Brevet FR2793031A1 — publié le 20001103

t-1 2793031 PROCEDE ET APPAREIL POUR DETERMINER LA RESISTIVITE D'UNE FORMATION TRAVERSEE PAR UN PUITS TUBE L'invention concerne la détermination de la résistivité des formations géologiques traversées par un puits muni d'un tubage métallique. L'importance des diagraphies de résistivité pour la prospection pétrolière n'est plus à démontrer. On sait que la résistivité d'une formation dépend essentiellement du fluide qu'elle recèle. Une formation contenant de l'eau salée, conductrice, a en effet une résistivité beaucoup plus faible qu'une formation chargée d'hydrocarbures, et par conséquent, les mesures de résistivité ont une valeur irremplaçable pour la localisation de gisements d'hydrocarbures. Les diagraphies de résistivité sont pratiquées très largement et depuis longtemps, notamment au moyen de dispositifs à électrodes, mais les techniques existantes ont un champ d'application qui se limite aux puits non tubés ("open hole" dans la terminologie pétrolière). La présence dans le puits d'un tubage métallique, ayant une résistivité infime comparée aux valeurs typiques pour les formations géologiques (de l'ordre de 2.10-7 ohm.m pour un tubage en acier contre 1 à 1000 ohm.m pour une formation), représente en effet une barrière considérable à l'envoi de courants électriques dans les formations entourant le tubage. Il en résulte notamment que les mesures de résistivité doivent impérativement être faites avant la pose du tubage. En particulier, on ne peut obtenir de mesures de résistivité dans les puits en production, ceux-ci étant munis de tubages. La possibilité de mesurer la résistivité dans des sections de puits tubées serait donc d'un grand intérêt. Cette mesure, effectuée dans un puits producteur au niveau du gisement, permettrait de localiser les interfaces eau-hydrocarbure et donc de suivre l'évolution dans le temps de la position de ces interfaces, en vue de surveiller le comportement du réservoir d'hydrocarbures et d'en optimiser l'exploitation. Il serait également possible d'obtenir une mesure de résistivité dans un puits (ou une section de puits) o aucune mesure n'a été faite avant la pose du tubage, afin notamment de compléter la connaissance du réservoir, et éventuellement déceler des couches productrices qui n'avaient pas été localisées initialement. Il existe dans la littérature des propositions sur ce sujet. Le principe de base de la mesure, présenté dans le brevet US 2 459 196 consiste à faire circuler un courant le long du tubage dans des conditions telles qu'il se produise une fuite ou déperdition de courant vers la formation. Cette déperdition est fonction de la résistivité de la formation - elle est d'autant plus grande que la formation est plus conductive - et en la mesurant, on peut déterminer la résistivité de la formation. La déperdition de courant peut être évaluée en mesurant la chute de tension entre des électrodes placées à des profondeurs différentes dans le puits. Le brevet US 2 729 784 décrit un procédé de mesure utilisant deux paires d'électrodes de mesure a,b et b,c espacées le long du tubage, les électrodes a et c étant en principe équidistantes de l'électrode b. Des électrodes de courant sont placées de part et d'autre des électrodes de mesure pour injecter dans le tubage des courants de sens opposés. Une boucle de rétro-action asservit les injections de courant de manière à mettre au même potentiel les électrodes de mesure extérieures, dans le but d'éliminer l'effet de la variation de résistance du tubage dans les sections (a,b) et (b,c) délimitées par les électrodes de mesure. Une valeur pour le courant de fuite au niveau de l'électrode centrale b est obtenue en mesurant la chute de tension sur chacune des paires d'électrodes a,b et b,c, et en formant la différence des chutes de tension, cette différence étant indiquée comme proportionnelle au courant de fuite. Le brevet français 2 207 278 prévoit l'utilisation de trois électrodes de mesure régulièrement espacées comme dans le brevet US 2 729 784 pour mesurer la fuite de courant, et décrit un procédé en deux étapes: une premiere étape destinée à mesurer la résistance de la section de tubage délimitée par les électrodes de mesure extérieures, au cours de laquelle on fait circuler le courant le long du tubage de façon qu'il n'y ait pas de fuite vers la formation; et une deuxième étape, au cours de laquelle une fuite de courant peut avoir lieu vers la formation. A cet effet, il est prévu un système d'injection de courant comprenant une électrode d'émission et deux électrodes de retour, l'une proche des électrodes de mesure, active pendant la première étape, et l'autre située en surface, active pendant la deuxième étape. Le brevet US 4 796 186 décrit un procédé en deux étapes du même type que le brevet français 2 207 278 précité, et utilise le même agencement d'électrodes. Il prévoit un circuit pour éliminer l'effet des variations de résistance entre les deux sections de tubage, comprenant des amplificateurs reliés à chaque paire d'électrodes de mesure de manière à fournir en sortie les chutes de tension respectives. L'un des amplificateurs est à gain variable, lequel gain est ajusté lors de la première étape de façon à annuler la différence entre les sorties des amplificateurs. Le brevet US 4 820 989 décrit une technique de compensation identique. L'invention vise à réaliser cette fonction de compensation d'une manière simple et efficace. L'invention a pour objet un procédé pour l'étude d'une formation géologique traversée par un forage tubé, caractérisé par le fait que - dans une première étape, on injecte un courant à l'intérieur du tubage en un premier point espacé longitudinalement de la dite formation de manière à provoquer une fuite de courant vers la dite formation, et on mesure au moyen d'électrodes délimitant deux sections de tubage consécutives situées au niveau de ladite formation les chutes de potentiel respectives le long des dites sections; - dans une seconde étape, on injecte un courant à l'intérieur du tubage, de façon à créer une fuite de courant vers la formation, en un second point espacé longitudinalement de la formation et situé du côté opposé au premier point, et on mesure au moyen des dites électrodes les chutes de potentiel le long des dites sections; - on combine les mesures homologues des deux étapes de manière à obtenir les valeurs correspondant à un circuit formé par le tubage entre les deux points d'injection et essentiellement exempt de fuite vers la formation; et - on détermine la fuite de courant, indicative de la résistivité de la formation, à partir des mesures de la première ou de la seconde étape, d'une part, et des valeurs résultant de la dite combinaison, d'autre part. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins: - la figure 1 rappelle le principe de la mesure de résistivité en puits tubé; - la figure 2 montre schématiquement un dispositif de fond conçu pour mettre en oeuvre ce principe; - les figures 3A, 3B et 3C illustrent différents états de fonctionnement du dispositif de la figure 2. Le principe de la mesure de résistivité en puits tubé consiste à faire circuler un courant le long du tubage avec un retour éloigné, de manière à permettre une fuite de courant vers les formations géologiques traversées par le puits, et à évaluer le courant de fuite: à un niveau donné, celui-ci est d'autant plus grand que la formation entourant le puits à ce niveau est plus conductive. Cela s'exprime en termes mathématiques par une loi de décroissance exponentielle pour le courant circulant dans le tubage, avec un taux de décroissance, à un niveau donné, fonction du rapport entre les résistivités de la formation Rt et du tubage Rc. Le schéma de la figure 1 représente une section d'un puits 10 d'axe X-X' muni d'un tubage métallique 1l 1. Le niveau (ou profondeur) o l'on désire obtenir la mesure est repéré b. On considère une section de tubage (a,c) s'étendant de part et d'autre du niveau b. Si un courant circule dans le tubage avec un retour éloigné (par exemple en surface), la déperdition de courant vers la formation se traduit, en termes de schéma électrique, par une résistance shunt placée entre le niveau b du tubage et l'infini. La valeur de cette résistance est représentative de la résistivité Rt de la formation au niveau de l'électrode b. Selon la loi d'Ohm, on peut ainsi écrire Rt= k (Vb,oo / Ifor) [1] o k est une constante géométrique, qui peut être déterminée par des mesures d'étalonnage, Vb,oo est le potentiel du tubage au niveau b avec une référence à l'infini, et Ifor est le courant de fuite au niveau b. D'autre part, en faisant l'approximation d'une variation discrète, on peut décrire une perte de courant au niveau b comme une différence entre le courant entrant au niveau b et le courant sortant. On exprime ainsi le courant de fuite Ifor comme la différence entre des courants Iab et Ibc, supposés constants, circulant respectivement dans les sections de tubage (a,b) et (b,c): Ifor= Iab - Ibc [2] ou Ifor= Vab/Rab - Vbc/Rbc [2'] si l'on appelle Vab et Vbc la chute de potentiel respectivement le long de la section (a,b) et de la section bc du tubage, et Rab et Rbc les résistances respectivement des sections ab et bc du tubage. On suppose dans un premier temps que le courant appliqué au tubage est continu. Compte tenu du rapport entre la résistivité du tubage et les valeurs de résistivité habituelles des formations, qui se situe entre 107 et 101 , la déperdition de courant, sur une longueur correspondant à une résolution acceptable pour une mesure de résistivité de formation, par exemple entre 30 cm et 1 m, est minime. La différence entre les chutes de potentiel Vab et Vbc imputable à la déperdition de courant est donc normalement une quantité très petite. Il en résulte que des incertitudes, même faibles, sur les termes de la différence ont une influence majeure. Pour des raisons diverses (corrosion localisée, hétérogénéité de la matière du tubage, variation d'épaisseur), les valeurs de résistance linéique des sections de tubage (a,b) et (b,c) peuvent différer de la valeur correspondant aux caractéristiques nominales du tubage, et surtout être différentes l'une de l'autre. Une incertitude affecte également la longueur des sections de tubage (a,b) et (b,c), car celles- ci dépendent des positions des points de contact des électrodes avec le tubage, qui ne sont connues qu'avec une précision relative. La figure 2 montre schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du principe décrit ci-dessus. Ce dispositif comprend une sonde 12 adaptée à être déplacée dans un forage pétrolier muni d'un tubage 11, et est suspendu à l'extrémité d'un câble électrique 13 qui assure la liaison avec un équipement de surface 14 comprenant des moyens 15 d'acquisition et de traitement d'informations et une source 16 d'alimentation électrique. La sonde 12 comporte trois électrodes de mesure a, b et c qui peuvent être placées en contact avec le tubage en délimitant des sections de tubage (a,b) et (b,c) de longueur comprise de manière appropriée entre 40 et 80 cm. Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrodes a, b et c sont montées sur des bras 17 articulés sur la sonde 12. Au moyen de mécanismes de type connu, qu'il est inutile de détailler ici, ces bras peuvent être écartés de la sonde pour mettre les électrodes en contact avec le tubage, puis replacés en position rétractée lorsque les mesures sont terminées. Les électrodes sont conçues pour qu'une fois en contact avec le tubage, leur position soit la plus fixe possible, et pour que le contact électrique avec le tubage soit optimal. Une sonde de ce type peut être réalisée sur la base de l'appareil utilisé commercialement par Schlumberger pour le service appelé CPET, comme indiqué dans le brevet US 5 563 514. Cet appareil, destiné à évaluer la protection cathodique des tubages et leur état de corrosion, comporte en fait douze électrodes de mesure réparties sur quatre niveaux espacés en direction longitudinale, la distance entre niveaux étant de l'ordre de 60 cm, et les trois électrodes de chaque niveau étant disposées symétriquement autour de l'axe de l'appareil, donc avec un écart angulaire de 120 entre électrodes adjacentes. Pour la mesure de la résistivité de formation, les trois électrodes a, b, c suffisent. Mais il est envisageable d'utiliser un plus grand nombre de niveaux, par exemple, comme dans l'appareil susvisé, quatre niveaux pouvant former deux groupes de trois niveaux consécutifs, afin d'acquérir davantage d'information et d'effectuer simultanément des mesures correspondant à deux profondeurs différentes. En pareil cas, on associera à chaque ensemble de trois électrodes consécutives les circuits et traitements décrits ci-après. Quant au nombre d'électrodes par niveau, il suffit d'une seule électrode. La sonde comprend également des électrodes de courant disposées de part et d'autre des électrodes a et c, à savoir une électrode supérieure Inl et une électrode inférieure In2, à des distances des électrodes a et c qui peuvent être du même ordre ou un peu plus grandes que la distance entre les électrodes a et c, par exemple de quelques mètres. Des raccords isolants 18, tels que les raccords du type AH169 couramment utilisés par Schlumberger, sont placés de part et d'autre de la partie centrale de la sonde portant les électrodes de mesure a, b et c pour isoler celle-ci des électrodes de courant Inl et In2. Les électrodes de courant Inl et In2 peuvent être réalisées à la manière des centreurs classiques pour puits tubés. Les roulettes normalement prévues sur ces centreurs en tant qu'éléments de contact avec le tubage sont alors remplacées par des éléments servant d'électrode de courant, et des conducteurs électriques prévus pour la liaison avec ces éléments formant électrode. Le dispositif comprend aussi une électrode de retour éloignée In3, placée de préférence en surface, à la tête du puits (si le puits est suffisamment profond) ou à une certaine distance de la tête du puits, et des moyens pour alimenter les électrodes de courant de façon à établir les différents circuits décrits ci-après en référence aux figures 3A à 3C. Ces moyens comprennent la source de courant de surface 16 précitée et, selon le cas, une source supplémentaire située dans la sonde, ainsi que les circuits de commutation appropriés. Les schémas des figures 3A à 3C représentent les étapes de la mesure, correspondant aux différents circuits de passage du courant qui peuvent être établis au moyen du dispositif décrit. l suffit, comme on le verra, de deux (sur trois) de ces étapes pour obtenir les résultats visés. On note sur ces schémas un circuit de traitement incluant des amplificateurs Dab et Dbc dont les entrées sont reliées aux électrodes a, b, d'une part et b, c, d'autre part, et qui fournissent en sortie les chutes de tension Vab et Vbc sur les sections de tubage délimitées par ces électrodes, et un amplificateur Dabc relié aux amplificateurs Dab et Dbc et fournissant.en sortie la différence Vabc entre les chutes de tension Vab et Vbc. Ce circuit est situé de préférence dans la sonde de fond 12. nI est complété par des moyens de calcul appartenant de préférence aux moyens d'acquisition et de traitement 15 de l'équipement de surface, qui reçoivent les tensions issues du circuit de traitement et les autres données pertinentes et fournissent les valeurs de résistivité Rt. La transmission des données par l'intermédiaire du câble 13 se fait de façon classique sous forme numérique, un convertisseur analogique- numérique (non représenté) étant prévu dans la sonde 12 et relié au circuit de traitement. L'étape de la figure 3A réalise une calibration du système de mesure formé par les électrodes de mesure a, b et c et les sections du tubage 11 qu'elles délimitent. Dans cette étape, on applique un courant au tubage au moyen du circuit formé de In l en tant qu'électrode d'injection et In2 en tant qu'électrode de retour proche, en plaçant les circuits de commutation dans la position appropriée. De cette façon, le courant ne pénètre pratiquement pas dans la formation entourant le puits. Le courant est de préférence un courant alternatif basse fréquence, par exemple d'une fréquence de 1 à 5 Hz, mais on raisonne dans ce qui suit comme si le courant était continu. Le courant appliqué étant noté It, les tensions aux sorties des amplificateurs sont les suivantes: Vabc = Rab.It [3] Vbcc = Rbc.It [3'] Vabcc = (Rab - Rbc).It [3"] L'étape de la figure 3B utilise un circuit d'application de courant composé de l'électrode supérieure Inl et de l'électrode éloignée In3, le courant appliqué étant de même type que lors de la première étape, à savoir un courant alternatif de même fréquence. Dans ces conditions, il se produit une fuite de courant telle que décrite plus haut en référence à la figure 1, laquelle fuite est fonction de la résistivité de la formation au niveau de l'électrode b. Le courant circulant vers le bas dans les sections de tubage (a,b) et (b,c) étant noté Id et le courant de fuite Ifor comme plus haut, les tensions de sortie des amplificateurs sont: VabT = Rab.Id [4] VbcT = Rbc (Id - Ifor) [4'] Vabcr = (Rab - Rbc).Id + Rbc.Ifor [4"] En combinant ces expressions, on déduit le courant de fuite Ifor: Ifor = It. [VabcT- (Vabcc Vabr I Vabc)] / (Vabc - Vabcc) [5] L'étape de la figure 3C ne diff'ere de celle de la figure 3B que par l'utilisation de l'électrode inférieure In2 à la place de l'électrode supérieure Inl pour l'application de courant, le retour restant assuré par l'électrode de surface In3. Il en résulte comme à l'étape de la figure 3B une fuite de courant vers la formation, mais le courant circule vers le haut dans les sections de tubage (a,b) et (b,c). Ce courant est noté Ih et les tensions obtenues sont VabB, VbcB et VabcB. Il est à noter qu'en vertu du principe de superposition, le circuit de courant de la figure 3A, composé des électrodes Inl et In2, est équivalent, en ce qui concerne les grandeurs électriques, courants et tensions, à la différence entre le circuit de la figure 3B et celui de la figure 3C, si le courant appliqué respectivement par les électrodes Inl et In2 est le même. On peut ainsi écrire symboliquement: CIRCUIT 3A = CIRCUIT 3B - CIRCUIT 3C Les valeurs de courant et tension entrant dans l'expression [5] ci- dessus et correspondant à l'étape de la figure 3A peuvent ainsi être remplacées conformément à l'invention par la différence entre les valeurs correspondantes obtenues respectivement aux étapes des figures 3B et 3C: ainsi, Vabc = Vacr - VacB, etc. Cela permet de remplacer l'étape de la figure 3A par celle de la figure 3C. L'avantage de cette solution est de simplifier la réalisation du circuit d'application de courant. On notera à ce sujet que l'étape de la figure 3A requiert soit une source de courant dans la sonde de fond, soit une source de courant en surface reliée à deux brins supplémentaires dans le câble 13. Le courant de fuite Ifor étant ainsi calculé, il reste, pour déterminer la résistivité de formation Rt, à déterminer le potentiel du tubage par rapport à une référence à l'infini Vb,oo, conformément à ce qui été exposé plus haut. Cela est réalisé selon la littérature précitée au moyen d'une électrode de référence qui peut être placée en surface, à distance de l'électrode de retour de surface In3, ou de préférence située dans le puits, par exemple sur la portion de câble isolé (appelée en anglais "bridle") reliant le dispositif de fond au câble. On mesure ainsi la différence de potentiel Vbs entre le tubage au niveau de l'électrode de mesure b et l'électrode de référence. Conformément à l'équation [1] précitée, on forme le rapport K.Vbs/Ifor, K étant la constante susvisée, pour déduire la résistivité de formation Rt. Cette mesure de la tension Vbs ne peut être faite simultanément aux autres mesures décrites plus haut, à cause des phénomènes de couplage dans le câble. Revendications 1. Procédé pour l'étude d'une formation géologique traversée par un forage tubé, caractérisé par le fait que - dans une première étape, on injecte un courant à l'intérieur du tubage ( 11) en un premier point (Inl) espacé longitudinalement de la dite formation de manière à provoquer une fuite de courant vers la dite formation, et on mesure au moyen d'électrodes (a, b, c) délimitant deux sections de tubage consécutives situées au niveau de ladite formation les chutes de potentiel respectives le long des dites sections; - dans une seconde étape, on injecte un courant à l'intérieur du tubage, de façon à créer une fuite de courant vers la formation, en un second point (In2) espacé longitudinalement de la formation et situé du côté opposé au premier point, et on mesure au moyen des dites électrodes les chutes de potentiel le long des dites sections; - on combine les mesures homologues des deux étapes de manière a obtenir les valeurs correspondant à un circuit formé par le tubage entre les deux points d'injection et essentiellement exempt de fuite vers la formation; et - on détermine la fuite de courant, indicative dela résistivité de la formation, à partir des mesures de la première ou de la seconde étape, d'une part, et des valeurs résultant de la dite combinaison, d'autre part. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier point d'injection est situé au-dessus de la formation et le second point est situé en dessous, et la combinaison consiste à soustraire les mesures de la seconde étape des mesures de la première étape.