Brevet FR2733004A1 — publié le 19961018

PROCEDE ET INSTALLATION DE DETECTION EN SURFACE DE SIGNAUX ELECTROMAGNETIQUES EMIS AU FOND D'UN PUITS. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un procédé permettant de détecter en surface, en temps réel, des signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits par une antenne émettrice montée sur un train de tiges suspendu à une tour de forage. L'invention concerne également une installation mettant en oeuvre ce procédé. L'invention trouve des applications dans tous les cas o il est souhaitable de disposer en surface, en temps réel, d'informations telles que des résultats de mesures effectuées dans le fond d'un puits. Une application privilégiée concerne le domaine pétrolier, dans lequel l'invention peut être utilisée aussi bien sur des puits en mer que sur des puits à terre. Etat de la technique A différents moments de la vie d'un puits de pétrole, par exemple lors du forage et au début de la production, on effectue des mesures physiques dans le fond du puits telles que des mesures de température, de pression, de débit, etc.. Pour faire parvenir ces informations en surface, une solution traditionnelle consiste à associer aux instruments de mesure un appareil enregistreur sur lequel les informations sont mises en mémoire. L'utilisateur ne dispose alors de ces informations que lorsque l'appareil enregistreur est remonté en surface, c'est-à-dire lorsque toutes les mesures ont été effectuées. Dans de nombreux cas, il est cependant souhaitable de pouvoir disposer des informations en surface en temps réel, afin par exemple de tenir compte des résultats des premières mesures dans la suite des opérations effectuées en fond de puits. Ces inconvénients peuvent être supprimés en utilisant une technique de transmission de signaux en temps réel, par voie électromagnétique, comme l'exposent les documents US-A-3 831 138, US- A-4 015 234 et US-A- 4 160 970. Selon cette technique, on place dans le fond du puits une antenne émettrice constituée par un dipôle électrique auquel on applique une tension électrique modulée selon les informations à transmettre. Les ondes électromagnétiques modulées émises par le dipôle sont transmises en surface par les formations géologiques. Pour détecter en surface les ondes électromagnétiques modulées émises en fond de puits, on utilise habituellement deux électrodes qui sont plantées dans le sol, à une certaine distance l'une de l'autre, de façon à mesurer une différence de potentiel sur l'une des lignes de courant induites dans le sol par les ondes électromagnétiques modulées émise par le dipôle. Des câbles relient ces électrodes à un récepteur dans lequel les signaux ainsi mesurés sont démodulés, amplifiés et traités. Cette solution, relativement lourde à mettre en oeuvre, est utilisée exclusivement dans le cas de forages terrestres. Si l'on veut éviter que les câbles qui relient les électrodes aux récepteurs ne risquent d'être endommagés, ils doivent être protégés ce qui peut notamment être effectué en les enterrant superficiellement. Par conséquent, la mise en place de l'installation peut être relativement longue et coûteuse. Par ailleurs, l'exploitation industrielle de cette technique dans le cas de forages en mer est irréaliste. En effet, la mise en place des électrodes dans le fond de la mer et la mise en place des câbles de grande longueur reliant ces électrodes aux récepteurs nécessiterait un matériel particulièrement lourd et coûteux. De plus, les conditions souvent très difficiles dans lesquelles les électrodes et les câbles devraient être installés sont difficilement acceptables, en raison des risques d'accident qu'elles entraîneraient. Par ailleurs, en supposant que l'installation puisse être effectuée, les risques de ruptures accidentelles des câbles lors des mesures seraient très élevés. On a aussi envisagé, comme l'illustre le document US-A-4 691 203 de détecter en surface des signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits, au moyen d'un transformateur placé sur un câble dont une extrémité est reliée à l'extrémité haute du train de tiges et dont l'extrémité opposée est enterrée dans le sol. Le secondaire du transformateur est connecté à un récepteur qui analyse le courant circulant dans le train de tiges, puis dans le câble, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. La technique de réception décrite dans ce document est pratiquement aussi pénalisante que la précédente en ce qui concerne le coût et la durée de mise en place, notamment en raison de la nécessité d'enterrer le câble sur une certaine longueur. Cette opération est particulièrement délicate dans le cas d'un sol dur ou caillouteux. De plus, la sensibilité du système apparaît comme relativement limitée, du fait que l'utilisation d'un transformateur pour détecter le courant circulant dans le câble introduit une résistance électrique dans le circuit, et aussi du fait que l'impédance de contact du câble dans le sol est très élevée par rapport à l'impédance de contact du système de support des tiges. Enfin, la transposition de cette technique de réception à un forage en mer apparaît là encore difficilement envisageable dans le cadre d'une utilisation commerciale. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un nouveau procédé permettant de détecter en surface les signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits, d'une manière telle que ce procédé puisse être mis en oeuvre indifféremment en mer ou à terre, de façon particulièrement rapide et peu coûteuse. L'invention a également pour objet une installation mettant en oeuvre ce procédé. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de détection en surface, en temps réel, de signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits, à partir d'un train de tiges suspendu à une tour de forage, caractérisé par le fait qu'il consiste à mesurer l'induction magnétique produite en surface par le train de tiges, sous l'effet d'un courant circulant dans le train de tiges et dans la tour de forage, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, on mesure l'induction magnétique à l'aide d'un magnétomètre directionnel fixé sur le train de tiges de façon à effectuer une mesure selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe du train de tiges. Lorsque le procédé est appliqué à un puits en mer, on mesure l'induction magnétique immédiatement au-dessus du niveau de la mer. De façon comparable, lorsque le procédé est appliqué à un puits à terre, on mesure l'induction magnétique immédiatement au-dessus du sol. Dans tous les cas, la mise en place de l'installation susceptible de recevoir les signaux en surface est effectuée en un temps particulièrement court (quelques minutes) pour un coût limité et sans risque que cette installation soit endommagée comme peuvent l'être des câbles circulant sur le sol ou en mer. Par ailleurs, le principe de la mesure permet de recueillir des signaux facilement exploitables, notamment du fait qu'aucune résistance parasite n'est introduite dans le circuit et que l'impédance de contact de la tour de forage est considérablement plus faible que celle d'un câble. L'invention a aussi pour objet une installation de détection en surface, en temps réel, de signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits, à partir d'un train de tiges suspendu à une tour de forage, caractérisé par le fait qu'elle comprend des moyens de mesure de l'induction magnétique produite en surface par le train de tiges, sous l'effet d'un courant circulant dans le train de tiges et la tour de forage, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes de réalisation préférentielles de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle, d'un puits de pétrole situé à terre, équipé d'un train de tiges suspendu à une tour de forage et d'un appareil de détection en surface conforme à l'invention; et - la figure 2 est une vue en coupe schématique comparable à la figure 1 illustrant un puits de pétrole en mer comportant un appareil de détection en surface conforme à l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation préférentiels Sur la figure 1, la référence 10 désigne un puits tel qu'un puits de pétrole à terre, dont le forage a déjà été effectué. Ce puits est surmonté d'une tour de forage 12 ancrée à la surface du sol. Pour effectuer un certain nombre de mesures physiques dans le fond du puits 10, on a descendu dans celui-ci un train de tiges 14 suspendu à la tour de forage 12. A sa partie inférieure, le train de tiges 14 comporte de façon connue un certain nombre d'instruments de mesure (non représentés), une source de courant (non représentée) permettant d'alimenter ces moyens de mesure, des circuits électroniques (non représentés) permettant de transformer les signaux délivrés par les instruments de mesure en signaux électriques modulés et une antenne émettrice 16 qui transforme ces signaux en signaux électromagnétiques modulés. L'antenne émettrice est habituellement constituée par un dipôle. L'ensemble de ces appareillages et circuits est réalisé de façon connue, comme l'enseignent par exemple les documents US-A-3 831 138, US-A-4 015 234 et US-A-4 160 970. Ils ne font pas partie de l'invention et ne seront donc pas décrit ici plus en détail. Les signaux électromagnétiques émis par l'antenne émettrice 16 engendrent dans le sol, autour du puits 10, des lignes de courant 18 qui se rebouclent toutes sur le train de tiges 14 et présentent une symétrie de révolution autour de l'axe vertical du puits. Plus précisément, un courant électrique ascendant, modulé en fonction des signaux électromagnétiques émis par l'antenne émettrice 16, circule de bas en haut dans le train de tiges 14, comme l'indique la flèche 20 sur la figure 1, puis redescend vers l'antenne émettrice 16 en suivant les lignes de courant 18. Une partie du courant qui circule vers le haut dans le train de tiges 14 poursuit son chemin au-dessus de la surface du sol et circule ensuite dans la tour de forage 12 avant de revenir dans le bas du train de tiges 14 par d'autres lignes de courant 18. Le cheminement du courant dans le tour de forage 12 est repéré par les flèches 22 sur la figure 1. Conformément à l'invention, on mesure l'induction magnétique B produite par le train de tiges 14, immédiatement au-dessus du sol, sous l'effet du courant qui circule dans le train de tiges, puis dans la tour de forage 12, lors de l'émission des signaux électromagnétiques par l'antenne émettrice 16. De façon plus précise, ces moyens de mesure de l'induction magnétique comprennent un magnétomètre directionnel 24, fixé sur le train de tiges 14, au-dessus de la surface du sol. L'orientation de ce magnétomètre directionnel est telle qu'il effectue une mesure d'induction magnétique dans une direction sensiblement orthogonale à l'axe du train de tiges. Conformément au théorème d'Ampère, si l'on appelle R (en mètres) la distance séparant le magnétomètre de l'axe du train de tiges 14 et I (en ampères) le courant qui circule à ce niveau dans le train de tiges, la valeur de l'induction magnétique B (en nT) mesurée par le magnétomètre est donnée par la I formule B = 200. R Le magnétomètre directionnel 24 peut être constitué par tout magnétomètre présentant une bonne sensibilité, dont l'encombrement est compatible avec l'environnement du train de tige à la base de la tour de forage et susceptible de transmettre les fréquences concernées par les signaux électromagnétiques émis en fond de puits, généralement comprises entre 0,5 Hertz et 150 Hertz. Il peut notamment s'agir d'une bobine à induction, orientée selon une direction orthogonale par rapport au train de tiges. La fixation du magnétomètre 24 sur le train de tiges 14 s'effectue à l'extérieur de ce dernier, par tout moyen approprié permettant un montage et un démontage rapide et efficace. On pourra notamment utiliser à cette fin un collier (non représenté) formé de deux parties semi- circulaires dont l'une porte le magnétomètre, ces deux parties étant bridées sur le train de tiges et reliées l'une à l'autre par des boulons ou par tout moyen de fixation démontable équivalent. Comme l'illustre très schématiquement la figure 1, le magnétomètre 24 est relié par des conducteurs électriques 26 à un circuit récepteur 28 qui peut être installé à bord d'un camion ou posé directement sur le sol à proximité immédiate du magnétomètre. Le circuit récepteur 28 reçoit une tension modulée en fonction de la variation de l'induction magnétique détectée par le magnétomètre, c'est-à-dire en fonction des variations du courant qui circule au-dessus du sol dans le train de tiges 14, puis dans la tour de forage 12 sous l'effet des signaux électromagnétiques modulés délivrés en fond de puits par l'antenne émettrice 16. Ce circuit récepteur 28 est conçu de façon analogue au circuit récepteur utilisé dans les techniques de détection existantes, c'est-à- dire lorsque la détection des signaux électromagné- tiques modulés s'effectue en surface à l'aide de deux électrodes plongeant dans le sol. En effet, les signaux délivrés par le magnétomètre 24 sont comparables aux signaux qui apparaissent aux bornes des électrodes lorsqu'on utilise une technique de réception traditionnelle. Le circuit récepteur 28 assure ainsi l'amplification, le filtrage et le traitement des signaux délivrés par le magnétomètre, afin que ces signaux puissent être exploités en temps réel par l'utilisateur. A cet effet, le circuit récepteur 28 peut être muni avantageusement d'un écran d'affichage (non représenté), de façon également comparable à la technique traditionnelle. Le circuit récepteur 28 ne fait pas, en lui-même partie de l'invention. Il ne sera donc pas décrit dans la présente demande. La description qui vient d'être faite en se référant à la figure 1 montre que l'installation de détection en surface conforme à l'invention est particulièrement simple et peu coûteuse. De plus sa mise en place peut être faite en un temps particulièrement court, quelle que soit la nature du terrain dans lequel se trouve le puits et sans que le matériel risque d'être endommagé par la circulation de véhicules ou d'engins à proximité de la tour de forage. Sur la figure 2, on a représenté une deuxième forme de réalisation de l'invention, qui se distingue essentiellement de la précédente par le fait qu'au lieu d'être appliquée à un puits à terre, l'installation de détection en surface est associée dans ce cas à un puits en mer. De façon plus précise, on a représenté sur la figure 2 un puits 10 préalablement creusé dans le fond de la mer. Ce puits est surplombé d'une plate- forme 30 qui repose sur le fond marin par des pieds 32. La plate-forme 30 supporte notamment une tour de forage 12 à laquelle est suspendu un train de tiges 14 dont la partie basse est reçue dans le puits 10, de la même manière que dans le puits à terre de la figure 1. Dans sa partie inférieure, le train de tiges 14 est muni des mêmes équipements que ceux qui ont été décrits brièvement en se référant à la figure 1. Ces équipements comprennent notamment une antenne émettrice 16 à partir de laquelle peuvent être délivrés des signaux électromagnétiques modulés, d'une manière bien connue des spécialistes de la technique. Ces signaux électromagnétiques modulés engendrent dans le sol des lignes de courant 18. Comme dans le cas d'un forage terrestre, l'émission de signaux électromagnétiques modulés par l'antenne émettrice 16 engendre la circulation de bas en haut, dans le train de tiges 14, d'un courant électrique 20 dont une partie est rebouclée vers le bas du train de tiges 14 par les lignes de courant 18. Une autre partie du courant 20 chemine vers le haut dans le train de tiges 14, au-delà du fond de la mer, jusqu'à la plate-forme de forage 30 et à la tour de forage 12. Cette partie du courant 20 est rebouclée vers l'antenne émettrice 16 en circulant ensuite dans la tour de forage 12, dans la plate-forme , dans les pieds 32 de celle-ci, puis dans le sous-sol par des lignes de courant 18. La partie du courant qui chemine dans la tour de forage 12 et dans la plate-forme 30 est symbolisée par des flèches 22. Conformément à l'invention et d'une manière comparable à la technique terrestre décrite précédemment en se référant à la figure 1, on utilise le courant circulant dans le train de tiges 14 au-dessus de la surface de la mer et en dessous de la plate-forme 30 pour détecter les signaux électromagné- tiques modulés émis par l'antenne émettrice 16. De façon plus précise, on mesure l'induction magnétique produite à ce niveau par le train de tiges 14, sous l'effet du courant circulant dans ce train de tiges puis dans la tour de forage 12 et dans la plate-forme 30, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. A cet effet, on utilise un magnétomètre directionnel 24 que l'on fixe sur le train de tiges immédiatement au-dessus de la mer et en dessous de la plate-forme 30. L'orientation et les caractéristiques de ce magnétomètre directionnel sont par ailleurs identiques à celles qui ont été décrites en se référant à la figure 1, de même que le circuit récepteur 28 auquel le magnétomètre est relié par des conducteurs électriques 26. La seule différence réside dans le fait que le circuit récepteur 28 est installé dans ce cas sur la plate-forme 30. L'utilisation de l'installation de détection en surface conforme à l'invention dans le cadre d'un puits en mer présente les mêmes avantages que dans le cas d'un puits terrestre. Cependant, il est important d'observer que la simplicité de mise en oeuvre constitue dans ce cas un avantage encore plus déterminant puisqu'elle permet d'envisager favorablement l'utilisation de la télémétrie électromagnétique dans le cas de puits en mer, ce qui n'était pratiquement pas possible pour des raisons opérationnelles avec les techniques de réception traditionnelles. Des essais effectués en mer, à l'aide d'un magnétomètre du commerce et sans précaution particulière, ont montré que l'utilisation de l'installation de détection conforme à l'invention permet bien de détecter et de décoder les signaux électromagnétiques émis en fond de puits avec une très bonne sensibilité. Ces essais ont également confirmé que la mise en oeuvre d'une telle installation est beaucoup plus facile, moins coûteuse et moins dangereuse que celle d'une installation utilisant deux électrodes qui seraient implantées dans le fond marin. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection en surface, en temps réel, de signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits (10), à partir d'un train de tiges (14) suspendu à une tour de forage (12), caractérisé par le fait qu'il consiste à mesurer l'induction magnétique produite en surface par le train de tiges, sous l'effet d'un courant circulant dans le train de tiges et dans la tour de forage, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on mesure l'induction magnétique à l'aide d'un magnétomètre directionnel (24) fixé sur le train de tiges (14) de façon à effectuer une mesure selon une direction sensiblement orthogonale à l'axe du train de tiges. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à un puits en mer et qu'on mesure l'induction magnétique immédiatement au-dessus du niveau de la mer. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à un puits à terre et qu'on mesure l'induction magnétique immédiatement au-dessus du sol. 5. Installation de détection en surface, en temps réel, de signaux électromagnétiques émis au fond d'un puits (10), à partir d'un train de tiges (14) suspendu à une tour de forage (12), caractérisée par le fait qu'elle comprend des moyens de mesure (24) de l'induction magnétique produite en surface par le train de tiges (14), sous l'effet d'un courant circulant dans le train de tiges et dans la tour de forage, lors de l'émission des signaux électromagnétiques. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait que les moyens de mesure de l'induction magnétique comprennent un magnétomètre directionnel (24) fixé au train de tiges (14) selon une orientation propre à effectuer une mesure d'induction magnétique dans une direction sensiblement orthogonale à l'axe du train de tiges. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que le magnétomètre (24) est fixé à l'extérieur du train de tiges (14). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée par le fait que, le puits de forage (10) étant situé en mer, les moyens de mesure (24) de l'induction magnétique sont placés immédiatement au-dessus du niveau de la mer. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée par le fait que, le puits de forage (10) étant situé à terre, les moyens de mesure (24) de l'induction magnétique sont placés immédiatement au-dessus du sol. SP 10329 GP