Brevet FR2716536A1 — publié le 19950825

La présente invention concerne les procédés et les dispositifs permettant de mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux, trouvant une application particulièrement avantageuse dans le cas de la mesure in situ de la perméabilité d'une formation géologique, par exemple au fond d'un puits de pétrole. On sait que le pétrole est extrait à partir de puits réalisés dans les champs pétrolifères qui se trouvent dans de nombreux types de sols et sous-sols qui n'ont pas tous la même qualité de production. Cette qualité dépend essentiellement de la quantité de pétrole disponible, mais aussi récupérable, et donc, notamment mais non exclusivement, de la perméabilité du milieu rocheux dans lequel il se trouve emprisonné, c'est- à-dire la facilité avec laquelle le pétrole peut s'écouler jusqu'au puits pour être ensuite extrait par des techniques qui sont connues en elles- mêmes. On conçoit alors l'importance qu'il y a à connaître la perméabilité de toute formation géologique susceptible d'être le siège de l'exploitation d'un gisement, par exemple de pétrole ou de gaz naturel. I.'un des premiers procédés connus pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux consistait à réaliser des carottes de ce milieu, puis à analyser ces carottes en laboratoire. Ce procédé présentait de nombreux incmnvénients, en particulier le fait qu'il était très difficile de déduire la valeur réelle de la perméabilité du milieu rocheux à partir des résultats des mesures effectuées en laboratoire. Pour pallier cet inconvénient, on a essayé de mettre en oeuvre des procédés et de réaliser des dispositifs pour tenter d'effectuer in situ la mesure de la perméabilité d'un milieu rocheux. Du document constitué par le US-A-4 427 944, sont connus notamment un procédé et un dispositif qui permettent de nlesurer la perméabilité in situ d'un milieu rocheux, par exemple au fond d'un puits de pétrole. l.e procédé qui est décrit dans ce document consiste à positionner, en contact avec la paroi latérale du puits et sensiblement en un point situé au niveau o la perméabilité doit être mesurée, une source d'excitation, à commander cette source de façon qu'elle produise un potentiel électrocinétique transitoire dans le milieu rocheux autour du point de contact, a mesurer l'amplitude de ce potentiel électrocinétique, à déterminer un signal caractéristique fonction du temps de réponse de ce potentiel électrocinétique créé dans le milieu rocheux, et à déterminer la perméabilité de ce milieu ro(cheutx autour du point de contact en fonction de ce temps de réponse du potentiel électrocinétique. ILe dispositif qui permet de mettre en oeuvre ce procédé est essentiellement constitué par un outil capable de créer un potentiel électrocinétique transitoire dans le milieu rocheux, des moyens pour positionner cet outil au contact de la paroi du puits sensiblement en un point situé au niveau du milieu rocheux o l'on veut mesurer la perméabilité, des moyens pour commander l'outil afin qu'il produise un excitation capable de réaliser effectivement le potentiel électrocinétique transitoire, au moins deux électrodes qui sont plaquées contre la paroi du puits de part et d'autre du point d'excitation pour mesurer le potentiel électrocinétique, et des moyens pour traiter le signal délivré par ces électrodes afin de déterminer la perméabilité du milieu rocheux au niveau du point d'excitation. Ce procédé et ce dispositif présentent l'avantage de permettre des mesures de perméabilité des formations géologiques, effectuées in situ dans des puits réalisés dans ces formations géologiques, mais présentent encore, notamment, les inconvénients suivants. Un bruit de fond de potentiel spontané généralement important environne le potentiel électrocinétique à détecter, alors que ce dernier est toujours très faible. le contact des électrodes avec la paroi du puits doit être constant et excellent, ce qui est très difficile compte tenu de la géométrie d'un forage, et la présence de boues dans le puits peut créer des impédances parasites entre les électrodes et la paroi. En conséquence, même lorsqu'elle est théoriquement possible, la mesure du potentiel électrocinétique n'est pas fiable et les résultats de test fournis par les mnovens de traitement des signaux délivrés par les électrodes sont faussés. La présente invention a ainsi pour but de mettre en oeuvre un procédé pour mesurer in situ la perméabilité d'un milieu rocheux, et de réaliser un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé, qui pallient en grande partie les incolnvénients mentionnés ci-dessus. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux, caractérisé par le fait qu'il consiste: - à remplir les interstices pouvant se trouver dans ledit milieu rocheux avec un fluide donné, - a imprimer audit fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport audit milieu rocheux, - a mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux, et - a déterminer la perméabilité dudit milieu rocheux en fonction dudit champ magnétique mesuré. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux contenant un fluide dans ses interstices, caractérisé par le fait qu'il comporte: - des moyens pour imprimer audit fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport audit milieu rocheux, - des moyens pour mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux, et - des moyens pour déterminer la perméabilité dudit milieu rocheux en fonction de la mesure dudit champ magnétique mesuré. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels: La figure unique représente, sous forme schématique, un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, permettant de mesurer in situ la perméabilité d'un milieu rocheux, dans une application à un puits darns un gisement de pétrole ou de gaz naturel. La présente invention concerne un procédé pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux 100, par exemple une formation géologique dans laquelle est réalisé un puits de pétrole ou analogue 50. Le procédé consiste tout d'abord à remplir les interstices pouvant se trouver dans le milieu rocheux, s'ils ne le sont pas déjà naturellement, avec un fluide donné, par exemple de l'eau ou tout autre fluide couramment utilisé dans les puits de pétrole. Quand les interstices du milieu rocheux sont remplis d'un tel fluide, on imprime à ce fluide interstitiel, par tous moyens parmi lesquels ceux qui sont décrits ci-après, un mouvement relatif par rapport au milieu rocheux 100, essentiellement par impulsions. Quand le fluide interstitiel est mis en mouvement, des courants électriques circulent et la circulation de ces courants crée un champ magnétique. Le procédé selon l'invention consiste alors à mesurer ce champ magnétique induit dans le milieu rocheux par le déplacement relatif du fluide interstitiel par rapport aux roches de la formation géologique testée. Dans la dernière étape du procédé, on détermine la perméabilité du milieu rocheux en fonction du champ magnétique mesuré, par exemple par comparaison avec des abaques ou à l'aide d'un ordinateur dont le programme de calcul a été élaboré à partir, par exemple, de ces abaques. Il peut aussi arriver que, à l'endroit o l'on veut déterminer la perméabilité d'une formation géologique, il existe un champ magnétique scCondaire considéré comme parasite par rapport au champ magnétique induit par le déplacement relatif du fluide interstitiel. Dans ce cas, le procédé consiste à mesurer la valeur du champ magnétique parasite et la valeur du champ magnétique total à l'endroit de la mesure pendant l'excitation du fluide interstitiel, puis à soustraire la valeur du champ magnétique parasite, de celle du champ magnétique total, pour obtenir la valeur du champ magnétique induit par l'excitation du fluide interstitiel. L.'invention a également pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, la figure unique représentant un mode de réalisation de ce dispositif dans l'application à la mesure de la perméabilité du milieu rocheux 100) dont, pour la simplification de la description, les interstices sont supposés déjà remplis du fluide interstitiel mentionné dans la description du procédé. Cci étant précisé, le dispositif comporte des moyens 1 pour imprimer au fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport au milieu r(cheux 100()(), ides moyens 2 pour mesurer le champ magnétique créé par la circulati(on, dans le milieu rocheux, des courants électriques produit par ce mouvement relatif du fluide interstitiel, et des moyens 3 pour déterminer la perméabilité du milieu rocheux en fonction de la valeur du champ magnétique mesure. Les moyens i pour imprimer au fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport au milieu rocheux 100 peuvent être constitués de différentes façons. l)ans un mode de réalisation préférentiel, ils peuvent être constitués par des moyens 10 pour effectuer, sensiblement en un point 11 du milieu rocheux, et plus particulièrement de la paroi 56 du puits 50, une excitation suivant une direction donnée 12 sensiblement perpendiculaire à cettc paroi 56 et orientée vers le milieu rocheux. Dans une réalisation possible, ces moyens 10 pour effectuer une excitation sur le fluide interstitiel sont constitués par des moyens d'injection 13 d'un fluide auxiliaire sous pression, comme de l'eau ou analogue, cOmportant une pompe 15 commandée, par exemple cycliquement à une fréquence donnée relativement faible, pour envoyer des impulsions de ce fluide auxiliaire dans une conduite 16 qui débouche au point 11, afin de l'injecter dans le milieu rocheux et provoquer de ce fait le déplacement relatif du fluide interstitiel décrit ci-avant. Selon un autre mode de réalisation, les moyens 10 peuvent être constitués par des moyens d'émission d'ondes de compression 14 comportant une chambre de pression 17 séparée de la paroi 56 du puits 50, sensiblement au point d'excitation 11, par une membrane souple et élastique 18, et, par exemple, la même pompe 15 décrite ci-dessus qui envoie les mêmes impulsions de fluide auxiliaire sous pression, mais dans la chambre 17. C'est alors la pression créée au niveau de la membrane 18 qui transmet les impulsions. Cette dernière réalisation présente l'avantage de séparer le fluide auxiliaire du fluide interstitiel et permet d'effectuer des mesures en dynamique. (Quel que soit le mode de réalisation des moyens 10 pour provoquer le déplacement relatif du fluide interstitiel par rapport au milieu rocheux, il est avantageux que les moyens 2 pour mesurer le champ magnétique produit par ce mouvement relatif du fluide dans le milieu rocheux soient constitués par au moins un magnétomètre. Dans l'exemple illustré sur la figure unique, le dispositif comporte deux magnétomètres schématiquement représentés par deux bobines magnétiques 21, 22 disposées sensiblement symétriquement par rapport à un plan passant par le point 11, contenant la direction 12 et sensiblement perpendiculaire à la paroi 56. De façon avantageuse, les spires 23, 24 des deux bobines sont enroulées dans le même sens par rapport à un même référentiel, pour que la mesure du champ magnétique soit la plus précise possible. Il est cependant bien précisé que cette représentation ne doit pas être prise pour une limitation de la réalisation des moyens 2 à des bobines magnétiques. lDans une réalisation plus spécialement adaptée à la mesure de la perméabilité in situ du milieu rocheux 100 que traverse un puits de forage 50 d'un diamètre d'une valeur par exemple désignée par "d", le dispositif comporte en outre des moyens commandables 51, par exemple des bras télescopiques commandables ou analogues 53, 54, pour maintenir les deux bobines 21, 22 à une distance déterminée "h" du point 11 défini ci- avant. Ces moyens permettent en outre de maintenir les deux bobines à une certaine distance de la paroi 56 du puits 5(), ce qui leur évite d'être au contact de cette paroi. Il est à noter que les Demandeurs ont trouvé que les signaux délivrés par les bobines ont une amplitude maximale lorsque "h" est sensiblement égale aux neuf dixièmes de "d" (h 0,9 x d), et que les axes 25, 26 des deux bobines 21, 22 sont sensiblement parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction 12. Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif, les moyens 3 p(our déterminer la perméabilité du milieu rocheux 100 au niveau du point d'excitation 11 en fonction de la mesure du champ magnétique comprennent une unité de traitement programmable 30 comportant au moins deux entrées de signaux 31, 32 et des premier 33 et second 34 moyens, comme des amplificateurs différentiels, pour appliquer les signaux obtenus aux sorties 35, 36 des deux bobines 21, 22, respectivement aux deux entrées 31, 32 de l'unité de traitement 3(). quand il existe, à l'endroit du point d'excitation 11, un champ magnétique secondaire, tel que le champ magnétique terrestre et/ou le champ magnétique rémanent des roches, considéré comme champ parasite par rapport au champ magnétique induit par le mouvement relatif du fluide interstitiel, les moyens de mesure 2 de la valeur du champ magnétique définis ci-dessus comportent des moyens pour mesurer la valeur du champ magnétique secondaire, des moyens pour mesurer la valeur du champ magnétique total régnant au niveau du point 11 pendant l'excitation du fluide interstitiel, et des moyens pour soustraire la valeur du champ magnétique secondaire, de celle du champ magnétique total. L.es moyens pour mesurer la valeur du champ magnétique secondaire peuvent être de tout type selon la nature de ce champ et sont montés en coopération avec les moyens 3 pour que les valeurs qu'ils délivrent soient soustraites en continu de celles délivrées par les moyens 2. Lorsque la valeur de ce champ magnétique secondaire est connue, elle peut être mise en mémoire dans l'unité de traitement 30 et directement soustraite de la valeur délivrée à la sortie des moyens de mesure 2. Cette unité de traitement 30 est avantageusement constituée, par exemple, par micro-ordinateur ou analogue programmé pour délivrer en sa sortie 37 une valeur représentative de la perméabilité mesurée. Le programme de cette unité peut être élaboré au moyen d'abaques déduites, par exemple, par expérimentation. lDans l'application avantageuse de l'utilisation du dispositif selon l'invention, à la mesure de la perméabilité du milieu rocheux traversé par un puits de fl'orage comme illustré sur la figure unique, le dispositif comporte un outil 7() constitué, par exemple, par une enceinte 71 en un matériau de préférence isolant, apte à être descendu dans le puits par tout moyen, n(otamment un câble 72 associé à un treuil ou analogue situé à la surface du sol dans lequel est réalisé ce puits. Cette enceinte enferme l'ensemble des moyens pour réaliser, au niveau du point 11, l'excitation suivant une direction donnée 12 sensiblement perpendiculaire à la paroi 56 du puits, l'ensemble de ces moyens étant constitué par: l'extrémité de la conduite 16 ou la chambre 17 avec la membrane 18 qui débouchent sur le côté de l'enceinte 71 par une fenêtre 74 réalisée dans la paroi de cette enceinte, les moyens 2 pour mesurer le champ magnétique, en l'occurrence les deux bobines magnétiques 21, 22, et les moyens commandables 51, par exemple les bras télescopiques commandables ou analogues 53, 54, pour maintenir les deux bobines 21, 22 à une distance déterminée "h" du point 11. Cette enceinte 71 enferme aussi des moyens 52 pour commander les moyens commandables 51, ainsi que des moyens 73 qui permettent de plaquer cette enceinte contre la paroi 56 de façon à pouvoir provoquer une excitation optimale du fluide interstitiel. Dans une mode de réalisation avantageux, les moyens 73 qui permettent de positionner l'enceinte dans le puits de facon que la fenêtre 74 soit plaquée contre la paroi 56 comportent très schématiquement un patin 75 monté à l'extrémité 76 d'un bras télescopique 77 qui traverse la paroi de l'enceinte 71 par une ouverture 78. L'autre extrémité 79 de ce bras télescopique est par exemple montée en association avec une boîte d'engrenages commandable 80 ou analogue solidaire de l'enceinte 71. La direction de ce bras télescopique 77 est sensiblement confondue avec la direction 12 d'excitation définie ci-avant et l'ouverture 78 est sensiblement opposée à la fenêtre 74 qui entoure le point d'excitation 11. De cette façon, lorsque l'enceinte est descendue en un point donné à l'intérieur du puits et que l'on veut effectuer une mesure de la perméabilité sensiblement au niveau de ce point, on commande la boite d'engrenages 80, par exemple au moyen d'un moteur électrique, pour allonger le bras télescopique 77 jusqu'à ce que le patin 75 vienne buter contre la portion de paroi 57 du puits opposée à la portion de paroi sur laquelle est défini l'emplacement du point d'excitation 11. En s'appuyant sur cette portion de paroi 57, le patin exerce une force de contreréaction qui permet de plaquer fermiement la fenêtre 74 contre la paroi 56 autour du point d'excitation 11. l'outil est alors parfaitement positionné et la mesure de la perméabilité peut être elfectuée. Lorsque les moyens 73 sont réalisés comme décrit ci-dessus, les moyvens 52 pour commander les moyens commandables 51 peuvent être avantageusemenit couplés avec ces moyens 73, essentiellement au niveau de la boite d'engrenages 80(). Cette boite comporte alors une sortie pour chacun des trois bras télescopiques 53, 54 et 77 qui sont par exemple du type "à crémaillère". Dans le cas de l'application à la mesure de la perméabilité d'un milieu rocheux traversé par un puits de forage, la boite d'engrenages est conçue de façon que, par un système de démultiplication, à un allongement d'une première valeur donnée "ALd" du bras télescopique 77, correspond un allongement d'une valeur égale à "0,9 x Ad" des deux bras télescopiques 53, 54. La distance séparant les deux bobines magnétiques 21, 22 du point d'excitation 11 est ainsi automatiquement asservie à la valeur du diamètre du puits au niveau du point d'excitation 11. Bien entendu, le mode de réalisation des moyens essentiellement constitues par les bras télescopiques 53, 54, 77 et la boîte 80 décrit ci- dessus n'est donné qu'à titre d'exemple et l'homme du métier connaissant les fo()nctions de ces moyens peut aisément en trouver d'autres. Les Demandeurs ont trouvé que les mesures effectuées à l'aide du proc(édé et du dispositif décrits ci-dessus étaient plus représentatives de la perméabilité du volume des roches sollicitées par la source d'excitation que celles qui étaient obtenues à partir des procédés et dispositifs selon l'art antérieur, et donc beaucoup plus fiables. REVENDICA T IONS 1. P'rocédé pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux (100), caractérisé par le fait qu'il consiste: - àa remplir les interstices pouvant se trouver dans ledit milieu rocheux avec un fluide donné, - a imprimer audit fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport audit milieu rocheux, - à mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux, et - à déterminer la perméabilité dudit milieu rocheux en fonction dudit champ magnétique mesuré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsqu'un champ magnétique secondaire règne dans le milieu rocheux, il consiste à mesurer la valeur du champ magnétique secondaire, à mesurer la valeur du champ magnétique total lorsque le fluide interstitiel est mis en mouvement relatif par rapport au milieu rocheux et à soustraire la valeur du champ magnétique secondaire, de celle du champ magnétique total. 3. Dispositif pour mesurer la perméabilité d'un milieu rocheux (100) contenant un fluide dans ses interstices, caractérisé par le fait qu'il comporte: - des moyens ( I1) pour imprimer audit fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport audit milieu rocheux (100), - des moyens (2) pour mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux, et - des moyens (3) pour déterminer la perméabilité dudit milieu rocheux en fonction de la mesure dudit champ magnétique mesuré. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens (1) pour imprimer audit fluide interstitiel un mouvement relatif par rapport audit milieu rocheux (1(00)) sont constitués par des moyens (10) pour effectuer, sensiblement en un point (11) dudit milieu rocheux, une excitation suivant une direction donnée (12), et que les moyens (2) pour mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif du fluide interstitiel dans le milieu rocheux sont constitués par au moins une bobine magnétique (21, 3 5 22). 5. I)ispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il c(()mporte au moins deux bobines magnétiques (21, 22) disposées sensiblement svymétriquement par rapport à un plan passant par ledit point d'excitation (11) et contenant ladite direction (12), les deux bobines magnétiques comportant des spires (23, 24) enroulées dans le même sens par rapport à un même référentiel. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que, lorsque la mesure de la perméabilité du milieu rocheux (100) est effectuée dans un puits de forage (50) d'un diamètre (d) donné, il comporte des moyens commnandables (51) pour maintenir les deux dites bobines (21, 22) à une distance déterminée (h) dudit point (11) qui est fonction de la valeur du diamètre (d) dudit puits (50). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (52) pour commander les moyens commandables (51) pour maintenir les deux dites bobines (21, 22) de façon que la distance (h) séparant chaque bobine (21, 22) du dit point (11) soit sensiblement égale aux neuf dixièmes de la valeur du diamètre (d) dudit puits (50). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les axes (25, 26) des bobines sont sensiblement parallèles entre eux et perpendiculaires à ladite direction (12). 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que les moyens (1()) pour effectuer, sensiblement en un point (11) dudit milieu rocheux, une excitation suivant une direction donnée (12) sont constitués par des moyens d'injection (13) d'un fluide auxiliaire sous pression. 1(). Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que les moyens (10) pour effectuer, sensiblement en un point (11) dudit milieu rocheux, une excitation suivant une direction donnée (12) sont c nstitués par des moyens d'émission d'ondes de compression (14). I l. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé par le fait que les moyens (3) pour déterminer la perméabilité dudit milieu rocheux (100()()) en fonction de la mesure dudit champ magnétique comprennent une unité de traitement programmable (30) comportant au moins une entrée (31, 32) de signaux et des moyens (33, 34) pour appliquer les signaux obtenus à la sortie (35, 36) de ladite bobine (21, 22) à l'entrée (31, 32) de ladite unité de traitement (3()). 12. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les nmoyens (2) pour mesurer le champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux sont constitués par au moins l'un des moyens suivants: magnétomètre, bobine magnétique. 1,3. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé par le lait que, lorsqu'un champ magnétique secondaire règne dans le milieu rocheux, les moyens (2) pour mesurer la valeur du champ magnétique produit par le mouvement relatif dudit fluide interstitiel dans le milieu rocheux comportent des moyens pour mesurer la valeur du champ magnétique secondaire, des moyens pour mesurer la valeur du champ magnétique total et des moyens pour soustraire la valeur du champ magnétique secondaire, de celle du champ magnétique total.