Brevet FR2670532A1 — publié le 19920619

L'invention a pour objet une méthode pour corriger des mesures magnétiques faites dans le but de déterminer L'inclinaison et L'azimut d'un puits traversant une formation souterraine, par un outil qui y est déplacé. La méthode convient en particulier pour corriger des mesures faites par une sonde intercalée entre un outil de forage et la garniture qui le relie à une installation de surface. La méthode selon l'invention permet par exemple de tenir compte du champ magnétique parasite créé par la garniture de forage, qui vient se superposer au champ magnétique terrestre. Des exemples d'art antérieur dans le domaine de la mesure de l'orientation de puits sont décrits dans les brevets US 4 435 454, 4 472 884 4 559 713, 4 819 336 etc. Au cours du forage de puits et notamment de puits profonds plus ou moins déviés, on cherche habituellement à déterminer avec précision l'angle d'inclinaison du puits ainsi que son azimut. A cet effet, on utilise un appareil de mesure inclus dans une garniture (drill string) intercalée au-dessus de l'outil de forage. Cet appareil comporte généralement trois magnétomètres pour la mesure de composantes du vecteur champ magnétique local, suivant trois directions orthogonales Ox, Oy, Oz. L'un des axes Oz est parallèle à l'axe de l'outil et de la garniture de forage. les deux autres, Ox, Oy sont dans un plan orthogonal à l'axe de la garniture et leur orientation par rapport à la verticale est quelconque. Suivant ces trois mêmes axes, on dispose également trois accéléromètres pour déterminer les composantes Gx, Gy, Gz du vecteur local de gravitation. les mesures des accéléromètres permettent de calculer l'inclinaison I de l'outil et son orientation souvent désignée par TF (pour Tool face), qui est l'angle entre l'axe Ox et le plan vertical. En combinant Les mesures Bx, By, Bz des trois magnétomètres avec les valeurs de I et TF obtenues, on peut calculer l'azimut de l'outil et donc du puits, qui est l'angle entre les projections dans le plan horizontal, de l'axe de l'outil et du champ magnétique. La garniture de forage qui est métallique, se magnétise sous l'influence du champ magnétique terrestre. Elle crée, de ce fait, un champ magnétique parasite qui se superpose au champ terrestre et fausse les mesures. Pour minimiser l'influence parasite, on intercale l'outil de mesure dans une certaine longueur de masse-tiges en matériau non magnétique. La perturbation résiduelle P due aux parties magnétiques plus éloignées de la garniture, est alors supposee parallèle à l'axe de la garniture (Fig. 5). En fait, on observe souvent l'existence d'une magnétisation locale ("hot spots") de tiges réputées non magnétiques. Le champ créé par ces anomalies n'est pas dans le cas général, parallèle à l'axe de la garniture. On est donc conduit à considérer le cas d'une perturbation magnétique P (Fig. 6 ) de direction quelconque pourvue d'une composante axiale (perturbation axiale) suivant Oz mais aussi une composante radiale (perturbation radiale) orthogonale à la précédente. Dans le brevet US 4 163 324, est décrite une méthode pour éliminer les erreurs dues à une perturbation magnétique dans le cas où l'on peut supposer que celle-ci est purement axiale. Dans le cas justifié dans la pratique où l'on ne peut pas faire d'hypothèse sur la direction du champ perturbateur, on peut utiliser une méthode décrite dans le brevet US 4 682 421 et qui consiste essentiellement à éliminer son influence en faisant tourner l'appareil de mesure suivant son axe qui est sensiblement parallèle à la direction locale d'allongement du puits et, pour des positions angulaires différentes réparties sur 3600, à mesurer les composantes du vecteur champ magnétique. Par comparaison des mesures effectuées suivant plusieurs orientations différentes, on peut éliminer la composante transversale de la la perturbation magnétique. Lorsque l'outil de forage est relié à une installation de manoeuvre en surface par une garniture rigide que l'on allonge progressivement par fixation de sections de tiges, la méthode de mesure mentionnée ci-dessus peut être mise en oeuvre par exemple au moment des allongements de la colonne. La progression de l'outil est interrompue. On fait tourner la colonne sur elle-même et avec elle les instruments de mesure. Leurs positions successives sont réparties suivant un cercle dans un plan tranversal à la direction d'allongement du puits. Des mesures sont répétées pour différentes positions angulaires successives au même emplacement longitudinal du puits. Chaque séquence de mesure est relativement longue, de l'ordre d'une dizaine de minutes par exemple. La multiplicité des mesures à faire à chaque emplacement d'arrêt a pour conséquence un ralentissement certain dans la vitesse d'avancement du forage si chaque séquence est répétée à intervalles réguliers. Le stationnement de l'outil présente un autre inconvénient dans le cas relativement fréquent où l'on pratique un turbo-forage. L'outil est mu par une turbine de fond entraînée en rotation par un courant de boue circulant dans la garniture de forage et dans l'annulaire entre celle-ci et le puits. La rotation de l'appareil de mesure lié à l'outil de forage, d'une position angulaire à la suivante, nécessite l'entretien d'un courant de boue qui a tendance à élargir le puits et créer dans celui-ci des zones d'instabilité. La méthode selon l'invention permet de corriger des mesures magnétiques faites dans le but de déterminer l'azimut d'un puits traversant une formation souterraine, par un outil qui y est déplacé et notamment par un outil de mesure intercalé sur une garniture rigide reliant un outil de forage à une installation de surface, comportant l'utilisation d'un ensemble de mesure comprenant des moyens de mesure magnétiques des composantes (Bx, By, Bz) du champ magnétique régnant localement au voisinage de l'outil de forage, en tenant compte du champ magnétique perturbateur (P) créé par la présence de la garniture rigide, et des moyens de mesure des composantes (Gx, Gy, Gz) de l'accélération de la pesanteur. La méthode est caractérisée en ce que - la mesure desdites composantes est effectuée en arrêtant l'outil au cours de sa progression dans le puits en une succession de positions d'arrêt longitudinalement décalées les unes par rapport aux autres, les positions angulaires successives de l'ensemble de mesure dans lesdites positions d'arrêt étant aléatoires; et - la détermination du champ magnétique perturbateur comporte l'application d'une méthode statistique pour prendre en compte les mesures effectuées par ledit ensemble de mesure dans lesdites positions angulaires aléatoires prises par l'outil de mesure. Suivant un premier mode de mise en oeuvre, la méthode comporte la détermination de la correction radiale à apporter, en déterminant une valeur moyenne sur un intervalle fixé, des composantes radiales du champ magnétique perturbateur par une corrélation entre une quantité dépendant du carré de l'intensité du champ mesuré par ledit ensemble de mesure, et une série de mesures des composantes radiales du champ perturbé effectuées auxdites positions d'arrêt aléatoires de l'outil de mesure. Ladite corrélation comporte par exemple un calcul de régression entre d'une part une quantité égale à la différence entre le carré de l'intensité du champ perturbé (B) et le carré de l'intensité (Bo) du champ magnétique régnant dans le puits en l'absence de perturbation induite par la garniture rigide, et d'autre part les composantes du champ perturbé. Suivant un deuxième mode de mise en oeuvre, on détermine la correction radiale à apporter, en déterminant une valeur moyenne sur un intervalle fixé, des composantes radiales du champ perturbateur, par une mise en corrélation d'un écart entre les projections sur un plan horizontal du champ perturbé et du champ magnétique en l'absence de perturbation d'une part, et des composantes radiales de l'accélération de la pesanteur effectuées auxdites positions d'arrêt aléatoires de l'outil de mesure. La méthode définie ci-dessus peut comporter en outre la détermination de la correction axiale à apporter qui minimise la différence entre le champ magnétique corrigé et le champ magnétique non perturbé. La méthode selon l'invention supprime, dans le cadre d'une application au forage, par exemple, beaucoup des contraintes opérationnelles imposées par les mesures faites avec un outil stationnant dans un puits. Il n'est pas nécessaire, pour l'acquisition de différentes mesures angulairement distinctes les unes des autres, de faire des stations prolongées de l'outil de forage à un même niveau de profondeur, qui, on le sait, peuvent déstabiliser le puits. Il suffit d'arrêter temporairement la rotation de l'outil de forage dans une position angulaire aléatoire au cours de sa progression pour faire des mesures et de répéter la même opération à plusieurs profondeurs successives.Les contraintes sont encore diminuées si l'on profite d'interruptions imposées dans les opérations de forage, telles que par exemple le raccordement de sections supplémentaires à la colonne de forage pour faire progresser plus avant l'outil de forage. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention apparaltront mieux à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où - la Fig.1 montre schématiquement un outil de forage dans un puits, surmonté d'un appareil de mesure; - la Fig.2 montre une représentation de vecteurs magnétiques dans le plan vertical du champ magnétique; - la Fig.3 est un schéma vectoriel montrant la trace du plan vertical contenant l'outil et l'angle TF définissant son orientation; - la Fig.4 est un schéma vectoriel montrant l'angle d'azimut A recherché; - la Fig.5 montre schématiquement un outil de mesure intercalé entre des masse-tiges amagnétiques; et - la Fig.6 montre la perturbation magnétique créée par l'existence locale d'un défaut dans une masse-tige non magnétique. Un outil de mesure 1 est intercalé sur une garniture rigide 2 reliant un outil de forage 3 à une installation de forage non représentée. Dans l'outil de mesure 1 est placé un ensemble de mesure 4 de l'accélération de la pesanteur et du champ magnétique. Cet ensemble 4 comporte par exemple trois accêléromètres pour mesurer les composantes Gx, Gy, Gz de l'accélération de la pesanteur G suivant trois axes orthogonaux OX,OY, OZ. L'axe OZ est parallèle à l'axe de la garniture 2, et les axes OX et OY sont fixes par rapport à l'outil de mesure et à la garniture. L'ensemble de mesure 4 comporte aussi trois magnétomètres pour mesurer suivant les mêmes axes, les composantes du champ magnétique terrestre Bo.En l'absence de champ perturbateur, on sait obtenir l'azimut du puits 5 par une combinaison des composantes de l'accélération G et du vecteur Bo. On calcule d'abord l'inclinaison I de l'outil et son orientation désignée souvent par TF (pour Tool Face Angle), par les deux relations suivantes et tg TF = - Gy/Gx L'azimut A du puits est l'angle entre les projections dans le plan horizontal du champ magnétique terrestre non perturbé BO et l'axe de la garniture OZ.Il est calculé à partir des mesures brutes Box, Boy, Boz effectuées respectivement par les trois magnétomètres, de l'inclinaison I et de l'angle TF par la relation tg A = -B'y/ (Boz sin I + B'x cos I) (1) sachant que les valeurs de B'x et B'y sont obtenues par les relations B'x = Box cos TF - Boy sin TF (2) et B'y = Box sin TF + Boy cos TF (3) Dans l'application décrite, on doit tenir compte de la perturbation magnétique apportée par un défaut local possible d'une des masse-tiges voisine de l'outil de mesure, qui fausse les calculs précédents. Dans ce qui suit, Bo désignera l'intensité du champ magnétique terrestre dont les composantes suivant les trois axes sont Box, Boy et Boz, Do désignera son angle de pendage et P la perturbation magnétique de coordonnées Px, Py, Pz. La méthode de correction d'azimut selon l'invention comporte d'abord une détermination de la correction radiale à apporter. En tenant compte de la perturbation, les composantes Bx, By, Bz du champ magnétique mesurées par les trois magnétomètres sont respectivement Bx = Box + Px By = Boy + Py Bz = Boz + Pz Suivant une première variante de la méthode selon l'invention, on détermine la correction radiale en cherchant une valeur moyenne sur un intervalle fixé, des composantes Px, Py de la perturbation et des composantes Bx, By du champ perturbé, et ceci par une corrélation entre le carré de l'intensité du champ mesuré et une série de mesures des composantes Bx, By obtenues de façon aléatoire. Cette série est obtenue dans la présente méthode en arrêtant l'outil dans des positions angulaires aléatoires. L'arret de l'outil peut se faire a n'importe quel moment de la progression de l'outil. Dans le cas d'un forage du type rotary, on peut profiter des arrêts imposés au cours des opérations de forage pour l'adjonction de nouvelles tiges à la garniture, en sachant que la position angulaire occupée par l'outil au moment de ces pauses est tout à fait aléatoire. La relation suivante B = (Box+Px) + (Boy+Py) + (Boz+Pz) entre le champ Bo, le champ perturbé B et la perturbation P, s'écrit encore 82 = Bo2 + 2(Px.Box + Py.Boy + Pz.Boz) + P2. La perturbation P étant généralement petite devant le champ terrestre Bo, on peut négliger les termes du 2e ordre et écrire la relation précédente sous la forme 82 - Bo2 = 2(Px.Bx + Py.By + Pz.Bz). L'angle d'orientation TF varie rapidement d'une mesure à la suivante du fait de la rotation de la garniture. Les axes Ox, Oy tournant avec elle, les projections Bx, By du champ magnétique sur ces axes changent vite et de façon aléatoire sur un ensemble de mesures. Par contre, comme l'axe Oz reste parallèle à la direction du puits, la variation de la composante Bz est beaucoup plus lente et régulière. D'autre part, la perturbation magnétique étant générée par la garniture, ses composantes Px, Py, Pz dans un repère qui lui est lié, sont constantes. Sur l'ensemble de mesures effectuées, il est donc justifié de considérer que - Bx et By sont des variables aléatoires indépendantes, - B2 est une variable aléatoire dépendante de Bx et By, - Px et Py sont les coefficients de régression correspondants, et - Bo2 et Pz.Bz sont des termes constants. On obtient donc une bonne approximation de Px et Py en calculant la valeur de B2, pour chacune des mesures de la série de mesures effectuées au cours des arrêts aléatoires de l'outil, et en effectuant un calcul de régression multiple sur les valeurs de B2 par rapport à Bx et By de manière à déterminer Px et Py qui sont les coefficients de régression recherchés. Suivant une variante, la correction radiale à apporter est calculée en utilisant la valeur du pendage D du champ perturbé que l'on mesure au cours de la même série d'arrêts aléatoires que précédemment. D étant le pendage du champ B, sa projection B.cos D dans un plan horizontal s'obtient par la relation B.cos D = Gx.Bx + Gy.By + Gz.Bz = Gx.(Box+Px) + Gy.(Boy+Py) + GZz.(Boz+Pz) Comme Bo.cos Do est égal à Gx.Box + Goy.Boy + Gz.Boz, il résulte que l'écart E = B.cos D et Bo. cos Do entre les projections s'exprime par E = Px.Gx + Py.Gy + Pz.Gz Par un calcul de régression analogue entre E d'une part et Gx et Gy d'autre part, on obtient des coefficients de corrélation que l'on peut relier aux composantes Px et Py. La correction radiale ayant été calculée, on peut calculer ensuite une valeur de la perturbation axiale Pz de façon à minimiser la différence entre le vecteur champ magnétique corrigé B-Pz et le champ magnétique non perturbé B qui est connu. Sur la Fig.2 qui montre des vecteurs projetés dans un plan vertical, - B' et D' représentent respectivement l'intensité et le pendage de la projection dans ce plan du champ magnétique mesuré après incorporation des corrections Px et Py précédentes; - Théta désigne l'angle entre la projection dans le même plan de l'axe de la garniture, et la verticale; - Z désigne la projection dans le même plan de l'axe de la garniture; - Psi est la différence D' - théta; et - P'z désigne la projection de Pz dans le même plan. On cherche la composante P'z telle que le vecteur Bo - (B' - P'z) lui soit orthogonal. L'angle théta est lié à l'inclinaison I et l'azimut mesuré A par la relation tg théta = tg I . cosA. Les écarts b = (Bo-B') et d = (Do-D') étant petits, le segment c (Fig.2) peut se calculer par la relation c = b.d. On calcule la projection P'z en projetant les segments b et c sur la direction Oz, ce qui conduit à la relation P'z = b.sin psi + c.cos psi. P'z étant la projection de Pz sur le plan vertical du champ maanétiaue. on obtient finalement Pz Dar la relation Ayant successivement calculé les composantes de la perturbation Px et Py puis Pz, on détermine les composantes Bx, By et Bz du vecteur B et, en appliquant les relations 1 à 3 précédentes appliquées au vecteur B, on peut déterminer l'azimut exact A recherché. REVENDICATIONS 1) Méthode pour corriger des mesures magnétiques faites dans le but de déterminer l'azimut d'un puits traversant une formation souterraine, par un outil qui y est deplacé et notamment par un outil de mesure (1) intercalé sur une garniture rigide reliant un outil de forage à une installation de surface, comportant l'utilisation d'un ensemble de mesure (4) comprenant des moyens de mesure magnétiques des composantes (Bx, By, Bz) du champ magnétique régnant localement au voisinage de l'outil de forage, en tenant compte du champ magnétique perturbateur (P) créé par la présence de la garniture rigide, et des moyens de mesure des composantes (Gx, Gy, Gz) de l'accélération de la pesanteur, la méthode étant caractérisée en ce que - la mesure desdites composantes est effectuée en arrêtant l'outil au cours de sa progression dans le puits en une succession de positions d'arrêt longitudinalement décalées les unes par rapport aux autres, les positions angulaires successives de l'ensemble de mesure dans lesdites positions d'arrêt étant aléatoires; et - la détermination du champ magnétique perturbateur comporte l'application d'une méthode statistique pour prendre en compte les mesures effectuées par ledit ensemble de mesure dans lesdites positions angulaires aléatoires prises par l'outil de mesure. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on détermine la correction radiale à apporter, en déterminant une valeur moyenne sur un intervalle fixé, des composantes radiales du champ magnétique perturbateur (Px,Py), par une corrélation entre une quantité dépendant du carré de l'intensité du champ mesuré par ledit ensemble de mesure, et une série de mesures des composantes radiales du champ perturbé effectuees auxdites positions d'arrêt aléatoires de l'outil de mesure. 3) Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite corrélation comporte un calcul de régression entre d'une part une quantité égale à la différence entre le carré de l'intensité du champ perturbé (B) et le carré de l'intensité (Bo) du champ magnétique régnant dans le puits en l'absence de perturbation induite par la garniture, et d'autre part les composantes (Bx, By) du champ perturbé. 4) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on détermine la correction radiale à apporter, en déterminant une valeur moyenne sur un intervalle fixé, des composantes radiales du champ perturbateur (Px, Py), par une corrélation entre un écart entre les projections sur un plan horizontal du champ perturbé et du champ magnétique en l'absence de perturbation d'une part, et les composantes radiales (Gx, Gy) de l'accélération de la pesanteur effectuées auxdites positions d'arrêt aléatoires de l'outil. 5) Méthode selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre la détermination de la correction axiale (Pz) à apporter qui minimise la différence entre le champ magnétique corrigé (B-Pz) et le champ magnétique non perturbé (Bo).