Brevet FR2686425A1 — publié le 19930723

L'invention a pour objet une source sismique de puits qui peut être associée à une garniture de forage La source selon l'invention est particulièrement adaptée pour communiquer à un outil de forage dans un puits des ébranlements périodiques et les appliquer aux formations environnantes. Il existe de nombreuses méthodes pour faire de la prospection sismique de terrains traversés par un puits qui comporte l'émission de signaux sismiques impulsionnels ou de signaux vibratoires par une source descendue dans le puits, pour éviter notamment les perturbations apportées par la zone altérée quand les ondes sont émises en surface, la réception des ondes renvoyées par les discontinuités du sous-sol au moyen d'un dispositif de réception placé dans le puits, dans un autre puits ou en surface, et leur enregistrement De nombreux traitements sont en général appliqués aux enregistrements pour les rendre plus lisibles pour l'interprétateur. Parmi les nombreux dispositifs d'émission pour puits, certains ont été étudiés spécialement pour fonctionner en relation ou en combinaison avec un outil de forage Ces opérations dites de MWD permettent de réaliser des opérations de prospection sans avoir à interrompre le forage d'un puits et donc de diminuer les coûts d'exploration. On connaît par exemple des dispositifs d'émission o les vibrations appliquées aux terrains sont les "bruits" engendrés par un outil de forage en fonctionnement à l'extrémité d'un train de tiges ou garniture de forage L'amplitude de ces ébranlements peut varier dans une large mesure selon la dureté des terrains traversés par l'outil Les méthodes de traitement classiques sont en général très difficiles à mettre en oeuvre avec les enregistrements obtenus avec ce type d'émission car les caractéristiques de la source restent mal connues Le signal est émis en permanence sans que l'on puisse fixer d'instant de référence En outre le spectre de fréquence émis dépend de la vitesse de rotation de l'outil et de la nature des couches forées. Pour connaître à tout instant la phase des signaux émis, il faut disposer d'un capteur localisé au voisinage de l'outil de forage et d'une voie de transmission quelconque permettant de transmettre à un équipement de traitement en surface, un signal en phase avec les signaux émis Il peut s'agir par exemple d'une transmission d'ondes acoustiques modulées en fonction des signaux à transmettre, le long du fluide contenu dans le puits, comme décrit par exemple dans le brevet US 4 675 852 ou bien encore éventuellement le long des tiges d'une garniture de 1 O forage. Parmi les sources de puits, on peut citer encore celles qui transmettent aux terrains traversés, des impulsions sismiques créées par des chocs de l'outil de forage en fond de trou, ces chocs étant isolés ou bien encore répétés avec une période déterminée. 1 5 Pour créer ces chocs on peut utiliser le dispositif de manoeuvre en surface pour exercer une traction momentanée sur la garniture et faire varier momentanément la force de pesanteur appliqué à l'outil Les chocs de la tête de forage en fond de trou peuvent encore être créés par un outil de forage à percussion constitué en interposant entre la tête de forage et la garniture, un dispositif hydraulique télescopique que l'on peut contracter par une pression momentanée sur la garniture et qui, en se détendant avec un certain retard quand on relâche cette pression applique un choc à l'outil On peut aussi provoquer des chocs sur l'outil de forage en déclenchant des "coups de bélier" par une brusque interruption du flux de boue circulant à l'intérieur de la garniture Des dispositifs de ce type ont pour inconvénient majeur qu'étant intercalés entre l'outil de forage et la garniture, ils obligent à modifier l'équipement usuel de forage et ils ont à supporter la totalité du poids exercé sur l'outil, ce qui peut être une cause de fragilité. La source sismique de puits selon l'invention permet de communiquer à un outil de forage relié à une installation de surface par un train de tiges tubulaires ou garniture, une force alternative de fréquence contrôlée, et de la communiquer aux formations au fond d'un puits, et ceci sans avoir à modifier sensiblement la géométrie habituelle des équipements de forage. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte close allongée de section inférieure à la section intérieure des tiges de la garniture, cette enceinte étant fixée à l'intérieur d'une tige au voisinage de l'outil de forage, une masse réactive déplaçable à l'intérieur de l'enceinte et suivant la direction 1 i O d'allongement de celle-ci, et des moyens moteurs disposés dans ladite enceinte pour communiquer à la masse réactive une force alternative d'amplitude et de fréquence contrôlées. Suivant un mode de réalisation, les moyens pour engendrer ladite force comportent par exemple au moins un vérin avec un corps fixe par rapport à l'enceinte et une tige qui est fixée à la masse, ainsi qu'un système hydraulique communiquant avec le corps du vérin pour appliquer la force alternative à la tige de celui-ci et à la masse réactive. Suivant un autre mode de réalisation, les moyens pour engendrer ladite force comportent un corps creux fixé à l'intérieur de l'enceinte, la masse réactive étant adaptée à coulisser de façon sensiblement étanche à l'intérieur du corps, et un système hydraulique communiquant avec le corps de part et d'autre de la masse réactive, pour appliquer à celle-ci la force alternative requise. Le système hydraulique comporte des circuits hydrauliques contenant un fluide, une pompe pour porter le fluide dans les circuits à une pression déterminée, des moyens moteurs disposés dans l'enceinte pour entraîner la pompe et des moyens de distribution pour distribuer le fluide sous pression de façon à appliquer à la masse réactive la force alternative d'entraînement. Suivant un autre mode de réalisation, on utilise des moyens électromécaniques pour engendrer ladite force et des moyens de liaison pour transmettre les vibrations engendrées par les moyens électro-mécaniques à la masse réactive Ces moyens peuvent comporter par exemple des éléments piézo- électriques pilotés par un ensemble d'émission ou bien encore un vibrateur électro-dynamique. Suivant un mode de réalisation avantageux, la source selon l'invention comporte des moyens actionnés par un courant de fluide circulant dans le train de tiges pour produire de l'énergie pour le fonctionnement des moyens moteurs, ces moyens comportant par exemple un générateur de courant électrique ou bien encore un générateur d'énergie hydraulique. De préférence, la source comporte un ensemble électronique de pilotage pour contrôler lesdits moyens moteurs. On peut utiliser des moyens de communication entre l'enceinte et une installation de surface, tels que des éléments de liaison par ondes de pression modulées. La source selon l'invention est simplement rapportée à l'intérieur d'une tige de garniture et elle n'intervient pas dans la transmission du poids appliqué à l'outil Elle est enfermée dans une enceinte close dont la section est inférieure à la section intérieure de la tige o elle est fixée Elle n'affecte pratiquement pas le courant de fluide de forage circulant à l'intérieur de la garniture et donc ne modifie pas les paramètres du forage Elle peut fonctionner en permanence, à intervalles déterminés ou bien encore sur commande, en communiquant une force puissante à la masse réactive à l'intérieur, force qui est transmise à l'outil par la garniture La source peut en outre être entièrement autonome et prélever (au moyen d'un générateur à hélice par exemple) l'énergie nécessaire à son fonctionnement dans le courant de fluide de forage Dans l'enceinte close, on peut disposer des moyens de communication permettant de recevoir de l'installation de surface, des ordres de déclenchement et de commande de la fréquence des ébranlements appliqués et en retour, de communiquer à celle-ci des signaux de contrôle de fonctionnement. On intercale de préférence des moyens d'absorption sur la garniture pour éviter la transmission à celle-ci d'au moins une partie de l'énergie créée par le fonctionnement de la source. L'invention porte aussi sur une méthode de mise en oeuvre de la source sismique qui est caractérisée en ce qu'elle comporte: la mise en place de capteurs sismiques en surface et/ou dans au moins un puits; la mise en place de la source intercalée sur un élément la garniture au voisinage de l'outil de forage; le forage d'un puits au moyen dudit outil de forage; et l'enregistrement des modes reçus par les capteurs sismiques en réponse aux ébranlements appliqués aux formations environnant le puits en cours de forage. La méthode comporte encore la transmission de signaux 1 5 entre la source et une installation de surface par exemple pour communiquer à celle-ci une référence de temps relative au fonctionnement de la source. D'autres caractéristiques et avantages de la source selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés o: la Fig 1 montre schématiquement une installation de forage à laquelle on peut adjoindre la source sismique selon l'invention; la Fig 2 montre schématiquement un premier mode de réalisation de la source avec une masse réactive et un vérin; la Fig 3 montre un deuxième mode de réalisation de la source avec une masse réactive coulissant dans un corps clos placé dans l'enceinte; et la Fig 4 montre un autre mode de réalisation o la force appliquée à la masse réactive est d'origine piézo-électrique. La source sismique selon l'invention peut être associée (Fig 1) à un train de tiges tubulaires (garniture de forage) 1 reliant un outil de forage 2 à une installation de surface comprenant une tour de forage 3 Elle est incluse par exemple (Fig 2) à l'intérieur d'une masse-tige tubulaire (ou drill collar) 4 de la garniture proche de l'outil de forage La source sismique 5 est incluse dans une enceinte rigide allongée 6 qui est fixée à la paroi intérieure de la tige 4 par des brides 7 La section extérieure de l'enceinte 6 est inférieure à la section intérieure de la tige et les brides 7 sont agencées pour permettre le passage du fluide de forage que l'on fait circuler depuis la surface vers l'outil de forage A l'intérieur de l'enceinte qui est close, est disposée une masse réactive 8 pouvant se déplacer parallèlement à l'axe de l'enceinte et de la tige entre des rails de guidage longitudinaux 9 Cette masse réactive 8 est solidaire de moyens d'entraînement capables de lui imprimer une force alternative d'amplitude et de fréquence contrôlées Ces moyens comportent par exemple un vérin 10 pourvu d'un corps cylindrique Il orienté suivant l'axe 1 5 de l'enceinte, d'un piston 12 coulissant de façon étanche dans le corps 11 et une tige 13 pour solidariser le piston avec la masse réactive On utilise par exemple un système hydraulique pour appliquer la force alternative au piston 12 et donc à la masse réactive 8 Ce système comporte un accumulateur hydraulique 14, une pompe hydraulique 15 pour charger du fluide sous pression dans l'accumulateur 14, un moteur électrique 16 d'entraînement de la pompe, une vanne de distribution 17 et des canalisations 18 permettant d'appliquer le fluide sous pression de l'accumulateur 14 dans le cylindre 11 alternativement d'un côté ou du côté opposé du piston 12 de façon à créer une force alternative importante qui est communiquée à la masse réactive 8 Un ensemble électronique 19 est disposé aussi à l'intérieur de l'enceinte pour piloter la distribution de fluide par la vanne 17 de façon que la fréquence de la force alternative appliquée à chaque instant à la masse soit bien définie ou bien que cette fréquence suive au cours du temps une loi de variation bien définie Dans l'enceinte, est disposé par exemple un générateur électrique tel qu'un alternateur 20 Son axe 21 est orienté parallèlement à celui de la tige de forage et il traverse la paroi de l'enceinte Il est relié à une hélice 22 qui est entraînée en rotation par le fluide de forage que l'on fait circuler à l'intérieur vers l'outil de forage. Des moyens d'absorption (du type connu des spécialistes sous le nom de shock absorber par exemple) sont intercalés sur la garniture au-dessus de la source pour empêcher la transmission à la garniture de l'énergie sismique créée par le fonctionnement de la source. La communication entre la source et l'installation de surface peut être réalisée par une technique connue au moyen d'ondes 1 i O acoustiques modulées ou codée qui se propagent le long du puits dans le fluide de forage A cette fin, l'ensemble électronique 19 est relié à un ensemble d'émission-réception de signaux acoustiques (non représentés) comportant des moyens transducteurs disposés à l'extérieur de l'enceinte. 1 5 Cependant, la source peut fonctionner aussi automatiquement soit de façon permanente suivant un enchaînement ininterrompu de séquences d'émission o la fréquence émise varie suivant une loi de variation prédéfinie, soit de façon discontinue avec des périodes d'émission successives o la fréquence d'émission est fixe ou encore variable, séparées par des intervalles de temps d'interruption d'émission. On sélectionne les moyens d'application de la force et la masse réactive, de façon à développer et transmettre à l'outil une force suffisamment puissante Par une sélection convenable, on peut obtenir une force alternative bien proportionnée au poids de la garniture pesant sur l'outil de forage de façon à générer en conséquence un ébranlement alternatif puissant dans les terrains en contact avec l'outil Si la masse de la garniture est de l'ordre de 104 kg, on adapte le système hydraulique pour qu'il génère une force alternative de l'ordre de + 2 104 Newton. Suivant un autre mode de réalisation (Fig 3), la masse réactive 8 est adaptée à coulisser de façon étanche dans une cavité cylindrique à l'intérieur d'un corps creux 23 solidaire de l'enceinte 6 et les circuits hydrauliques connectent les deux extrémités opposées du corps creux 23 de part et d'autre de la masse, avec la vanne de distribution 17. Suivant un autre mode de réalisation, la masse réactive (Fig 4) est au contact d'un ensemble 24 de pastilles piézo- électriques empilées et connectées en série ou en parallèle selon les cas aux bornes d'un générateur électrique approprié 25 La transmission de la force peut s'effectuer par couplage mécanique direct entre le bloc et la masse réactive ou bien encore par l'intermédiaire de moyens de liaison hydrauliques comportant des circuits hydrauliques et un vérin de couplage (non représentés). Suivant un autre mode de réalisation on peut remplacer le générateur électrique 20 par un générateur hydraulique 1 5 directement entraîné par l'hélice 22 dans le but de charger l'accumulateur 14 et d'actionner la masse réactive. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant les moyens moteurs hydrauliques ou piézo-électriques précédents par tous les autres moyens de création d'une force alternative. Avec la source sismique décrite ci-dessus on peut réaliser des opérations d'exploration sismique durant le forage d'un puits. On dispose en surface et/ou dans un autre puits un ensemble de capteurs sismiques et l'on enregistre les ondes qu'ils reçoivent en réponse aux ébranlements appliqués aux formations environnant le fond du trou foré par le fonctionnement de la source. REVENDICATIONS 1) Source sismique de puits pour communiquer à un outil de forage relié à une installation de surface par un train de tiges tubulaires ou garniture ( 1), une force alternative de fréquence contrôlée, caractérisé en ce qu'elle comporte une enceinte close allongée ( 6) de section inférieure à la section intérieure des tiges de la garniture, cette enceinte étant fixée à l'intérieur d'une tige 1 i O ( 4) au voisinage de l'outil de forage ( 2), une masse réactive ( 8) déplaçable à l'intérieur de l'enceinte ( 6) et suivant la direction d'allongement de celle-ci, et des moyens moteurs disposés dans ladite enceinte pour communiquer à la masse réactive une force alternative d'amplitude et de fréquence contrôlées. 2) Source sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens moteurs pour engendrer ladite force comportent au moins un vérin ( 10) avec un corps fixe par rapport à l'enceinte ( 6) et une tige qui est fixée à la masse, ainsi qu'un système hydraulique ( 14-17) communiquant avec le vérin pour appliquer à la tige du vérin ladite force alternative. 3) Source sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens moteurs pour engendrer ladite force comportent un corps creux ( 23) fixé à l'intérieur de l'enceinte ( 6), la masse réactive ( 8) étant adaptée à coulisser de façon sensiblement étanche à l'intérieur du corps, et un système hydraulique ( 14-17) communiquant avec le corps ( 23) de part et d'autre de la masse réactive ( 8), pour appliquer à celle- ci ladite force alternative. 4) Source sismique selon la revendication 2 ou 3, 3 O caractérisée en ce que le système hydraulique comporte des circuits hydrauliques contenant un fluide, une pompe ( 15) pour porter le fluide dans les circuits à une pression déterminée, des moyens moteurs ( 16) disposés dans l'enceinte pour entraîner la pompe et des moyens de distribution ( 17) pour distribuer le fluide sous pression de façon à appliquer à la masse réactive ( 8) la force alternative. ) Source sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens électro-mécaniques ( 24) pour engendrer ladite force et des moyens de liaison pour transmettre les vibrations engendrées par les moyens électro-mécaniques à ladite masse réactive. 6) Source sismique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens électro-mécaniques comportent des éléments piézo-électriques pilotés par un ensemble d'émission. 7) Source sismique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens électro-mécaniques comportent un vibrateur électro-dynamique. 8) Source sismique selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comporte des moyens ( 20) actionnés par un courant de fluide circulant dans le train de tiges pour produire de l'énergie pour le fonctionnement des moyens moteurs. 9) Source sismique selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens ( 20) pour produire de l'énergie comportent un générateur de courant électrique. ) Source sismique selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens ( 20) pour produire de l'énergie comportent un générateur d'énergie hydraulique. 11) Source sismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble électronique de pilotage pour contrôler lesdits moyens moteurs. 12) Source sismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de communication entre ladite enceinte et une installation de surface. 13) Source sismique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens de communication comportent des éléments de liaison par ondes de pression modulées. 14) Source sismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'absorption interposés pour éviter la transmission à la garniture d'au moins une partie de l'énergie créée par le fonctionnement de la source. ) Méthode pour la mise en oeuvre de la source sismique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comporte la mise en place de capteurs sismiques en surface et/ou dans au moins un puits; la mise en place de la source dans la tige intercalée sur la garniture au voisinage de l'outil de forage; le forage d'un puits au moyen dudit outil de forage; et l'enregistrement des ondes reçues par les capteurs sismiques en réponse aux ébranlements appliquées aux formations environnant le puits en cours de forage. 16) Méthode selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte la transmission de signaux entre la source et une installation de surface.