Brevet FR2703470A1 — publié le 19941007

La présente invention concerne un dispositif d'émission- réception pour suivre l'évolution au cours du temps d'une formation souterraine, qui est installé à demeure dans un ou plusieurs puits, ainsi qu'une méthode mettant en oeuvre le dispositif. Le dispositif selon l'invention convient par exemple pour suivre l'évolution d'une formation recélant des effluents notamment pétroliers, cette évolution étant liée par exemple à des opérations de production. La présente invention trouve des applications notamment pour la surveillance d'un champ pétrolier ou gazier o les exploitants ont besoin de suivre de façon précise l'évolution dans le temps des saturations des fluides dans une zone souterraine de production. Un procédé connu pour suivre l'évolution d'une formation en cours de production consiste par exemple à descendre dans des puits d'observation répartis sur un champ de production, à intervalles réguliers, des outils de diagraphie à neutrons et en déplaçant l'outil dans l'épaisseur des couches-réservoirs, à effectuer des logs qui sont interprétés en termes de saturation en gaz et corrélés avec les quantités de fluide produites ou injectées. __ Ce procédé présente les avantages liées à la mobilité des émetteurs et récepteurs de signaux employés mais en contrepartie, il demande à chaque période d'investigation, que l'on interrompe les opérations qui sont menées au moyen du puits le temps nécessaire au déplacement de la sonde de mesure. Il est donc souhaitable que l'on puisse effectuer des opération de diagraphie d'une zone souterraine plus ou moins épaisse, sans pour autant rendre indisponible les puits traversant cette zone. Par les brevets FR 2 600 172, 2 642 849, 2 681 373 (Aff 2533, 2903, 3279) du demandeur, on connait une technique pour éviter l'indisponibilité d'un puits qui consiste e SS eniel Ierlent a installer un grand noib;e de capteurs aà l'extérieur de tubes destinés à cuveler un ou plusieurs puits traversant une zone à surveiller Ces capteurs associés à des boitiers électroniques locaux, sont reliés par des lignes de transmission à une station de commande et d'enregistrement en surface Un tube de cuvelage (ou casing) étant mis en place, les capteurs qui se retrouvent dans l'espace annulaire entre lui et le puits, sont couplés avec les formations environnant le puits par le ciment de scellement Cette technique d'installation et de couplage permet de faire de l'écoute passive des bruits émis spontanément par une formation en cours de production ou bien 1 O encore de mener des opérations de prospection sismique en enregistrant les signaux reçus par les différents capteurs en réponse à des ondes acoustiques ou sismiques émises dans la formation par une source disposée en surface On peut aussi utiliser une source de puits que l'on descend dans un autre puits ou éventuellement dans le même puits mais cet agencement qui rend le puits indisponible, n'est pas compatible avec une surveillance de longue durée. Le dispositif d'émission-réception acoustique ou sismique à caractère permanent selon l'invention permet de suivre l'évolution au cours du temps d'une formation souterraine Il est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un ensemble drémission et de réception d'ondes acoustiques ou sismiques installé à demeure dans au moins un puits, comprenant au moins une unité d'émission et au moins une unité de réception disposées à des profondeurs différentes de manière à être couplées avec les terrains environnant ledit puits tout en le laissant libre pour une autre activité (liée notamment à la mise en production de la formation), une station de commande et d'enregistrement comportant un ensemble de commande pour 3 O piloter successivement l'émission d'ondes acoustiques ou sismiques par plusieurs unités d'émission de l'ensemble d'émission et de réception et un système de transmission pour relier la station à l'ensemble d'émission et de réceptionr. L'ensemble d'émission-réception comporte par exemple plusieurs unités d'émission et de réception réparties sur une portion de longueur d'au moins un puits et disposées en alternance. L'ensemble d'émissionréception peut comporter aussi des unités répartis dans plusieurs puits. Suivant un mode de réalisation, chaque unité d'émission est associée à un module local de commande et dans ce cas, l'ensemble d'émission et de réception peut comporter plusieurs 1 O groupes d'émission-réception disposés à des profondeurs différentes dans le puits, chacun d'eux étant adapté à émettre et à recevoir des ondes acoustiques ou sismiques et étant associé à un module local d'interface. Chaque groupe d'émission-réception comporte par exemple 1 5 au moins un transducteur émetteur-récepteur. Suivant un mode de réalisation, chaque transducteur émetteur-récepteur est un géophone ou bien encore un accéléromètre et de préférence le dispositif comporte des moyens pour appliquer aux unités d'émission des signaux dont la fréquence varie au cours du temps. Suivant un agencement possible, une partie au moins des unités d'émission et de réception sont disposées dans au moins un puits pourvu d'un tube de cuvelage, dans l'espace annulaire entre lui et le puits et noyés dans du ciment de scellement. Suivant un autre agencement, une partie au moins des unités d'émission et de réception sont disposées à l'extérieur d'un tube mis en place dans au moins un puits et reliés à lui par des moyens de liaison permettant un découplage acoustique par rapport au tube. 3 O La méthode d'investigation selon l'invention permet de suivre l'évolution au cours du temps d'une formation souterraine au moyen d'ondes acoustiques ou sismiques Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison 1) l'installation à poste fixe dans au moins un puits foré au travers de la formation souterraine, d'un ensemble d'émission et de réception d'ondes acoustiques ou sismiques comprenant au moins une unité d'émission et au moins une unité de réception disposées à des profondeurs différentes, cet ensemble étant disposé de manière à être couplé avec les terrains environnant le puits tout en laissant celui-ci accessible (pour une activité liée à la mise en production de la formation par exemple), 2) la réalisation de cycles d'émission-réception comportant 1 O chacun: a) l'émission d'ondes par l'unité d'émission successivement par plusieurs desdites unités d'émission situées à des profondeurs différentes; ainsi que b) la réception des ondes émanant de la formation en 1 5 réponse aux émissions successives et leur enregistrement; et 3) une comparaison des enregistrements effectués au cours de cycles successifs de façon à mettre en évidence les modifications de la formation au cours du temps consécutives à la production des effluents. Avec certaines configurations d'unités d'émission et de réception, on réalise dans certains cas une diagraphie des formations environnant les puits Avec d'autres configurations, on réalise des opérations de prospection sismique de puits à puits. Avec le dispositif selon l'invention on peut donc selon l'agencement utilisé, réaliser toutes sortes d'opérations de prospection sismique ou de diagraphie, et ceci sans jamais gêner l'exploitation de la zone surveillée. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention et de la méthode de mise en oeuvre apparaîtront 3 O mieux 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 F Ig 1 %mon Ctre schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif avec un ensemble d'émission- réception 2703470 d'ondes acoustiques ou sismiques comportant au moins une unité d'émission et au moins une unité de réception installées à demeure à des profondeurs différentes derrière un tube de cuvelage (casing) et couplées avec les formations par du ciment de scellement; la Fig 2 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation o l'ensemble d'émission-réception comporte par exemple deux unités d'émission et deux unités de réception qui sont disposées à intervalles les unes des autres le long d'un 1 O tube et positionnées dans un puits à des profondeurs différentes, par une mise en place du tube dans celui-ci; la Fig 3 montre schématiquement une variante du mode de réalisation de la Fig 1 o l'on dispose au niveau d'une zone à surveiller, un ensemble d'unités d'émission et d'unités de réception disposées derrière un tube de cuvelage, à distance les unes des autres et en alternance, une unité d'émission étant intercalée entre deux unités de réception successives; la Fig 4 montre schématiquement un agencement analogue au précédent appliqué au mode de réalisation de la Fig 2; la Fig 5 montre une variante du mode de réalisation de la Fig 1 o les unités d'émission et de réception utilisées sont des transducteurs capables de fonctionner en émetteurs d'ondes qu'en récepteurs, cette variante étant également applicable au mode de réalisation de la Fig 2; et la Fig 6 montre schématiquement un boitier pour trois transducteurs dont les axes sont orientés suivant trois directions orthogonales, que l'on peut utiliser pour émettre des ondes et capter les composantes d'ondes induites reçues. La méthode selon l'invention est mise en oeuvre au moyen 3 O d'un ensemble d'émission-réception disposé à poste fixe dans au moins un puits traversant une formation souterraine recélant par exemple des effluents pétroliers et couplé avec les formations environnant le puits, de mianière î laisser le libre accès au puits pour tout autre activité Cet ensemble comporte un nombre p déterminé d'unités d'émission et de réception d'ondes acoustiques ou sismiques, et il est relié par un système de transmission comportant un ou plusieurs câbles de transmission, à une station centrale de commande et d'enregistrement. Les unités d'émission et de réception Ul, U 2, Uk Up peuvent être installées à poste fixe dans un puits 1 suivant une technique décrite dans les brevets français 2 600 172, 2 642 849, 2.681,373 (Aff 2533, 2903, 3279) déjà cités Les p unités Ul à Up sont positionnées derrière un tube de cuvelage ou casing 2 qui est ensuite descendu dans le puits De préférence les unités sont placées dans des logements (non représentés sur la figure) aménagés à cet effet Le ciment que l'on injecte ensuite dans l'espace 3 entre le tube et les parois du puits, assure le couplage acoustique des unités d'émission et de réception avec les 1 5 formations environnantes Les unités d'émission et de réception (U-Up) sont reliées de façon permanente par un système de transmission comportant au moins un câble 4, à une station 5 de surface comportant un ensemble de commande (Uc) et un ensemble d'enregistrement SR Dans tous les cas, le _ 2 positionnement de l'ensemble d'émission- réception à l'extérieur du tube, laisse le puits libre d'accès pour d'autres utilisations. Suivant le mode de réalisation de la Fig 2, on installe à poste fixe un ensemble d'émission-réception comprenant un nombre p déterminé d'unités Ul, U 2, Uk, Up suivant une technique décrite par exemple dans les brevets FR 2 656 034, 2 674 029 (Aff 3007, 3190 Czernichow, Laurent) Ces unités sont associées à une colonne tubulaire 6 que l'on descend dans un puits cuvelé. Elles sont plaquées en opération contre le tube de cuvelage de manière à améliorer leur couplage avec les formations environnant le puits Des moyens de liaison 7 connectent les différentes unités à la station de surface 5 Là encore, le positionnement de l'ensemble d'émission- réception à l'extérieur de la colonne tubulaire 6, laisse le puits libre d'avccs pour d'autres utilisations. De préférence, le système de transmission comporte des modules électroniques (non représentés) associés aux unités de réception Ils sont alimentés depuis la station de surface 5 et adaptés à numériser les signaux reçus et à les transmettre sous une forme codée pour leur enregistrement. Les unités Ul à Up peuvent être installées de part et d'autre de la portion de puits traversant la zone Z et/ou le long de cette portion de puits Une ou plusieurs de ces unités sont des émetteurs d'ondes sismiques ou acoustiques Une ou plusieurs 1 O d'entre elles sont des récepteurs de ces mêmes ondes. Dans sa configuration la plus simple, le dispositif selon l'invention comporte un ensemble d'émission-réception d'ondes acoustiques ou sismiques constitué de deux unités Ul et U 2. L'une des unités Ul est une unité d'émission disposée dans le puits audessus de la zone à surveiller par exemple, l'autre unité U 2 étant une unité de réception que l'on dispose au-dessous de cette même zone. En actionnant à intervalles choisis l'unité d'émission Ul si elle est unique ou chacune d'elles si l'ensemble en comporte plusieurs, on peut enregistrer à la station 5 les ondes P ou S induites reçues par l'unité de réception U 2 ou chacune d'elles, et par des comparaisons entre les jeux d'enregistrement successifs, déterminer par exemple les variations dans le temps, de la saturation en gaz des formations traversées. Suivant les variantes des modes de réalisation des Fig 1 et 2 respectivement, schématisées aux Fig 3 et 4, l'ensemble d'émissionréception peut comporter par exemple p unités d'émission et de réception RI, El, R 2, E 2, Rn, En disposées en alternance et à intervalles réguliers le long de la portion de puits traversant la zone Z à surveiller. Avec un tel agencement, on peut réaliser une diagraphie acoustique de la zone Z en ondes P ou S On active chaque émetteur El à En successivement et on reçoit les ondes induites renvoyées par la formation sur les récepteurs voisins de chacun d'eux On peut ainsi déterminer par exemple les variations au cours du temps de la saturation des roches en gaz. Un mode pratique de réalisation de l'ensemble d'émission- réception consiste par exemple à mettre en place p transducteurs ER 1, E Rk-l, E Rk, E Rk+l E Rp, (Fig 5) capables de fonctionner aussi bien en émetteurs qu'en récepteurs d'ondes acoustiques ou sismiques Chaque transducteur E Rk émet successivement un signal et les signaux induits sont reçus par les deux transducteurs adjacents E Rk 1 et E Rk+l par exemple. 1 O Comme transducteurs, on peut utiliser par exemple des géophones que l'on fait fonctionner en vibrateurs L'énergie qu'ils peuvent rayonner étant faible, on les alimente de préférence avec un signal vibratoire dont la fréquence varie dans le temps. La durée d'émission du signal de fréquence variable est déterminée en fonction de la puissance que peut rayonner le transducteur choisi, de façon à pouvoir obtenir des enregistrements exploitables. Bien que leur impédance électrique soit généralement beaucoup plus grande que celle des géophones, on peut néanmoins utiliser aussi des accéléromètres de type piézo-électrique par exemple. Un mode de commande de chaque unité d'émission et notamment de chaque transducteur utilisé en émetteur consiste à engendrer in situ les signaux d'émission. Le système de transmission comporte dans ce cas des générateurs locaux de signal (non représentés) alimentés en énergie électrique depuis la station de surface 5, ces générateurs étant adaptés à générer le signal à émettre en fonction de signaux codés reçus par des lignes de transmission dans le câble 4 (Fig 1, 3 O 2) Suivant les cas, le signal appliqué à chaque transducteur peut être impulsionnel ou continu. Un système de liaison permettant les communications b-direction elles entre les différentes unités de l'ensemble d'émission-réception et la station de surface 5 et la transmission d'énergie électrique vers les unités d'émission, est décrit par exemple dans les demandes de brevet français FR 91/15 691, 92/03 575 (Aff 3317, 3364 Staron, Cretin) du demandeur. Pour interconnecter les différentes unités d'émission et de réception, on peut utiliser aussi des lignes courant dans des canalisations hydrauliques, suivant la technique décrite dans le brevet FR 91/15 483 (Aff 3315 J Laurent). On a décrit un ensemble d'émission-réception relié en permanence à la station de surface 5 Cette connexion à la station 5 des unités de l'ensemble d'émission-réception peut toutefois être effectuée aussi de façon discontinue seulement durant les périodes d'observation sismique de la zone Z, suivant la technique décrite dans le brevet FR 92/02 201 (Aff 3349 P Meynier) du demandeur. On a décrit des modes de réalisation o l'ensemble d'émission-réception est placé dans un seul puits Il est bien évident toutefois que les unités d'émission et de réception peuvent être réparties dans plusieurs puits traversant la zone à surveiller, de façon à faire de la prospection sismique de puits à puits. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'émission-réception acoustique ou sismique à caractère permanent, pour suivre l'évolution au cours du temps d'une formation souterraine, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un ensemble d'émission et de réception d'ondes acoustiques ou sismiques (Ul-Up) installé à demeure dans au moins un puits ( 1), comprenant au moins une unité d'émission et au moins une unité de réception disposées à des profondeurs 1 O différentes de manière à être couplées avec les terrains environnant ledit puits tout en le laissant libre pour une autre activité, une station de commande et d'enregistrement ( 5) comportant un ensemble de commande (Uc) pour piloter successivement l'émission d'ondes acoustiques ou sismiques par plusieurs unités d'émission de l'ensemble d'émission et de réception et un système de transmission ( 4, 7) pour relier la station à l'ensemble d'émission et de réception. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'émission-réception (U 1-Up) comporte plusieurs unités d'émission et de réception réparties sur une portion de longueur d'au moins un puits et disposées en alternance. 3) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'émission-réception comporte des unités répartis dans plusieurs puits. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque unité d'émission (U) est associée à un module local de commande. ) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'ensemble d'émission et de réception comporte 3 O plusieurs groupes (E, R) d'émission-réception disposés à des profondeurs différentes dans le puits, chacun d'eux étant adapté à émettre et à recevoir des ondes acoustiques ou sismiques et étant associé à un module local u'iiterface. 1 1 6) Dispositif selon la revendication précécedente, caractérisé en ce que chaque groupe d'émission-réception comporte au moins un transducteur émetteur-récepteur (ERJ-E Rp). 7) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque transducteur émetteur-récepteur est un géophone. 8) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque transducteur émetteur-récepteur est un accéléromètre. 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 1 O caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer auxdites unités d'émission des signaux dont la fréquence varie au cours du temps. ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins des unités d'émission et de réception est disposée dans au moins un puits pourvu d'un tube de cuvelage ( 2), dans l'espace annulaire ( 3) entre lui et le puits ( 1) et noyés dans du ciment de scellement. 11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie au moins des unités d'émission et de réception est disposée à l'extérieur d'une colone tubulaire ( 6) mise en place dans au moins un puits et reliés à elle par des moyens de liaison permettant un découplage acoustique par rapport à ladite colonne. 12) Méthode d'investigation pour suivre l'évolution au cours du temps d'une formation souterraine au moyen d'ondes acoustiques ou sismiques, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison: 1) l'installation à poste fixe dans au moins un puits foré au travers de la formation souterraine, d'un ensemble d'émission et 3 O de réception d'ondes acoustiques ou sismiques (Ul-Up) comprenant au moins une unité d'émission et au moins une unité de réception disposées à des profondeurs différentes, cet ensemble étant disposé de manière à être couplé a-ec les terrains environnant le puits ( 1) tout en laissant celui-ci accessible; 2) la réalisation de cycles d'émission-réception comportant chacun: a) l'émission d'ondes par chaque unité d'émission ainsi que b) la réception des ondes émanant de la formation en réponse aux émissions successives et leur enregistrement; et 3) une comparaison des enregistrements effectués au cours de cycles successifs de façon à mettre en évidence les modifications de la formation au cours du temps consécutives à la production des effluents. 1 O 13) Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que, l'ensemble d'émission et de réception comportant plusieurs groupes d'émission-réception (R, E) disposés à des profondeurs différentes le long d'au moins un puits dans une portion de celui-ci traversant une zone du sous-sol, la réalisation desdits cycles d'émission-réception consiste en une diagraphie des formations dans ladite portion en activant successivement les différents groupes d'émission-réception pour émettre des ondes à des emplacements différents le long du puits. 14) Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque groupe d'émission-réception étant constitué d'un transducteur pouvant fonctionner alternativement en émetteur et en récepteur on réalise une disgraphie des formations traversées par la portion de puits en activant successivement tous les transducteurs au moyen de signaux à fréquence variable et on reçoit les signaux induits au moyen des autres transducteurs. ) Méthode selon la revendication 12, caractérisée en ce que, l'ensemble d'émission et de réception comportant plusieurs unités d'émission disposées à des profondeurs différentes le long 3 O d'au moins un premier puits dans une portion de celui-ci traversant une zone du sous-sol, et plusieurs unités de réception réparties à des profondeurs différentes le long d'au moins un deuxième puits, la réalisation de cycles d'émission-réception comporte une activation successive de différents groupes d'émission dans un puits pour émettre des ondes à des emplacements différents; le long du premier puits et la réception d'ondes par des unités de réception le long du deuxième puits.