Brevet FR2729708A1 — publié le 19960726

La présente invention concerne une méthode d'investigation géologique des terrains forés, par l'obtention de mesures sensiblement comparables à l'impédance acoustique des terrains traversés par le forage. Les mesures sont obtenues à partir de capteur d'accélération placé dans la garniture de forage entre l'outil de destruction de la roche et des moyens de découplage mécanique disposés entre certains éléments de la garniture. Des moyens adéquats de traitement des mesures d'accélération brutes permettent l'exploitation des résultats de mesure après traitement d'une façon analogue à l'exploitation d'un enregistrement fourni par un outil de diagraphie "sonic" conventionnel, éventuellement couplé avec un autre outil de diagraphie, par exemple de mesure de la densité de la formation. Ainsi, la présente invention concerne une méthode d'investigation géologique des terrains forés par un outil de forage fixé à l'extrémité d'une garniture de forage, ladite garniture comportant des moyens de mesure fournissant un signal représentatif d'accélération créée par ledit outil. On place dans la garniture de forage des moyens de découplage mécanique, on dispose lesdits moyens de mesure entre ledit outil de forage et lesdits moyens de découplage, et on obtient une mesure représentative de l'impédance acoustique des terrains forés en traitant ledit signal par une fonction de la vitesse de rotation de l'outil et de la profondeur. La mesure d'accélération peut être considérée dans une fenêtre de temps comprise entre 5 et 30 s, et ledit traitement peut consister notamment : - à calculer dans cette fenêtre une amplitude efficace représentative dudit signal d'accélération, - à diviser ladite amplitude par la vitesse de rotation de l'outil, et éventuellement par la vitesse d'avancement élevée à une puissance voisine de 0,1, - et à multiplier par une fonction de la forme aPf+b, où a et b sont des constantes liées à l'environnement du forage, notamment la profondeur et Pf la pression au fond du puits. Les moyens de mesure de l'accélération peuvent comporter au moins un accéléromètre placé de façon à mesurer un signal représentatif de l'accélération axiale, c'est à dire sensiblement selon l'axe du forage. Les moyens de mesure de l'accélération peuvent comporter au moins un accéléromètre placé de façon à mesurer un signal représentatif de l'accélérabon en rotation. Ils peuvent comporter au moins un accéléromètre placé de façon à mesurer un signal représentatif de l'accélération en flexion. Lesdits accéléromètres peuvent avoir à tout instant une orientation connue dans l'espace. On peut déterminer des changements de nature de terrains forés à partir des variations de ladite mesure représentative de l'impédance acoustique. On peut déduire des changements de pression de pore des terrains forés à partir des variations de ladite mesure représentative de l'impédance acoustique. On peut disposer de capteurs sismiques en surface à partir desquels on peut déduire des temps sismiques verticaux, la source étant le bruit de l'outil de forage, par exemple de type tricône. Dans la méthode, on peut calculer une réponse sismique synthétique en temps double vertical à partir de ladite mesure représentative de l'impédance acoustique et desdits temps verticaux. L'invention concerne également un système d'investigation géologique de terrains forés par un outil de forage fixé à l'extrémité d'une garniture de forage, ladite garniture comportant des moyens de mesure d'un signal représentatif d'accélération créée par ledit outil. Le système comporte des moyens de découplage mécanique, des moyens de mesure placés entre l'outil de forage et lesdits moyens de découplage, et des moyens de traitement du signal représentatif de l'accélération de l'outil fourni par lesdits moyens de mesure. Les moyens de mesure et/ou de traitement peuvent comporter des mémoires de stockage des signaux. Les moyens de découplage peuvent découpler mécaniquement les mouvements axiaux de la partie inférieure de la garniture par rapport à la partie supérieure de la garniture. Les moyens de découplage peuvent découpler mécaniquement les mouvements de rotation de la partie inférieure de la garniture par rapport à la partie supérieure de la garniture. Le système peut comporter des moyens de transmission vers la surface du sol d'au moins une partie du signal représentatif de l'accélération de l'outil. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description d'exemples, nullement limitatifs, illustrés par les figures annexées parmi lesquelles: - La figure 1 représente schématiquement l'architecture d'acquisition des mesures selon I'une des réalisation de la présente invention, - La figure 2 montre un enregistrement du signal brut EBF fournit par un capteur d'accélération axiale, - La figure 3 montre l'enregistrement de la vitesse de rotation de l'outil de forage, - la figure 4 montre l'enregistrement de la mesure selon rinvention, après compensation et lissage, - La figure 5 montre en comparaison sur le même intervalle de terrain, un log d'impédance acoustique fournit par des outils conventionnels de diagraphies. - La figure 6 montre schématiquement différents moyens de transmission. La figure 1 montre un puits 1 en cours de forage à l'aide de la garniture de forage 2. La garniture 2 est suspendue au crochet de forage par l'intemlédiaire de la tête d'injection 3, de la tige d'entraînement ou kelly 4. La kelly 4 est vissée sur un train de tiges 5 à l'extrémité duquel est assemblé l'ensemble des masses-tiges 6 se terminant par l'outil de forage 7. Un fluide de forage est injecté dans l'espace intérieur de la garniture par le tube flexible 8 lié à des pompes. Le fluide sort de la garniture par les duses de l'outil 7 puis remonte vers la surface du sol en entamant les déblais de forage dans l'espace annulaire 9 défini par l'extérieur de la garniture et les parois du puits 1. L'avancement de l'outil de forage est effectué par la mise en rotation de l'outil, selon le système rotary, par l'intermédiaire de l'ensemble de la garniture de forage entraînée en rotation, soit par la table de rotation 10 et la tige d'entraînement 4, soit par une tête d'injection 3 motorisée du type "power swivel". La mise en rotation de l'outil peut également se faire par l'utilisation d'un moteur de fond hydraulique sur le rotor duquel on fixe l'outil. Selon l'invention, l'ensemble des masses-tiges 6, couramment appelé "BHA" pour Bottom Hole Assembly, comporte des moyens de mesures l l comportant au moins des capteurs de mesure de l'accélération induite par le travail de destruction de la roche par l'outil de forage. Comme cela est connu dans la profession, les accélérations peuvent être mesurées par au moins un accéléromètre disposé dans un raccord spécifique. Un tel emploi d'accéléromètre est notamment illustré par les documents US-A-5226332 et FR-92/02273. Pour que les mesures ainsi acquises soient exploitables selon la présente invention, un système de découplage mécanique 12 est disposé dans les masses-tiges au-dessus des moyens de mesures 11 de façon à ce que les vibrations longitudinales (selon l'axe de la garniture) ou transversales créées par l'outil soient découplées mécaniquement de la partie de la garniture constituée par les tiges de forage 5 et les masses-tiges situées au dessus des moyens de découplage 12. Le rôle des moyens de découplage est de supprimer, ou tout au moins de limiter les phénomènes liés à la dynamique du train de tiges, notamment aux vibrations parasites de résonance ou de réflexion. Les moyens de découplage peuvent être des dispositifs connus comme des "shock absorber" qui sont utilisés par les foreurs pour filtrer les mouvements verticaux crées par l'outil de forage. Ces dispositifs permettent l'entraînement en rotation de l'outil par la garniture de forage et comporte des amortisseurs longitudinaux, sous forme de ressort métallique ou de matière élastique, notamment en élastomère. Il est connu que certains shock absorber ont également une action d'amortissement du mouvement de la rotation, en particulier ceux qui sont fabriqués à partir d'élastomère liant la partie inférieure de l'amortisseur à la partie supérieure. En effet, ceux-ci amortissent également les vibrations en rotation en plus des vibrations longitudinales, l'élastomère transmettant le couple entre la partie supérieure et la partie inférieure. On peut également utiliser des coulisses de forage ou "bumper sub" comme moyens de découplage mécanique. La coulisse consiste en une pièce mâle qui coulisse dans une pièce femelle, la longueur de la pièce mâle étant appropriée à ce que la longueur de coulissement soit au moins d'environ 1 mètre (3 feet). Les pièces mâle et femelle sont liées en rotation par un système de clés dans des cannelures pour pouvoir transmettre la rotation de l'ensemble de la garniture jusqu'à l'outil de forage. En forage, la position de la coulisse (bumper sub) ne doit pas être en butée supérieure ou inférieure. Dans ce cas, il y découplage mécanique entre ce qui est placé en dessous et en dessus de la coulisse. Bien entendu, cela signifie que le poids sur l'outil est alors limité à la masse des éléments vissés sous la coulisse. Le dispositif selon l'invention peut comporter des premiers moyens 13 de traitement et d'acquisition de la mesure, proches des moyens de mesure 11, et préférentiellement dans le même raccord. Ces premiers moyens gèrent les capteurs et leur alimentation électrique, et préférentiellement délivrent un signal en calculant une amplitude efficace dans une fenêtre de temps comprise entre 5 et 30 s. L'amplitude dite "efficace" peut être la racine carrée du pic d'auto-corrélation de l'accélération selon un même axe. Un autre estimateur statistique équivalent peut consister à prendre la moyenne des valeurs absolues du signal dans ladite fenêtre. Ce signal pré Lrai té est représentatif de l'accélération efficace selon l'axe de mesure des capteurs. Bien entendu, tout autre estimateur pourra être utilisé, sans sortir du domaine de la présente invention. Les courbes des figures 2, 3, 4 et 5 sont portées sur un graphe ayant pour abscisse la profondeur en mètre, ici l'intervalle entre 800 m et 950 m, en ordonnée l'amplitude du signal. La figure 2 montre un tel signal (EBF) représentatif de l'accélération axiale au cours d'un forage entre environ 800 m et 950 m de profondeur. La figure 3 montre un enregistrement de la vitesse de rotation pendant le forage du même intervalle. Dans cet exemple, la vitesse de rotation enregistrée est la vitesse de rotation de la table de rotation. Dans d'autres cas, on pourrait exploiter la vitesse de rotation réelle de l'outil en la mesurant ou en la déduisant de capteurs de mesure placés proche de l'outil de forage. Le signal EBF est compensée par la division du signal EBF par la vitesse de rotation et la multiplication par une fonction de la forme: aPf+b où Pf est la pression de fond de puits, fonction donc de la profondeur verticale du forage et de la masse volumique du fluide, a et b étant des constantes liées à l'environnement du forage, tectonique particulière, pressions anormales, type de shock-absorber, BHA,... On peut éventuellement diviser EBF également par la vitesse de pénétration élevée à un puissance voisine de 0,1. La vitesse de pénétration, non représentée ici, est une mesure toujours disponible sur un appareil de forage, par exemple en mesurant le déplacement vertical du moufle puis en intégrant par rapport au temps. Le signal EBF, une fois compensé, est représenté sur la figure 4. La figure 5 représente le calcul de l'impédance acoustique des terrains traversés par forage dans l'intervalle considéré, c'est à dire 800-950 m. Cet enregistrement est obtenu par un log acoustique du type "Sonic" qui donne la vitesse Vp des ondes de compression. Cette diagraphie de type connu est généralement effectuée en différé, c'est à dire avec un outil descendu dans le trou au bout d'un câble, le trou étant dégagé de la garniture de forage. Conjointement à la mise en oeuvre d'un outil "sonic", il est courant d'opérer en même temps un outil donnant la densité des terrains traversés, par exemple un outil à rayonnement Gamma-Gamma. L'enregistrement de la figure 5 représente le produit de Vp par la densité, c'est à dire l'impédance acoustique des terrains. Il est clair, en comparant les courbes de la figure 4 et de la figure 5, que le signal EBF compensé est très voisin de la mesure de l'impédance acoustique que l'on peut obtenir par des moyens connus. En particulier, le phénomène entre les cotes 865 et 870 m est reproduit, ainsi que la variation d'impédance des terrains à la cote 918 m. Ainsi, la présente invention permet d'obtenir des valeurs d'impédance acoustique à partir du signal délivré par un accéléromètre, ledit signal étant compensé d'une manière simple et déterminée selon le présent exemple. La manière d'opérer pour mettre en oeuvre le système selon l'invention est fonction des moyens de transmission des mesures. La figure 6 schématise les configurations principales de transmission du signal vers la surface. Trois zones géographiques sont représentées par les accolades F, T et S. F représente le fond du puits, dans le voisinage de l'outil de forage, T la zone de transmission, intermédiaire entre le fond F et la zone de surface S où la connaissance de la mesure de l'impédance acoustique est utile. La case EBF représente les capteurs d'accélération, leurs moyens de gestion et d'alimentation. Les flèches 20, 21, 22, respectivement dirigées vers les cases MWD, M et C, représentent les liaisons électriques dans trois cas de transmission. La case MWD symbolise un moyen de traitement et de codage du signal EBF, compensé ou non, moyennée ou non, pour etre transmis vers la surface par ondes de pression, ou par ondes électromagnétiques. Une telle technique est maintenant bien connu dans la profession. Le débit d'informations à transmettre est compatible avec la capacité d'un tel système. La case M symbolise une mémoire de stockage des valeurs EBF, compensé ou non. Pendant un certain intervalle de forage, les signaux EBF sont stockés au fond.A la fin du forage de l'intervalle, le foreur exécute une operation de déchargement de la mémoire en effectuant une descente dans la garniture de forage d'un connecteur au bout d'un câble, la connexion sur un connecteur complémentaire lié à la mémoire, puis la remontée du câble et du connecteur une fois la mémoire vidée par l'intermédiaire de la liaison électrique. Les mesures sont ensuite traitée en surface. La case C symbolise des moyens électroniques, par exemple d'amplification, de codage ou de multiplexage, lesdits moyens étant relies par un conducteur continu jusqu'en surface. La ligne continue peut être constituée par des tiges de forage câblées, par un câble coaxial à la garniture de forage, ou les deux dans une configuration mixte. Une telle transmission est illustrée dans les documents FR-92/02273 ou EP-A-526293. La connaissance simplifiée de l'impédance acoustique des terrains en cours de forage est intéressante pour déduire la nature des roches que l'outil fore. Ainsi, des changements de terrains peuvent être détectés en cours de forage en observant des variations de l'impédance des terrains. La diagraphie fournie par la presente invention vient en complément aux diagraphies instantanées déjà disponibles, comme la vitesse d'avancement, le couple à l'outil de forage, la pression, l'analyse des débris ou des gaz présents dans la boue. La sécurité du forage peut être augmentée par la détection plus fiable des zones à pression de pores anormales, par exemple les zones de transition des roches couvertures ou des "shallow gas" (ou gaz localisés à de faibles profondeurs). REVENDICATIONS 1) Méthode d'investigation géologique des terrains forés par un outil de forage (7) fixé à l'extrémité d'une garniture de forage (2), ladite garniture comportant des moyens de mesure (11) fournissant un signal représentatif d'accélération créée par ledit outil, caractérisée en ce que l'on place dans la garniture de forage des moyens de découplage mécanique (12), en ce que l'on dispose lesdits moyens de mesure entre ledit outil de forage(7) et lesdits moyens de découplage (12), et en ce que l'on obtient une mesure représentative de l'impédance acoustique des terrains forés en traitant ledit signal par une fonction de la vitesse de rotation de l'outil et de la profondeur. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la mesure d'accélération est considérée dans une fenêtre de temps comprise entre S et 30 s, en ce que ledit traitement consiste notamment: - à calculer dans cette fenêtre une amplitude efficace représentative dudit signal d'accélération, - à diviser ladite amplitude par la vitesse de rotation de l'outil, et éventuellement par la vitesse d'avancement élevée à une puissance voisine de 0,1, - et à multiplier par une fonction de la forme aPf+b, où a et b sont des constantes liées à l'environnement du forage, notamment la profondeur et Pf la pression au fond du puits. 3) Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de mesure (11) de l'accélération comportent au moins un accéléromètre placé de façon à mesurer un signal représentatif de l'accélération axiale, c'est à dire sensiblement selon l'axe du forage. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de mesure de l'accélération comportent au moins un accéléromètre placé de façon à mesurer un signal représentatif de l'accélération en rotation. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on détermine des changements de nature de terrains forés à partir des variations de ladite mesure représentative de l'impédance acoustique. 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'on déduit des changements de pression de pore des terrains forés à partir des variations de ladite mesure représentative de l'impédance acoustique. 7) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on dispose de capteurs sismique s en surface à partir desquels on déduit des temps sismiques verticaux, la source étant le bruit de Coutil de forage, caractérisée en ce que l'on calcule une réponse sismique synthétique en temps double vertical sismique à partir de ladite mesure représentative de l'impedance acoustique et desdits temps verticaux. 8) Système d'investigation géologique de terrains forés par un outil de forage (7) fixé à l'extrémité d'une garniture de forage (2), ladite garniture comportant des moyens de mesure (11) d'un signal représentatif d'accélération créée par ledit outil (7), caractérisée en ce qu'il comporte des moyens de découplage mécanique (12), des moyens de mesure (11) placés entre l'outil de forage (7) et lesdits moyens de découplage (12), et des moyens de traitement (13) du signal représentatif de l'accélération de l'outil fourni par lesdits moyens de mesure. 9) Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de découplage (12) découplent mécaniquement les mouvements axiaux de la partie inférieure de la garniture par rapport à la partie supérieure de la garniture. 10) Système selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de découplage découplent mécaniquement les mouvements de rotation de la partie inférieure de la garniture par rapport à la partie supérieure de la garniture. 11) Système selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transmission vers la surface du sol d'au moins une partie brute ou traitée représentative du signal de l'accélération de l'outil.