Brevet FR2650677A1 — publié le 19910208

DESCRIPTION La présente invention concerne une sonde pour carottage électrique permettant de réaliser des diagraphies d'imagerie de puits en améliorant considérablement les performances des outils actuels et en ouvrant la possibilité à d'autres applications. Afin de mieux comprendre la nouveauté et les améliorations de la sonde objet de l'invention, nous rappellerons d'abord brièvement les principes des diagraphies d'imagerie et les problèmes rencontrés par les systèmes actuels. Après description de la sonde objet de l'invention, nous analyserons en quoi son principe résout ou améliore les problèmes posés par les produits disponibles aujourd'hui et quels sont les autres développements qui peuvent en être attendus. Les informations et descriptions qui suivent sont données à titre d'exemples indicatifs non limitatifs. Le terme générique "carottage électrique" ou "diagraphie électrique" ou encore "log", désigne l'enregistrement en continu de paramètres physiques des formations rencontrées en cours de forage, en fonction de la profondeur. La diagraphie d'imagerie est un nouveau concept permettant à partir de mesures individuelles usuelles - actuellement mesures acoustiques ou microrésistives - de présenter selon un développé de la paroi du puits en fonction de la profondeur, la réponse de cette paroi à une mesure physique, cette mesure ayant une définition verticale et horizontale de l'ordre du centimètre (au lieu de plusieurs dizaines de centimètres pour les diagraphies courantes) (voir figure 1). Cette représentation, par ailleurs orientée dans l'espace, constitue donc une image artificielle des formations rencontrées. Sa mise en oeuvre nécessite pour l'essentiel: Une investigation, à l'aide du paramètre mesuré, permettant la couverture maximale de la paroi du puits; À Des moyens de repérage dans l'espace; 30. Un traitement de chaque mesure représentant l'amplitude de ce paramètre sous forme d'une couleur ou d'un dégradé de gris; par exemple les fortes résistivités en blanc et les très faibles en noir. L'amplitude d'une onde sonore, émise par un capteur, après réflexion par la paroi du puits peut être traitée de la même façon. Le brevet 82 14348 décrit un dispositif pour la présentation visuelle de résultats de mesure pouvant s'appliquer à ce type de traitement. Il est évident que pour être représentatives des formations rencontrées, ces mesures doivent investiguer un pourcentage maximal de la paroi du puits. L'imagerie acoustique réalisée à partir d'un capteur tournant servant d'émetteur et de récepteur ne pose pas, mécaniquement, de problème. La densité des informations reçue ne dépend que de paramètres contrôlables: 2 - vitesse de rotation vitesse ascensionnelle nombre de scrutations par tour. Il en est ainsi de toute autre mesure réalisée à partir d'un capteur tournant. Par contre toute mesure nécessitant la mise en contact de capteurs ou de patins sur la paroi du puits pose des problèmes mécaniques rappelés ciaprès. Nous illustrerons cette application en utilisant l'exemple d'électrodes de microrésistivité. Pour réaliser ce contact, les sondes utilisent habituellement des patins rigides ou semi rigides constituant un côté d'un parallélogramme, le côté opposé étant défini & ses extrémités par deux articulations situées sur le corps de sonde selon la figure 2. La couverture de la mesure dépend donc de la taille des patins, de leur nombre et du diamètre du forage. Par ailleurs, la descente l'outil dans le puits, avant la mesure, impose qu'en position repos, patins repliés, ceux-ci soient contenus à l'intérieur du diamètre du corps de sonde. Dans le cadre d'une application courante, la couverture d'une sonde de diamètre extérieur 4" 1/2, par exemple, dans un trou en 8" 1/2 (standards pétroliers équivalant respectivement à 114,3 mm et 216 mm) ne dépasserait pas 40 %; elle ne serait plus que de 28 % dans un puits en 12" 1/4 (311 mm). Cette contrainte oblige les opérateurs à réaliser plusieurs enregistrements afin, l'outil ayant si possible tourné entre deux mesures, d'obtenir une couverture de la paroi suffisante. L'objet du brevet 87 02973 (sonde de diagraphie à large champ angulaire) est de doubler la couverture de la sonde usuelle "mécanique" en permettant l'implantation, & l'extrémité de chaque bras articulé, de deux volets latéraux de mesure disposés de part et d'autre d'un axe parallèle à l'axe de la sonde et décalés en hauteur, pour pouvoir les positionner sur le corps de sonde. Cette implantation permettrait d'obtenir 100 % de couverture dans une puits en 7" (non standard en trou ouvert) et seulement 82 % en 8" 1/2 avec une sonde de " de diamètre extérieur. Cela conduit par ailleurs à une mécanique complexe et, en conséquence, onéreuse. L'invention objet de la présente demande concerne la sonde elle même, son principe de déploiement et de réalisation et aucunement l'électronique associée aux différentes mesures qui a déjà été développée pour ce type d'application. Les électrodes ou les transducteurs équipant la section de mesure sont montés selon une distribution hélicoïdale sur une enveloppe semi-rigide constituant le corps de sonde (voir figures 3 et 4). Dans la réalisation préférée de l'invention, le déploiement se fait par mise en pression du fluide à l'intérieur de l'enveloppe étanche, contrôlé par un système mécanique assurant aux secteurs de mesure une géométrie connue en fonction du diamètre extérieur du cylindre sur lequel sont positionnées ces hélices. L'élasticité radiale, nécessaire au déploiement, est obtenue par l'intermédiaire de "soufflets" pouvant être disposés conformément aux figures précédentes. Par ailleurs la section disponible entre ces "soufflets" et la paroi du puits permet le passage du fluide de forage lors de la remontée de la sonde en cours mesure. Les parties supérieures et inférieures des zones de mesure de l'enveloppe peuvent être protégées pour éviter d'accrocher en descendant la sonde ou, en cours de mesure, en remontant. Cette protection peut-être obtenue, par exemple par un système de "pétales" se chevauchant plus ou moins en fonction du diamètre, comme représenté sur les figures 3 et 4. La matière du corps de sonde peut-être un élastomère résistant bien à l'abrasion, aux huiles, à la chaleur. On peut de plus envisager de recouvrir les seules zones en contact direct avec la paroi du puits - en dehors des électrodes - d'une faible épaisseur de matière résistant particulièrement à l'abrasion. L'ensemble des électrodes ou des transducteurs peut être moulé dans la matière du corps de sonde selon des techniques bien connues et déjà en vigueur. En variante, la matière de ces électrodes pourrait être un élastomère conducteur. Les segments hélicoïdaux de mesure peuvent être réalisés en un ou plusieurs éléments en fonction du déploiement à obtenir, (voir figure 5), la seule contrainte étant de connaître à tout moment la géométrie de ces éléments de mesure en fonction du diamètre déployé. Le calcul théorique de recouvrement tient compte d'un déplacement linéaire ascendant, sans rotation de la sonde dans le forage, ce qui est rarement le cas. Les contraintes régissant ce problème de rotation ont deux origines: contrainte existant dans le câble entre les deux couches de torons, assurant la liaison mécanique; 30. contrainte due aux éléments d'hélice eux-mêmes et tendant - en l'absence de force s'y opposant - à faire tourner la sonde selon leur pas propre. Au cas o ce dernier effet serait prépondérant, des empreintes ayant une direction opposée à celle de l'hélice peuvent être moulées entre les zones de mesure pour s'opposer à cette action. Signalons que le brevet 87 02515 - dispositif et procédé de détection électrique de fractures - utilise une électrode tournante, mais ne touchant pas la paroi, située sur la sonde et décrivant ainsi le forage selon un mouvement hélicoïdal. La détermination du diamètre peut être faite de plusieurs façons selon le degré de précision souhaité: avec la technique bien connue utilisant un potentiomètre dont le curseur se déplace en fonction du déploiement donc du diamètre; en mesurant le temps de parcours d'une onde acoustique entre l'instant de son émission et sa détection par le même capteur,-après réflexion par un réflecteur approprié, placé à l'intérieur de la-sonde. La vitesse du son dans le fluide à l'intérieur de la sonde étant parfaitement connue, ainsi que l'épaisseur de matière entre la paroi du puits et la surface interne du réflecteur, le rayon peut être déterminé en permanence. On peut multiplier le nombre de réflecteurs et utiliser un capteur rotatif pour connaitre la géométrie du puits en détail. Cette technique par rapport à l'utilisation 'de l'onde réfléchie par la paroi permet d'obtenir une amplitude beaucoup plus importante et, par ailleurs, indépendante de la lithologie. Comme il a été dit précédemment, la géométrie de la sonde étant connue en fonction du diamètre, la position des électrodes ou des transducteurs par rapport à des références fixes de la sonde, est connue en permanence. La sonde comporte les moyens mécaniques nécessaires à un repli régulier. Une solution est décrite à titre d'exemple non limitatif sur la figure 6. Un ensemble de rappel entre les soufflets et lame intérieure de la sonde permet une position d'équilibre des soufflets entre cette tension de rappel et le différentiel de pression existant entre l'intérieur de la sonde et le puits. La position de la sonde dans l'espace est connue grâce à un module de navigation, constitué par exemple d'un accéléromètre 3 axes et d'un magnétomètre 3 axes ou d'un gyromètre 3 axes, dont les principes et l'utilisation sont parfaitement connus. Cette sonde, comme nous venons de le voir, résout en priorité le problème de recouvrement de la paroi du puits par des mesures de microrésistivité ou toute mesure utilisant des capteurs en contact avec cette paroi. Cependant le principe de cette sonde permet d'autres applications ou améliorations de diagraphies d'imagerie. L'imagerie acoustique est réalisée dans la configuration décrite sur la figure 7. Le cheminement de l'onde acoustique est le suivant: passage dans le fluide du corps de sonde, À passage au travers de la gaine de l'outil, 30. passage dans le fluide de forage, réflexion sur la paroi, passage dans le fluide de forage, passage au travers de la gaine de l'outil, passage dans le fluide du corps de sonde, 35. détection par le capteur. L'amplitude de l'onde détectée par le capteur peut-être altérée par divers paramètres: contrastes entre les diverses impédances acoustiques des matériaux ou fluides traversés: fluide de la sonde / gaine, gaine t fluide de forage etc... densité de la boue et particulièrement présence de microparticules solides qui contribuent de façon prépondérante à l'affaiblissement du signal acoustique. excentration de l'outil dans le trou. L'objet du brevet 87 16250 "Appareil de production d'images des trous de sonde" est justement d'atténuer les problèmes liés à la qualité de la boue, mais sans rien changer de la conception de la sonde décrite sur la figure 7. L'utilisation d'une sonde similaire dans le principe de déploiement à celle décrite précédemment mais utilisant, comme fluide interne et comme matériau des secteurs de mesure hélicoïdaux, des constituants choisis notamment en raison de leur impédance acoustique appropriée, permet de s'affranchir de la contrainte due à la qualité de la boue et de diminuer fortement l'incidence des autres (contrastes des impédances acoustiques...). Une des adaptations possibles mais non limitative, de cette application est représentée sur la figure 8. L'incidence de l'excentration de la sonde sur la mesure d'amplitude pouvant être calculée, la mesure de la position de la sonde conformément au principe expliqué précédemment, permet, après traitement en surface de la mesure par l'algorithme correspondant de restituer l'amplitude corrigée. Rien n'empêche alors, en dehors de la densité d'informations à remonter en surface, de coupler sur la même sonde différentes mesures d'imagerie: par exemple acoustique et microrésistive. La géométrie générale de la sonde demeure inchangée, la partie supérieure étant réservée à un type de mesure et la partie inférieure à un autre. Enfin ce type de sonde peut aider à résoudre le problème de la caméra de puits en milieu opaque (la boue de forage) qui interdit son utilisation en dehors des forages d'eau et de géothermie basse énergie. Les segments hélicoïdaux de mesure sont alors constitués d'un élastomère transparent ou tout autre matériau similaire - choisi pour réaliser un bon couplage optique avec le fluide présent à l'intérieur de la sonde. La caméra CCD de puits, dont la technique est bien connue, peut être orientée radialement selon 360Q de liberté, son axe de rotation étant déplaçable axialement pour pouvoir investiguer sur toute la hauteur de la fenêtre. Ce type de mesure est, en général, réalisé de façon stationnaire et la sonde est repliée entre chaque station. Un nettoyage des parois à l'aide de "gratteurs" appropriés, avec le train de tiges peut être réalisé avant les mesures. Dernier avantage et non des moindres, quelle que soit l'application de cette sonde, celle-ci, étant donné son principe et les matériaux mis en oeuvre pour sa réalisation, est extrêmement légère en regard des sondes usuelles. En terme de mesures ceci signifie: meilleure application des segments de mesure, meilleur centrage de la sonde dans des puits déviés, diminution de l'effet de "YO-YO" de la sonde: déplacement non linéaire d à un effort de friction des patins variable. -26 5 0677 -6- REVENDICATIONS 1/ Principe de sonde améliorant les diagraphies d'imagerie de puits et permettant d'obtenir une bonne couverture de la paroi de forage par un faisceau d'électrodes, caractérisé en ce qu'elle est constituée d'une enveloppe moulée & partir d'un matériau type élastomère et réalisée de telle sorte que, en position repos - non déployée -, la forme extérieure soit celle d'un cylindre, et que la partie mesure de celle-ci, constituée d'éléments d'hélices, séparés par des "soufflets" et contenant les faisceaux d'électrodes, moulés en même temps que la sonde dans le matériau, puisse se déployer - sous l'effet de la pression d'un fluide à l'intérieur de la sonde ou d'un système mécanique - pour épouser la paroi du puits tout en laissant un passage suffisant à la boue de forage lors de la remontée de la sonde en cours de mesure. 2/ Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les éléments d'hélice constituant la partie mesure peuvent contenir, au lieu d'électrodes utilisées pour des mesures microrésistives, tout type de capteur utilisable pour les diagraphies et nécessitant son contact avec la formation à investiguer. 3/ Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les électrodes peuvent être réalisées avec un élastomère ou matériau similaire conducteur. 4/ Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que des réflecteurs acoustiques peuvent être placés de façon régulière à l'intérieur des éléments de mesure de la sonde et permettre grâce à un capteur acoustique dont l'onde est réfléchie par chacun de ces réflecteurs de connaître parfaitement la géométrie du puits. 5/ Dispositif selon revendications 1 et 4 caractérisé en ce que les réflecteurs sont situés à l'intersection de chaque demi-soufflet et orientés de telle façon que la perpendiculaire au plan de ces réflecteurs passe par le capteur, quel que soit le déploiement. 6/ Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les surfaces de mesure, en dehors des électrodes peuvent être recouvertes d'une faible épaisseur d'un matériau résistant bien à l'abrasion sans nuire à la souplesse nécessaire. 7/ Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que ce type de sonde peut être adapté aux mesures ultrasoniques en supprimant les électrodes et choisissant le matériau ainsi que le fluide présent à 1' intérieur de la sonde de façon à permettre un bon couplage acoustique et s'affranchir des problèmes liés à la qualité de la boue. 8/ Dispositif selon revendications 1 et 7 caractérisé en ce que le matériau des zones de mesure est transparent et associé par ailleurs à un fluide à l'intérieur de la sonde permettant un bon couplage optique, rendant ainsi possible l'utilisation d'une caméra de puits même en présence de boue opaque. 9/ Dispositif selon revendication 1 et 2 caractérisé en ce que la zone de mesure de chaque élément d'hélice n'est pas continue mais constituée de deux, trois ou plus sous-éléments donnant ainsi plus de souplesse pour mieux suivre les rugosités et déformation du puits. / Dispositif selon revendications 1, 7 et 8 caractérisé en ce que la même sonde peut réaliser en même temps différentes mesures d'imagerie en fractionnant la hauteur de la sonde en différentes parties, chacune réservée et adaptée à un type de mesure.