Brevet FR2666661A1 — publié le 19920313

I PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE DIAGRAPHIE POUR MESURER LA RÉSISTIVITÉ DES FORMATIONS GÉOLOGIQUES L'invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer la résistivité des formations traversées par un forage, applicables en parti- culier au cas, générateur d'erreurs de mesure, o une couche conductrice se situe sous une couche de résistivité élevée et d'épaisseur importante au bas de laquelle se situe le sabot (extrémité inférieure) de tubage. Un dispositif classique dans le domaine des diagraphies de résis- tivité est le Dual Laterolog (DLT) de la société Schlumberger, décrit notamment dans les brevets français 2 128 200 (Scholberg) et 2 407 485 (Bonnet) Ce dispositif comprend une sonde suspendue à un câble électrique par l'intermédiaire d'un câble isolé, la sonde ayant une forme allongée adaptée au déplacement dans les forages La sonde comporte une électrode centrale A O émettant un courant Io dans la formation, et des électrodes de focalisation (A 1, A'1 et A 2, A'2) disposées symétriquement de part et d'autre de l'électrode centrale et destinées à produire des courants de focalisation qui assurent une pénétration radiale appropriée du courant I O dans la formation La sonde comporte aussi une ou des électrodes de mesure de potentiel M placées entre les électrodes A et A 1 ou A' Le dispositif, outre la sonde, comprend une électrode de référence de poten- tiel N située sur le câble isolé ou à son extrémité supérieure, à la jonction avec le câble, et une électrode de retour de courant B placée en surface La valeur de résistivité fournie par ce dispositif est la résis- tivité apparente: R =K M N a o 2 - o K est une constante appelée facteur géométrique, VM est le potentiel de la sonde, mesuré à l'aide des électrodes M, VN est le potentiel de réfé- rence et I O le courant émis par l'électrode A Dans le dispositif précité, le courant émis est un courant alter- natif Pour obtenir simultanément des mesures à des profondeurs d'investi- gation différentes, on utilise en fait deux fréquences différentes:-une fréquence basse ( 35 Hz) pour la mesure la plus profonde, appelée L Ld, et une fréquence plus élevée ( 280 Hz) pour la mesure moins profonde, appelée L Ls Mais la présente description ne concerne que la mesure profonde, qui seule nécessite une électrode de retour en surface. Dans des conditions particulières, la mesure de résistivité d'une formation est affectée par une erreur connue sous le nom d'effet Groningen On se référera à ce sujet au brevet US 4 335 353 (Lacour-Gayet) Cet effet se manifeste lorsqu'une couche de résistivité élevée et de forte épaisseur se situe au-dessus d'une formation plus conductrice dont on désire évaluer la résistivité Il s'explique par deux facteurs. D'une part, il existe un transfert de courant entre la formation et l'armature conductrice du câble Selon la théorie des lignes de trans- mission, le transfert vers l'armature du câble s'effectue sur une longueur caractéristique Lc égale à Lc=(R s/Rc)k, Rs étant la résistivité de la formation située autour de l'armature du câble, et Rc la résistance du câble par unité de longueur On constate que la longueur caractéristique Lc est grande si la résistivité Rs de la formation à la hauteur de l'armature est élevée Concrètement, la présence de l'armature a pour effet de déformer les équipotentielles qui, au lieu d'être orthogonales au forage, s'inclinent vers le forage Il en résulte que le potentiel de l'électrode de référence N, au lieu d'être égal au potentiel d'une zone de formation située au même niveau, et à une distance importante du forage dans la direction radiale, correspond au potentiel à un niveau moins pro- fond (plus proche de la surface), décalé d'une longueur Lc par rapport au niveau de l'électrode de référence. D'autre part, les lignes de courant vers la surface sont concen- trées, à cause de l'effet de peau, dans un cylindre centré sur le câble. Ce cylindre est analogue à un câble coaxial et présente une résistance Re par unité de longueur indépendante de la résistivité de la formation Il en résulte une chute de potentiel par unité de longueur AV = Re IT' IT 3 étant le courant total émis par le dispositif La longueur à considérer étant la longueur caractéristique L sus-mentionnée, l'erreur sur le potentiel de référence est 6 V.L = Re IT(R /R) et l'erreur de mesure qui en résulte est àa = K R (IT/Io) (Rs/Rc)')' Avec des valeurs typiques pour les différents paramètres, on trouve R 0,01 R '12 a s On observe que l'erreur peut devenir notable, lorsque la résisti- vité R de la couche entourant l'électrode de référence N est élevée s l'erreur est de l'ordre de 1 ohm-m avec une résistivité R de l'ordre de s 10000 ohm-m Par conséquent, si la formation au niveau de la sonde est conductrice (par exemple si la résistivité apparente Ra est de l'ordre de 1 ohm-m), on aboutit à une erreur relative àRa/Ra très importante. Le brevet US 4 335 353 sus-mentionné expose une technique pour corriger cette erreur, qui repose sur la mesure de la composante du poten- tiel en quadrature par rapport au courant total IT' Cette méthode donne satisfaction lorsque la couche de résistivité élevée se situe loin de la section tubée du forage. Cependant, cette méthode est insuffisante lorsque le forage com- porte une section munie d'un tubage et que le sabot de tubage (c'est-à-dire l'extrémité inférieure de celui-ci) se situe au- dessus de la limite entre la couche conductrice et la couche de forte résistivité Dans ce cas, par suite de l'effet de peau dans le tubage très généralement en acier, donc très conducteur le courant émis par le dispositif de mesure est concentré dans une partie de faible épaisseur (quelques millimètres) de la paroi du tubage, à l'intérieur de celle-ci, et un gradient de courant élevé se produit vers le sabot de tubage, qui fait alors office d'électrode de retour à la place de l'électrode placée en surface Cela aboutit à une erreur sur le potentiel de référence qui peut être dix à vingt fois supérieure à l'erreur en l'absence de tubage. L'invention vise une technique permettant de corriger l'erreur affectant le potentiel de référence, y compris dans le cas difficile o le sabot de tubage est situé au bas de la couche de résistivité élevée. 4 - Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on produit une seconde diagraphie de résistivité, les électrodes de retour et de référence de potentiel étant placées comme pour la première diagraphie, dans des conditions telles que, toutes choses égales par ailleurs, la profondeur d'investigation soit différente de ce qu'elle est pour la première diagraphie. On obtient ainsi, pour des formations et dans des conditions par ailleurs identiques, deux valeurs de mesure relativement indépendantes, à partir desquelles il est possible de déterminer la correction à apporter au potentiel de référence VN. L'invention a aussi pour objet un dispositif de diagraphie du type précité, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour modifier la profondeur d'investigation de la sonde. Ces moyens consistent de préférence à prévoir du côté de l'élec- trode A 2 opposé à l'électrode centrale A O une partie supérieure conductrice reliée à l'électrode A 2 par un raccord isolant susceptible d'être court-circuité. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins Dans les dessins: la figure 1 montre schématiquement un système de diagraphie du type Dual Laterolog; la figure 2 illustre les lignes de courant dans les conditions donnant lieu à l'effet Groningen, en présence de tubage; la figure 3 représente un dispositif de diagraphie selon l'invention, selon un premier mode de réalisation, la figure 4 illustre un second mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre un système de diagraphie incluant un dispositif du type Laterolog Le dispositif comprend une sonde 10 suspendue à un câble 12 dans un forage 14 La sonde est reliée au câble par un câble isolé 18 ("bridle"). La sonde 10 est décrite dans le brevet français 2 407 485 précité, auquel on se référera pour une information détaillée La sonde comporte un série d'électrodes formées de bagues conductrices disposées le long d'un mandrin isolé: une électrode centrale A d'envoi de courant, deux paires d'électrodes de focalisation A 1-A' et A 2-A'2 disposées symétriquement de part et d'autre de l'électrode centrale A 0, et deux - paires d'électrodes moniteurs M 1-M', et M 2-M'2 placées entre l'électrode centrale A et la paire A 1-A'1 et également disposées symétriquement de part et d'autre de l'électrode A Les électrodes d'une même paire sont reliées par des connexions électriques La tension entre la paire d'électrodes de focalisation A 1-A'l, d'une part, et l'électrode A 0, d'autre part, est ajustée au moyen d'un circuit de contrôle 20 de façon à maintenir voisine de zéro la tension entre les paires d'électrodes moniteurs M 1-M 1 'î et MI 2-M'2, et de plus, la paire d'électrodes A 2-A'2 est portée au même potentiel que la paire d'électrodes A 1-A'l Cela force le courant Io émis par l'électrode A à pénétrer dans la formation selon une direction perpendiculaire à l'axe de la sonde, de manière que la profondeur d'investigation du courant lui permette d'atteindre la zone non envahie de la formation Les courants émis sont des courants alternatifs basse fréquence, la sonde opérant en fait avec deux fréquences différentes qui correspondent à des modes d'investigation de différentes profondeurs. Pour le mode profond, la fréquence est basse ( 35 Hz) Le retour du courant s'effectue sur une électrode B placée en surface Le mode peu profond, qui n'intéresse pas la présente invention, opère à fréquence plus élevée, avec un retour sur les électrodes A 2-A'2, lesquelles ne sont pas dans ce cas au même potentiel que les électrodes A 1-A'f En mode profond, une valeur de résistivité appelée résistivité apparente Ra est obtenue comme exposé plus haut en formant le rapport de la différence de potentiel entre la sonde 10 et une électrode de référence N ( 19) à l'intensité I émise par l'électrode centrale A: R =K M N a Io o VM est le potentiel pris sur une électode moniteur telle que M 2 VN est le potentiel de référence pris sur l'électrode N, K est une constante appelée facteur géométrique, qui dépend de la géométrie Comme exposé plus haut, le potentiel de référence VN peut dans certaines conditions être affecté d'une erreur substantielle, appelée effet Groningen La figure 1 illustre ces conditions: une couche 30 de forte épaisseur et de résistivité élevée RS succède à une couche 32 faiblement résistive L'erreur se produit à partir du moment o 6 - l'électrode de référence 19 arrive au voisinage de la limite 31 entre les couches 30 et 32 La figure 1 montre la déformation des lignes de courant dans la couche résistive 30, et l'effet sur le potentiel de référence. Au total, celui-ci est affecté d'une erreur AVN proportionnelle au courant total IT: AVN = G IT Il en résulte que la valeur obtenue pour la résistivité apparente est majorée d'une quantité AR = K G (IT/I) G représente l'effet Groningen à la profondeur considérée, cet effet étant fonction des caractéristiques du dispositif de diagraphie des formations traversées par le forage, et du forage lui-même (présence d'un tubage et position par rapport au sabot du tubage, résistivité du fluide de forage). En présence d'un tubage dont le sabot est situé au-dessus de la limite 31 entre les couches 30 et 32, les lignes de courant se concentrent à cause de l'effet de peau sur la paroi intérieure du tubage, comme le montre la figure 2, dans une partie de faible épaisseur ( 2,7 mm dans un cas typique) de cette paroi De ce fait, toutes les lignes de courant convergent vers le sabot de tubage, lequel se substitue à l'électrode de surface B en tant que retour de courant. Dans cette situation, l'effet Groningen peut devenir 10 à 20 fois supérieur à ce qu'il est en l'absence de tubage, et occasionner une erreur qui peut être du même ordre de grandeur que la valeur de résistivité que l'on mesure. Pour évaluer cet effet lorsque l'examen de la diagraphie le met en évidence, et pouvoir corriger les valeurs de résistivité en conséquence, on effectue une seconde passe de mesure dans la portion con- cernée du forage à l'aide d'un dispositif de diagraphie gardant le retour de courant en surface, mais modifié quant à sa profondeur d'investigation. On obtient ainsi pour chaque niveau deux mesures de résistivité distinctes fournissant deux équations relativement indépendantes ayant pour inconnues la résistivité Ra et l'effet Groningen G A partir de ces équations, on peut déterminer la résistivité Ra corrigée de l'effet Groningen. -7- En termes mathématiques, ce procédé s'exprime comme suit. La résistivité apparente est, avec les notations précédentes R =K M N a o L'erreur sur le potentiel de référence due à l'effet Groningen est 6 VN = G IT La résistivité apparente est donc entachée d'une erreur àR = K G (IT/IO) c'est-à-dire, avec les notations habituelles L Ld = Ra+ K G (IT/IO) L Ld étant la mesure fournie par une sonde Laterolog en mode profond. La deuxième passe de mesure s'effectue avec un dispositif modi- fié, présentant des valeurs différentes pour la constante K, liée à la géométrie de la sonde, et pour le rapport IT/Io du courant total au courant de mesure On notera, à propos de ces quantités, que la constante K est connue pour une sonde de géométrie donnée et que le rapport IT/I 1 est déterminé à partir de mesures concernant le fonctionnement de la sonde en cours d'opération Si l'on affecte d'un indice les valeurs relatives à la deuxième passe, on a: L Ld' = R' + K' G (IT/I)' Enfin, les résistivités apparentes R'a et Ra, du fait qu'elles correspondent à des profondeurs d'investigation différentes, prennent, dans des conditions identiques, des valeurs différentes Elles sont liées par une relation: R' = C R a a dans laquelle le coefficient C est obtenu au moyen d'abaques de correction à partir des mesures L Ld et L Ls (Laterolog peu profond) fournies par la sonde, et d'une mesure de résistivité à faible profondeur Rxo, fournie par exemple par une sonde de microrésistivité du type de la sonde SRT de Schlumberger. -8- On obtient (L Ld'/C) L Ld K' (IT/Io)' R = L Ld avec a = a a 1 C K (I /I Le calcul s'effectue par itérations, en prenant comme valeur initiale pour le coefficient C celle qui correspond à l'absence d'effet Groningen, c'est-à-dire G = O. La modification de la profondeur d'investigation de la sonde est obtenue, selon une forme de réalisation avantageuse, en modifiant la lon- gueur effective de l'une au moins des électrodes A 2. La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de diagraphie autorisant une telle modification La partie 10 comprise dans l'accolade correspond à la sonde DLT (Dual Laterolog) de Schlumberger telle qu'elle est utilisée commercialement Les portions représentées en grisé sont les électrodes de courant: électrode centrale A 0, électrodes de focalisation A 1 A'1, A 2 A'2, isolées l'une de l'autre Il est prévu deux raccords isolants 100, 100 ', de préférence du type correspondant à la référence AH 169 de Schlumberger, adjacents respectivement aux électrodes A 2, A'2 du côté opposé à l'électrode centrale, pour isoler les électrodes A 2, A'2 des autres parties du dispositif La portion 101 qui fait suite au raccord isolant 100 adjacent à l'électrode A 2 supérieure est conductrice au moins sur sa surface extérieure et elle-même isolée à son extrémité supérieure par un raccord isolant 102, de préférence du type AH 169 sus-mentionné Le raccord 100 est susceptible d'être court-circuité pour établir une connexion électrique entre l'électrode A 2 supérieure et la portion conductrice 101 Si le raccord 100 est ainsi court-circuité, la portion 101 émet un courant au même titre que l'électrode A 2 et la longueur effective de l'électrode de focalisation s'augmente de la longueur de la portion 101 Toutes choses étant égales par ailleurs, la quantité K (IT/Io) telle que définie ci-dessus est alors modifiée par rapport à la situation o le raccord 100 est isolant. La portion conductrice 101 peut être constituée par une sonde de diagraphie d'un type différent, capable de jouer le rôle d'une électrode de courant Il peut s'agir par exemple de la sonde de microrésistivité SRT de Schlumberger, qui est habituellement associée à la sonde DLT dans les diagraphies pour fournir une mesure de la résistivité Rxo dans la zone dite envahie (mesure de faible profondeur d'investigation) Dans ce cas 9 précis, la longueur effective de l'électrode A 2 se trouve multipliée par un facteur de l'ordre de 2,5. En pratique, si à l'issue d'une opération effectuée avec une sonde 10 du type sus-mentionné, on détecte une anomalie se traduisant par des valeurs de résistivité manifestement trop élevées, on court-circuite le raccord 100 et on redescend le dispositif pour effectuer une diagraphie au moins sur la portion du forage concernée par l'anomalie. La réalisation de la figure 3 introduit une dissymétrie dans un dispositif qui est normalement symétrique La variante de la figure 4 rétablit la symétrie, en prévoyant des portions conductrices 201, 201 ' de part et d'autre des électrodes A 2, et des raccords isolants 200, 200 ' et 202, 202 ' encadrant respectivement les portions conductrices 201, 201 '. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits plus haut. Ainsi, on peut envisager d'effectuer la seconde diagraphie simul- tanément à la première, au lieu d'une exécution en deux opérations succes- sives Pour une exécution simultanée, on pourrait prévoir un dispositif tel que représenté à la figure 3, muni de moyens de commande pour alternativement établir et interrompre la connexion électrique entre l'électrode A 2 et la partie conductrice 101 à travers le raccord isolant 100. Par ailleurs, l'invention est applicable non seulement aux modes décrits comportant une électrode de retour B en surface et une électrode de référence de potentiel N au-dessus de la sonde, mais également à la disposition duale comportant une électrode de référence de potentiel en surface et une électrode de retour au-dessus de la sonde. - REVENDICATIONS 1 Procédé de diagraphie pour mesurer la résistivité des forma- tions traversées par un forage, dans lequel on suspend dans le forage, à l'aide d'un câble, une sonde de diagraphie comprenant des électrodes pour injecter des courants alternatifs dans les formations, ces électrodes com- prenant une électrode centrale A et des électrodes de focalisation, avec une électrode de retour B et une électrode de référence de potentiel N placées l'une au-dessus de la sonde et l'autre en surface, et l'on produit une diagraphie de résistivité à partir du courant Io émis par l'électrode centrale et de la différence de potentiel entre la sonde et l'électrode de référence, caractérisé par le fait que l'on produit une seconde diagraphie de résistivité, les électrodes de retour et de référence de potentiel étant placées comme pour la première diagraphie, dans des conditions telles que, toutes choses égales par ailleurs, la profondeur d'investigation soit différente de ce qu'elle est pour la première diagraphie. 2 Procédé de diagraphie pour mesurer la résistivité des forma- tions traversées par un forage, dans lequel on suspend dans le forage, à l'aide d'un câble, une sonde de diagraphie comprenant des électrodes pour injecter des courants alternatifs dans les formations, ces électrodes com- prenant une électrode centrale A et des électrodes de focalisation, avec une électrode de retour B et une électrode de référence de potentiel N placées l'une au-dessus de la sonde et l'autre en surface, et l'on produit une diagraphie de résistivité à partir du courant Io émis par l'électrode centrale et de la différence de potentiel entre la sonde et l'électrode de référence, caractérisé par le fait que l'on produit une seconde diagraphie de résistivité, avec les électrodes de retour et de référence de potentiel placées comme pour la première diagraphie, dans des conditions propres à modifier, toutes choses égales par ailleurs, le produit K (IT/Io), K étant un facteur géométrique lié à la sonde et IT/IO étant le rapport du courant total I T émis par la sonde au courant I émis par l'électrode centrale A il - 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel, pour la secon- de diagraphie, on modifie la longueur de l'une au moins des électrodes de focalisation. 4 Procédé selon la revendication 3, dans lequel on modifie la profondeur d'investigation en modifiant de manière symétrique la longueur de deux électrodes de focalisation placées de part et d'autre de l'électrode de courant. Dispositif de diagraphie comprenant une sonde de diagraphie adaptée au déplacement dans les forages et suspendue à un câble électrique, la sonde comportant des électrodes pour injecter des courants alternatifs dans les formations, ces électrodes comprenant une électrode centrale A et des électrodes de focalisation, une électrode de retour B et une électrode de référence de potentiel N étant placées l'une au-dessus de la sonde et l'autre en surface, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour modifier la profondeur d'investigation de la sonde. 6 Dispositif de diagraphie comprenant une sonde de diagraphie adaptée au déplacement dans les forages et suspendue à un câble électrique, la sonde comportant des électrodes pour injecter des courants alternatifs dans les formations, ces électrodes comprenant une électrode centrale A et des électrodes de focalisation, une électrode de retour B et une électrode de référence de potentiel N étant placées l'une au-dessus de la sonde et l'autre en surface, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour modifier, toutes choses égales par ailleurs, le produit K.(IT/Io), K étant un facteur géométrique lié à la sonde et I T/I étant le rapport du courant total IT émis par la sonde au courant Io émis par l'électrode centrale A o 7 Dispositif selon la revendication 6, comprenant des moyens pour modifier la longueur de l'une au moins des électrodes de focalisation. 12 - 8 Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les dits moyens comprennent une partie conductrice placée du côté de l'électrode de focalisation opposé à l'électrode de courant, et un raccord isolant susceptible d'être court-circuité, placé entre l'électrode de focalisation et la partie conductrice. 9 Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la partie conductrice est formée par une sonde de microrésistivité.