long du trou de forage et d'autre part l'induction magnétique B2 à la surface du sol. On sait que l'induction B1 est de la forme: Bi= B0 + BL + BT o B0 est l'induction liée aux influences magnétiques lointaines, BL est l'induction liée aux influences magnétiques proches (aimantation induite et aimantation rémanen- te), BT est l'induction liée aux variations temporelles du champ magnétique terrestre. Il va de soi que l'induction B2 à la surface est de la forme B2 = BT, étant donné que l'influence des sources lointaines et des sources proches est négligeable. La première opération de traitement en surface consiste à isoler le paramètre BL. On calcule pour cela: B1 - B2 = B0 + BL + (BT - BT,) Pour des roches faiblement conductrices, ce qui est le cas dans le domaine géologique pétrolier, on peut identifier BT et BT, sans dégradation des résultats jusqu'à une profondeur de 2000 mètres. Au delà, il est nécessaire de considérer l'atténuation créée par les couches susjacentes. En raison de ses origines, l'induction B0 possède des variations de plus grande longueur d'onde que l'induction BL. Grâce à un filtrage approprié, on peut donc séparer convenablement BL et Bo. On dispose donc ainsi de BL et ceci avec une grande précision. On rappelle que l'information contenue dans la grandeur BL concerne en partie l'aimantation induite BI et pour une autre partie l'aimantation rémanente BR. D'autre part, de la mesure de B1 on peut déterminer avec une grande précision l'induction Bi créée par l'aimantation induite des roches traversées par le trou de forage par la formule: BI = X B2 k o k est le facteur de couplage entre X et l'induction dans le puits, dépendant de la géométrie de la formation et du puits. A partir de ce stade, deux techniques peuvent être mises en oeuvre pour détecter les inversions de l'aimantation rémanente, ces techniques s'appuyant sur des arguments théoriques et expérimentaux. L'une de ces techniques consiste à tracer les diagraphies de BL et BI (en nT) en fonction de la profondeur z (en m). La figure 1 représente un exemple de ces diagraphies. Comme on le constate, les pics et les creux de BL et BI ont une périodicité déterminée (de l'ordre du mètre par exemple). Un pic est déterminé comme correspondant à une augmentation de l'aimantation dans la formation. Pour chacun des pics, on prend comme origine de la courbe BL, le point A o l'induction est la plus faible, et comme origine de la courbe BI, le point correspondant A' à la même profondeur. On fait subir à la période de courbe BI une translation AA', ce qui amène donc le point A' en coincidence avec A. Plusieurs configurations peuvent alors se présenter, dont on ne considérera ciaprès que quelques exemples avec les interprétations qui en découlent pour une configuration des champs magnétiques identique à celle rencontrée dans le Bassin Parisien. Il est à noter que pour d'autres configurations des champs magnétiques, rencontrées dans d'autres parties du globe, les interprétations seront différentes mais basées sur le même principe d'analyse des courbes. 1- La courbe BI se trouve au-dessus de la courbe BL (figure 2a): l'augmentation de BI est atténuée par BR. La partie rémanente BR comprise dans BL est donc antagoniste de BI; l'aimantation rémanente dans la formation est opposée à l'aimantation induite. On dit que l'aimantation rémanente est inverse. 2- La courbe BI translatée est confondue avec la courbe BL (figure 2b): il y a indétermination sur la direction de BR. 3- La courbe BI translatée est en dessous de la courbe BL (figure 2c), ce qui signifie que l'augmentation de BI est renforcée par BR. Il en résulte que l'aimantation rémanente dans la formation est dans le sens de l'aimantation induite. On dit que l'aimantation rémanente est normale. On procède de la même façon pour chaque pic des diagraphies BL et BI. Tous les résultats obtenus peuvent être ensuite résumés dans le diagramme de la figure 3, portant la profondeur z en abscisses et le sens de BR en ordonnées. La seconde technique de détection des inversions de l'induction rémanente, consiste à partir des courbes d'induction BL et BI et à calculer les valeurs absolues des gradients ou des dérivées premières et pour une base dz appropriée. Ce calcul permet de s'affranchir des grandes variations générales de ces inductions dues à la lithologie des roches et de ne retenir que les variations locales. On obtient ainsi deux profils de courbes GBL et GBI représentées sur la figure 4. Pour chacune des courbes GBL et GBI, on calcule ensuite des familles de courbes Li et Ii paramétrées respectivement en fonction de la dérivée seconde de BL et de BI. A titre d'exemple, la courbe extrême Ln passera par les valeurs maximales de GBL; la courbe In passera par les valeurs extrêmes de GBI. On prend ensuite la valeur absolue des courbes Li et Iiet on calcule le rapport: LA titre d'exemple, on calculera le rapport des valeurs des courbes extrêmes prises en valeur absolue: Kn= n In La valeur de Ki sera supérieure à 1 ou inférieure à 1 suivant la position relative des courbes Liet Ii. Dans une configuration magnétique identique à celle rencontrée dans le Bassin Parisien, si Ki > 1, l'aimantation rémanente est du type normale (c'est-à-dire dans le sens de l'aimantation induite), si Ki différentes. On notera que la visualisation de Ki est meilleure en représentant son logarithme. La polarité de BR est déterminée en fonction du signe du log (Ki). Les mesures et calculs mentionnés précédemment sont exécutés par un dispositif de traitement illustré schématiquement par les figures 5a et 5b. Ce dispositif comprend une première sonde 10 comprenant un capteur 12 enfermé dans un conditionnement 14 pour mesurer l'induction magnétique B1 dans le trou de forage 16, à mesure qu'il se déplace dans ledit trou, un capteur 18 pour mesurer l'induction magnétique B2 à la surface du sol 21 en un point fixe de façon simultanée à la mesure de B1, une deuxième sonde 20 comprenant un émetteur 22 et un capteur 24 enfermés dans une enveloppe protectrice 26, pour mesurer la susceptibilité magnétique des roches dans le trou de forage pendant son déplacement dans le trou, et une unité d'enregistrement et de traitement de données 28 qui comprend des moyens permettant de calculer la grandeur B1-B2, des moyens de filtrage de la grandeur B1- B2 afin d'isoler la fraction d'induction BL qui ne contient que la composante BI due à l'aimantation induite et la composante BR due à l'aimantation rémanente, et des moyens permettant de calculer l'induction BI à partir de l'induction B1 dans le trou et de la susceptibilité magnétique X. Sur la figure 5b, on a figuré en traits tiretés les lignes de champ magnétique 30. Pour la mise en oeuvre de la première technique de détection exposée précédemment, on peut utiliser un dispositif comprenant des moyens pour tracer les courbes BL et BI, des moyens pour faire subir à chaque pic de la courbe BI une translation AA' qui fait coincider le point A de la courbe BI de plus faible valeur avec le point A' correspondant de la courbe BL, et des moyens pour comparer l'évolution relative des courbes BL et BI ainsi positionnées. Pour la seconde technique de détection on peut utiliser selon l'invention des moyens pour calculer les dérivées premières des inductions BL et BI, des moyens pour tracer les courbes dérivées en fonction de la profondeur (la base de profondeur pouvant être variable), des moyens pour calculer et tracer les familles de courbes Li et Ii paramétrées par la dérivée seconde des courbes BL et BI, des moyens pour prendre la valeur absolue de ces familles de courbes, et des moyens pour calculer le rapport Ki Li = f Ii et pour étudier sa valeur en fonction de la profondeur. REVENDICATIONS 1- Procédé de détection des inversions du champ magnétique terrestre dans un trou de forage, caractérisé en ce qu'il consiste: - à mesurer les variations de l'induction magnétique terrestre B1 en un grand nombre de points tout le long du trou de forage, par remontée en continu d'un appareil de mesure et simultanément les variations de l'induction magnétique B2 en un point fixe à la surface du sol (21), ainsi que les variations de la susceptibilité magnétique X des roches en un grand nombre de points tout le long du trou de forage (16) par remontée en continu de l'appareil de mesure; - à former la grandeur B1-B2 afin d'éliminer les influences des variations temporelles de l'induction magnétique terrestre sur l'induction magnétique B1 mesurée dans le trou; - à effectuer un filtrage de ladite grandeur afin d'éliminer la fraction d'induction due aux sources magnétiques lointaines, et d'isoler ainsi la fraction restante d'induction BL qui comprend une composante BI due à l'aimantation induite et une composante BR due à l'aimantation rémanente; - à déduire des mesures de l'induction B1 et de la susceptibilité magnétique X, l'induction BI; - et enfin à déduire des inductions BL et BI ainsi obtenues, l'influence des changements d'orientation de l'aimantation rémanente dans la roche. 2- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - une première sonde (10) pour mesurer l'induction magnétique B1 dans le trou de forage (16) pendant son déplacement dans ledit trou; - un capteur (18) pour mesurer l'induction magnétique B2 à la surface du sol (21) en un point fixe de façon simultanée à la mesure de B1; - une deuxième sonde (20) pour mesurer la susceptibilité magnétique des roches dans le trou de l1 forage pendant son déplacement dans ledit trou; - une unité d'enregistrement et de traitement de données (28) qui comprend des moyens permettant de calculer la grandeur B1-B2, des moyens de filtrage de la grandeur B1-B2 afin d'isoler la fraction d'induction BL qui ne contient que la composante BI due à l'aimantation induite et la composante BR due à l'aimantation rémanente, et des moyens permettant de calculer l'induction BI à partir de l'induction B1 dans le trou et de la susceptibilité magnétique X. 3Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour tracer les courbes BL et Bi, des moyens pour faire subir à chaque pic de la courbe BI une translation AA' qui fait coincider le point A de la courbe BI de plus faible valeur au point A' correspondant de la courbe BL et des moyens pour comparer les amplitudes relatives des pics correspondants des courbes BL et BI. 4- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour calculer les dérivées premières des inductions BL et Bi, des moyens pour tracer les courbes dérivées de ces inductions en fonction de la profondeur, la base de profondeur pouvant être variable, des moyens pour calculer et tracer les familles de courbes Li et Ii paramétrées par la dérivée seconde des courbes BL et Bi, des moyens pour prendre la valeur absolue de ces familles de courbes, et des moyens pour calculer le rapport Ki =I et pour étudier sa valeur en fonction de la profondeur.