Brevet FR2795521A1 — publié le 20001229

PROCEDE ET DISPOSITIF 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 2.10e ohm.m pour un tubage en acier contre 1 â 1000 ohm.m pour une formation), représente en effet une barrière considérable à l'envoi de courants électriques dans les formations entourant le tubage. II 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 gisement 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) où aucune mesure n'a été faite avant la pose du tubage, afin notamment de compléter la connaissance du gisement, 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 est évaluée selon le brevet susvisé en établissant un profil du courant circulant le long du tubage. Le brevet US 2 729 784 décrit un procédé de mesure utilisant trois électrodes de mesure espacées le long du tubage, formant deux paires d'électrodes adjacentes en principe identiques. 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 rétroaction asservit les injections de courant de manière à mettre au même potentiel les électrodes de mesure extérieures, dans le but d'éliminer l'effet des différences de résistance du tubage dans les sections délimitées par les électrodes de mesure. Une valeur pour le courant de fuite au niveau de l'électrode médiane est obtenue en mesurant la chute de tension sur chacune des paires d'électrodes et en formant la différence des chutes de tension, cette différence étant indiquée comme proportionnelle au courant de fuite. Le brevet US 2 891 215 décrit un procédé du même type utilisant une électrode de courant supplémentaire au niveau de l'électrode de mesure médiane, montée de façon à appliquer un courant qui compense exactement le 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 première étape destinée à mesurer la résistance de la section de tubage délimitée par les électrodes de mesure, 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. Cette technique est très difficile à mettre en oeuvre, étant donné les ordres de grandeur indiqués plus haut. Elle nécessite en outre deux étapes de mesure distinctes. L'invention vise à permettre la détermination du courant de fuite de manière plus simple et efficace que selon les techniques connues. L'invention a pour objet un procédé pour l'étude de la résistivité d'une formation géologique traversée par un forage muni d'un tubage métallique, caractérisé par le fait qu'on applique un courant au tubage de façon à provoquer une fuite de courant vers la dite formation à un niveau donné, on dérive le dit courant par un circuit à rétroaction en contact avec le tubage de part et d'autre du niveau de mesure, ledit circuit étant agencé pour que le courant circulant le long du tubage au dit niveau soit faible par rapport au courant dérivé, on détermine la différence entre les chutes de tension sur des sections de tubage adjacentes situées de part et d'autre du niveau de mesure, et on en déduit le courant de fuite (Ifor). 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, selon la technique classique; - la figure 2 illustre schématiquement le procédé conforme à l'invention, dans une première forme de réalisation; - la figure 3 montre schématiquement une seconde forme de réalisation de l'invention ; - la figure 4 montre un dispositif de fond adapté à la mise en oeuvre de l'invention. 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 11. Le niveau (ou profondeur) où 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 B. Selon la loi d'Ohm, on peut ainsi écrire Rt = k (V$ - / Ifor) 111 où k est une constante géométrique, qui peut être déterminée par des mesures d'étalonnage, VB,- est le potentiel du tubage au niveau B avec une référence à l'infini, et Ifor est le courant de fuite au niveau B. On peut décrire la perte de courant au niveau B comme une différence entre le courant entrant au niveau B et le courant sortant. Si l'on fait l'approximation d'une variation discrète du courant, on peut supposer le courant constant d'une part sur la section (A,B), d'autre part sur la section (B,C), ces courants étant pris égaux aux courants moyens respectifs IAB et IBc sur ces sections, et on détermine le courant de fuite Ifor comme la différence entre les courants IAB et IBc Ifor= IAB - IBc [2] Comme IAB et IBc sont les valeurs moyennes sur les sections (A,B), (B,C) Ifoi= 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 (B,C) du tubage, et RAB et RBc les résistances respectivement des sections AB et BC du tubage. La figure 2 illustre schématiquement une forme de mise en oeuvre de l'invention. On note sur la figure 2 le forage 10 et le tubage 11 auquel est appliqué un courant Io par une électrode d'injection, non représentée, le retour étant éloigné pour qu'il se produise une fuite de courant vers la formation, comme illustré par les flèches parallèles. On distingue sur la figure 2 des niveaux axialement espacés A, B, C, D sur le tubage 11, définissant des sections AB, BC et CD. Des électrodes sont placées en contact avec le tubage aux niveaux B et C et l'un au moins des niveaux A et D. Ces électrodes situées aux niveaux A,B,C,D sont désignées respectivement par les lettres minuscules a,b,c,d. Les électrodes médianes b et c sont reliées respectivement aux entrées E1 et E2 d'un amplificateur 12 à gain G élevé. L'amplificateur 12 est monté en dérivation par rapport au circuit que forme le tubage 11, les sorties S1 et S2 de l'amplificateur 12 étant reliées au tubage 11 à des niveaux respectifs A' et D' situés à l'extérieur, et de part et d'autre, de la section comprise entre les niveaux A et D. L'amplificateur 12 constitue une boucle de rétroaction agencée pour réduire à une valeur sensiblement nulle, ou en tout cas faible, la différence de potentiel entre ses entrées E 1 et E2. La chute de tension entre les électrodes b et c, et donc le courant IBc qui circule entre ces électrodes, peuvent dès lors être considérés comme sensiblement nuls, ou en tout cas faibles. Le courant se trouve ainsi détourné en quasi-totalité vers le circuit de dérivation comprenant l'amplificateur 12. Dans ces conditions, le courant circulant le long du tubage en dehors de la section BC sous le contrôle de l'amplificateur 12 est sensiblement égal au courant Ifor qui fuit dans la formation. La différence de potentiel VAB entre les électrodes a et b (ou la différence de potentiel VCD entre les électrodes c et d) est alors sensiblement proportionnelle au courant de fuite Ifor Ifor - VAB/RAB ( ou Ifor - VcD/RCD) [3] On détermine cette différence de potentiel à l'aide d'un amplificateur 13 dont les entrées sont reliées aux électrodes a et b (ou aux électrodes c et d) et dont la tension de sortie est la différence entre les tensions d'entrée. La technique conforme à l'invention élimine de façon simple l'essentiel des difficultées liées aux incertitudes concernant les résistances RAB et RBc des sections de tubage. II résulte en effet de la relation [3] ci-dessus que l'incertitude OR affectant la résistance de la section de tubage RAB (ou RcD) n'intervient dans l'incertitude relative au courant de fuite que sous la forme d'un terme relatif OR/R, qui est typiquement de l'ordre de 10"Z dans les conditions réelles. L'influence de l'incertitude AR est ainsi réduite de façon décisive. En outre, l'invention offre la possibilité d'obtenir le courant de fuite par une étape de mesure unique, ce qui est avantageux sur le plan opérationnel. On a dit plus haut que le courant IBc circulant dans la section BC doit être sensiblement nul, ou en tout cas faible. Il est approprié selon l'invention de fixer le gain de l'amplificateur 12 de telle façon que le rapport entre le courant circulant entre les niveaux A' et D' et le courant dérivé vers l'amplificateur soit au plus de l'ordre de 10-2, étant entendu que le rapport exact varie selon les conditions et le contexte de la mesure - par exemple, dans un même forage, il varie selon la profondeur de mesure et ne peut être fixé a priori. L'ordre de grandeur précité suffit d'un côté pour obtenir un résultat adéquat du point de vue de la réduction de l'influence de l'incertitude AR, et d'un autre côté, n'exige pas une valeur excessive pour le gain de l'amplificateur 12. La définition des caractéristiques appropriées pour l'amplificateur 12 est à la portée de l'homme du métier. Avec des valeurs de cet ordre, le courant IBc et donc la tension VBC peuvent ne pas être totalement négligeables et il est préférable, pour obtenir la meilleure précision, d'utiliser la tension VBC obtenue à la sortie de l'amplificateur 12 pour déterminer le courant de fuite Ifor, conformément à la relation [2] ci-dessus. Néanmoins, le mode de détermination approximatif correspondant à la relation [3], qui n'utilise pas la tension VBC, entre également dans le cadre de l'invention. On a décrit ci-dessus un schéma dans lequel l'amplificateur 12 sert à la fois de circuit de rétroaction et de circuit de mesure de la tension VBc. Une variante de réalisation de ce schéma consiste à dissocier ces fonctions en prévoyant un premier amplificateur pour la rétroaction et un second amplificateur pour la mesure de VBC. Le circuit de rétroaction comprenant le premier amplificateur pourrait alors être en contact avec le tubage en des points différents des points B et C, par exemple en A et D. Cette variante offre donc plus de flexibilité. Par ailleurs, selon la relation [3] ou [2'], la détermination du courant de fuite exige la connaissance de la résistance de la section de tubage sur laquelle on mesure la chute de tension. Compte tenu de l'observation précédente, les résistances en question n'ont pas besoin d'être connues avec une grande précision. Ceci offre plusieurs possibilités. Une première possibilité consiste simplement à calculer ces résistances en fonction des données disponibles concernant le tubage au niveau considéré (diamètre intérieur et extérieur, résistivité) et des autres paramètres entrant en ligne de compte (distances AB, BC, CD, température au niveau considéré). Une autre possibilité consiste à déterminer les résistances considérées par une étape de mesure distincte de l'opération principale décrite ci-dessus. On fait circuler un courant dans les sections de tubage AB, BC, CD de telle façon qu'il n'y ait pas de fuite vers la formation, grâce à un circuit comprenant une électrode d'injection et une électrode de retour en contact avec le tubage à des niveaux respectivement proches des niveaux A et D, et on mesure la chute de tension sur les sections de tubage considérées. Une troisième solution peut être envisagée pour déterminer la résistance RAB ou RCD simultanément à l'opération principale. Cette solution est mise en oeuvre au moyen du circuit schématisé à la figure 3. Le principe consiste à réaliser la mesure de la résistance RAB ou RoD avec un courant dont la fréquence f est différente de la fréquence fo utilisée pour la mesure principale. La boucle de rétroaction représentée à la figure 3 comporte deux amplificateurs l4-1 et 14-2 ayant des gains respectifs G, et GZ. Une tension v est appliquée entre les amplificateurs 14-1 et 14-2. Il en résulte le passage d'un courant j dans la boucle et le long du tubage, comme représenté par les traits pointillés. Compte tenu des dimensions du circuit parcouru par ce courant j, il circule essentiellement dans l'épaisseur du tubage et ne dépend pas de la résistivité de la formation. En mesurant le courant j, on peut déterminer la résistance du tubage selon la relation RAB = v / G,.j [4] La tension VAB (ou VCD ) est obtenue comme décrit en référence à la figure 2 au moyen d'un amplificateur, non représenté à la figure 3, dont les entrées sont reliées aux électrodes a et b (resp. c et d). On a indiqué dans ce qui précède que l'on mesure la tension VAB ou la tension VCD. En pratique, on a intérêt à mesurer simultanément ces deux tensions, car on obtient ainsi en une seule étape deux mesures correspondant à deux niveaux différents dans le forage, l'une pour le niveau b, l'autre pour le niveau c.. Un dispositif approprié pour la mise en oeuvre de l'invention est représenté schématiquement à la figure 4. La figure 4 montre un forage pétrolier 10 muni d'un tubage 11, et une sonde, désignée dans son ensemble par la référence 20, suspendue à l'extrémité d'un câble électrique 21 de façon à pouvoir être déplacée dans le forage comme il est classique dans la techniques des diagraphies pétrolières. Le câble 21 est relié à un équipement de surface 22 comprenant classiquement un treuil, non représenté, une unité 23 d'acquisition et de traitement d'informations, et une source 24 d'alimentation électrique. La sonde 20 comporte quatre électrodes de mesure a, b, c et d qui peuvent être placées en contact avec le tubage en délimitant des sections de tubage (a,b), (b,c) et (c,d) ayant chacune une longueur comprise de manière appropriée entre 40 et 80 cm. Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrodes a, b, c et d sont montées sur des bras 25 articulés sur la sonde 20. 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 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 l20 entre électrodes adjacentes. Toutefois, il suffit d'une électrode par niveau pour les besoins de l'invention. La sonde comprend également des électrodes de courant disposées de part et d'autre des électrodes a et d, à savoir une électrode supérieure In I et une électrode inférieure In2, à des distances des électrodes a et d qui peuvent être du même ordre ou un peu plus grandes que la distance entre les électrodes a et d, par exemple de quelques mètres. Des raccords isolants 26, tels que les raccords du type AH l69 couramment utilisés par Schlumberger, sont placés de part et d'autre de la partie centrale de la sonde portant les électrodes de mesure a à d pour isoler celle-ci des électrodes de courant In l et In2. Les électrodes de courant In I 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. La sonde comprend également un sous-ensemble électronique, non représenté. Ce sous-ensemble comprend de façon appropriée les amplificateurs 12, 13 et 14-l, 14-2 décrits en référence aux figures 2 et 3. Les signaux de sortie de ces circuits sont de préférence numérisés et transmis en surface, en vue de leur traitement dans l'unité 23 pour la détermination de la résistivité de formation. Le dispositif comprend aussi une électrode de retour éloignée 10, placée de préférence en surface, â 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. 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 moyens décrits plus haut permettent de déterminer le courant de fuite Ifor. Pour déterminer la résistivité de formation Rt, il reste à déterminer le potentiel du tubage par rapport à une référence à l'infini Vb,-, conformément à ce qui été exposé plus haut. Bien que ceci ne fasse pas l'objet de la présente invention, on donnera les indications ci-après en ce qui concerne la détermination du potentiel du tubage. La méthode habituelle consiste à utiliser une électrode de référence placée en surface, à distance de l'électrode de retour de surface 10. 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 [Il précitée, on forme le rapport K. Vbs/Ifor, K étant la constante susvisée, pour déduire la résistivité de formation Rt. Une autre méthode, qui évite lé recours à une électrode de référence, est décrite dans la demande de brevet français 99 05341 du 28 avril 1999, à laquelle on se reportera pour un exposé détaillé. Revendications 1. Procédé pour l'étude de la résistivité d'une formation géologique traversée par un forage muni d'un tubage métallique, caractérisé par le fait qu'on applique un courant au tubage de façon à provoquer une fuite de courant vers la dite formation à un niveau donné, on dérive le dit courant par un circuit à rétroaction en contact avec le tubage de part et d'autre du niveau de mesure, ledit circuit étant agencé pour que le courant circulant le long du tubage au dit niveau soit faible par rapport au courant dérivé, on détermine la différence entre les chutes de tension sur des sections de tubage adjacentes situées de part et d'autre du niveau de mesure, et on en déduit le courant de fuite (Ifor). 2 . Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre le courant circulant le long du tubage au dit niveau et le courant dérivé est au plus de l'ordre de 10-Z. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on mesure la chute de tension (VAB,VBc,VcD) sur au moins une section de tubage incluant le dit niveau, on détermine la résistance (RAB, Rsc, RcD) de ladite section, et on en déduit la fuite de courant. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on détermine la résistance de ladite section de tubage à partir des données nominales concernant le tubage au niveau considéré. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on détermine la résistance de ladite section de tubage par une étape de mesure dans laquelle un courant est appliqué au tubage de façon à ne provoquer sensiblement aucune fuite vers la formation. 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on détermine la résistance de ladite section de tubage au cours de la même étape que la mesure de la chute de tension, par une mesure à une fréquence différente. 7. Dispositif pour l'étude de la résistivité d'une formation géologique traversée par un forage muni d'un tubage métallique, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (24, In3) pour appliquer un courant au tubage de façon à provoquer une fuite de courant vers la dite formation à un niveau donné, un circuit à rétroaction (12) agencé pour être en contact avec le tubage en des points (A', D') situés de part et d'autre du dit niveau et pour maintenir le courant circulant le long du tubage au dit niveau à une valeur faible par rapport au courant dérivé sur le circuit à rétroaction, et des moyens (13) pour mesurer la chute de tension résultant de la dite fuite. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le circuit à rétroaction comprend un amplificateur (12) à gain élevé (G) dont les entrées (E1, E2) sont en contact avec le tubage et y délimitent une section (BC) adjacente à la dite section de mesure et dont les sotties (S1, S2) sont reliées respectivement aux dits points de contact. 9. Dispositif selon la revendication 8, comprenant des moyens pour appliquer à ladite section adjacente (BC) du tubage une tension (v) ayant une fréquence différente de celle du courant appliqué pour créer une fuite vers la formation, le courant résultant (j) étant indicatif de la résistance de la dite section de tubage.