Brevet FR2808596A1 — publié le 20011109

SOURCE SISMIQUE DE FOND DE PUITS S'ETENDANT AXIALEMENT La présente invention concerne une source sismique adaptée pour une utilisation en fond de puits. Plus particulièrement, la présente invention concerne une source acoustique réutilisable qui s'accouple bien avec la formation entourant un puits. Lors du perçage d'un trou de forage pour extraire du pétrole ou autres fluides terrestres, il est souvent utile de faire tourner ou de diriger le trépan de forage de fond vers ou depuis des cibles souterraines. Pour faciliter ce pilotage géophysique, les foreurs ont besoin de connaître l'emplacement du trépan de forage sur la section sismique de surface. La localisation des cibles en avant du trépan est également nécessaire, ainsi que certains avertissements ou indications de dangers de forage tels que les formations en condition de surpression ou les espaces gazeux minces et superficiels. On peut recourir à des relevés sismiques de surface pour obtenir ces informations mais la résolution et la localisation en profondeur sont médiocres car les relevés sismiques de surface sont basés sur le temps (et non pas sur la profondeur). Par exemple, pour déterminer la profondeur d'une réflexion, il est indispensable de connaître une vitesse du son pour la formation. En conséquence, ces systèmes nécessitent un calibrage en profondeur pour déterminer avec précision la localisation d'horizons cibles ou de dangers de forage. Traditionnellement, ce calibrage a été permis soit par des données soniques de puits de déviation soit par des données de cloche de vérification à câble de forage dans le puits en cours. Les données de déviation sont souvent inadaptées du fait des variations horizontales de stratigraphie entre les puits. Les cloches de vérification à câble de forage nécessitent de soulever (c'est-à-dire d'extraire) du trépan hors du trou et, pour cette raison, sont souvent d'un coût prohibitif. Au cours des relevés sismiques de surface, une pluralité de sources sismiques et de récepteurs sismiques est placée à la surface du terrain. Les sources sismiques sont déclenchées séparément pour générer des ondes sismiques. Ces ondes sismiques se déplacent vers le bas à travers le sol jusqu'àa ce qu'elles se réfléchissent sur un objet souterrain ou un changement dans la formation rocheuse. Les ondes sismiques réfléchies se déplacent ensuite vers le haut et sont détectées au niveau des récepteurs sismiques à la surface. Une ou plusieurs horloges à la surface mesurent le temps entre la génération des ondes sismiques à chaque source et la réception des ondes sismiques à chaque récepteur. Ceci donne une indication de la profondeur de l'objet détecté dans le sol. Toutefois, la vitesse exacte du son pour ces ondes sismiques est inconnue et la profondeur exacte de l'objet détecté est donc également inconnue. Pour mesurer de plus près la vitesse exacte du son, une cloche de vérification à câble de forage peut être utilisée pour calibrer les mesures en profondeur. Au cours d'une opération avec cloche de vérification à câble de forage, un récepteur placé sur une cloche de vérification à câble de forage est abaissé sur une distance connue dans un trou de forage déjà foré. Une source sismique de surface est ensuite déclenchée et on mesure le temps nécessaire pour que l'onde sismique arrive au récepteur de câble de forage. Comme la profondeur du récepteur de câble de forage est connue, il est possible de déterminer avec une certaine précision une vitesse d'intervalle moyenne indiquant la vitesse moyenne de l'onde sismique. Une solution plus directe au problème de résolution axiale est connue sous le nom de "profil sismique vertical" ou VSP. Dans le VSP, une matrice de récepteurs est placée le long de la longueur verticale d'un trou de forage et une pluralité de sources sismiques est placée à la surface. Comme précédemment, les sources sismiques produisent des ondes sismiques qui se propagent à travers le sol et se réfléchissent depuis des interfaces dans la formation. Les récepteurs détectent à la fois les réflexions et une onde sismique initiale non réfléchie qui s'est propagée à travers les formations (contrairement aux relevés de surface o l'onde sismique initiale ne se propage qu'au long de la surface). L'onde sismique initiale fournit des informations supplémentaires pour permettre une détermination précise des profondeurs d'interface de la formation. Une solution alternative mais liée est connue sous le nom de "profil sismique vertical inverse". Cette approche transpose la localisation du fond de puits des récepteurs avec la localisation de surface des sources sismiques. Certains trépans de forage génèrent un degré considérable de bruit sismique qui peut être détecté par les récepteurs à la surface. Comme la position du trépan de forage varie au fur et à mesure du forage du trou, on peut collecter suffisamment d'informations pour élaborer un modèle de la formation. Bien que le VSP inverse ne se limite pas à utiliser des trépans de forage en tant que sources sismiques, les efforts de l'art antérieur se sont concentrés dans cette direction. Toutefois, il existe de nombreuses situations importantes dans lesquelles un trépan est inadapté à l'opération consistant à générer l'énergie sismique souhaitée. Par exemple, les trépans diamantés présentent de nombreux avantages pour le forage mais ils coupent trop silencieusement. Les formations molles, lorsqu'elles sont coupées par n'importe quel trépan de forage, ne génèrent souvent pas assez de bruit. Des tentatives ont été faites pour créer d'autres sources sismiques de fond de puits. Une source décrite par Klaveness dans le brevet US n 5 438 170 s'apparente à une coulisse de forage qui provoque une éjection soudaine et forcée de fluide dans le puits. Toutefois, cette source génère de grands modes d'outils, de grandes ondes de tige et des signaux sismiques médiocres. Une autre source connue fait vibrer le trépan au moyen d'un transducteur piézoélectrique. Il présente une très faible portée et ne peut être utilisé qu'avec des récepteurs de fond de puits. Malheureusement, lorsque les récepteurs sont en fond de puits avec la source, on ne peut pas distinguer les formations à haute pression en avant du trépan d'autres limites de réflexion. Un canon à air a également été placé en fond de puits mais nécessite des conduites d'air provenant de la surface. Les canons à air et les canons à eau ne sont pas des sources de fond de puits idéales car ce sont des sources localisées qui créent de grandes ondes de tige, nécessitent des systèmes de pression intrusifs et peuvent endommager la formation. Au titre de source de fond de puits expérimentale, on a utilisé une charge explosive avec succès pour réduire l'endommagement de la formation et l'intensité des ondes de tige. Toutefois, les charges explosives ne sont pas réutilisables et peuvent être dangereuses dans certains environnements de forage. Les problèmes ci-dessus sont résolus par une source sismique de fond de puits s'étendant axialement. Dans un mode de réalisation, la source sismique comprend une pluralité de chambres de stockage de pression ayant chacune une vanne d'admission et une vanne d'évacuation. La vanne d'admission est couplée entre la chambre de stockage de pression et l'intérieur du train de forage et la vanne d'évacuation est couplée de manière similaire entre la chambre de stockage de pression et l'espace annulaire entourant le train de forage. Un fluide compressible peut être prévu dans les chambres de stockage de pression et des pistons peuvent être placés de façon à venir en contact avec le fluide compressible. Pour chaque chambre de stockage de pression, un piston d'admission vient en contact avec le fluide compressible et le fluide à l'intérieur du train de forage, tandis qu'un piston d'évacuation vient en contact avec le fluide compressible et le fluide dans l'espace annulaire entourant le train de forage. Lorsque la vanne d'évacuation est fermée, la vanne d'admission peut être ouverte pour permettre à la pression contenue dans le train de forage de comprimer le fluide compressible contenu à l'intérieur de la chambre de stockage de pression. Ensuite, la fermeture de la vanne d'admission et l'ouverture de la vanne d'évacuation entraîne l'éjection du fluide dans l'espace annulaire, générant ainsi des ondes sismiques. L'utilisation d'une pluralité de chambres de stockage de pression permet au front de pression provenant de la source sismique de s'étendre axialement pour augmenter avantageusement la fraction d'énergie sismique transmise dans la formation tout en évitant d'endommager la formation. Pour une description plus détaillée du mode de réalisation préféré de la présente invention, on va maintenant se reporter aux dessins joints sur lesquels: la figure 1 est une vue de l'environnement d'un puits dans lequel une source sismique de fond de puits est utilisée pour un profil sismique inverse; la figure 2 est une illustration schématique d'une onde de pression émise par une source sismique de fond de puits; la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'un mode de réalisation préféré d'une source sismique de fond de puits; et la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation de chambre de stockage de pression. Bien que l'invention soit susceptible de présenter diverses modifications et des variantes de forme, des modes de réalisation spécifiques de celleci sont illustrés à titre d'exemple sur les dessins et vont maintenant être décrits en détail. Il convient de noter toutefois que les dessins et la description détaillée qui s'y rapportent ne visent pas à limiter l'invention à la forme particulière décrite mais, au contraire, leur but est de couvrir toutes les modifications, équivalents et variantes tombant dans l'esprit et la portée de la présente invention telle qu'elle est définie par les revendications annexées. En référence maintenant aux figures, la figure 1 représente un puits au cours d'opérations de forage. Une plate-forme de forage 2 est équipée d'un derrick 4 qui supporte un treuil 6. Le forage de puits de pétrole et de gaz est effectué par un train de tiges de forage reliées les unes aux autres à l'aide de raccords de tige 7 afin de former un train de forage 8. Au treuil 6 est suspendu une tige carrée 10 qui est utilisée pour faire descendre le train de forage 8 par l'intermédiaire de la table de rotation 12. A l'extrémité inférieure du train de forage 8 est relié un trépan de forage 14. Le trépan 14 est mis en rotation et le forage est effectué en faisant tourner le train de forage 8, au moyen d'un moteur de fond de puits à proximité du trépan de forage, ou par les deux procédés. Le fluide de forage, appelé "boue", est pompé à l'aide d'un équipement de remise en circulation de la boue 16 à travers une canalisation d'amenée 18, à travers la tige carrée de forage 10 et en descendant à travers le train de forage 8 à des pressions et avec des volumes élevés (tels que 3000 psi à des débits allant jusqu'à 1400 gallons par minute) pour sortir par des buses ou gicleurs dans le trépan de forage 14. La boue remonte ensuite le trou en passant par l'anneau formé entre l'extérieur du train de forage 8 et la paroi 20 du trou de forage, à travers l'obturateur de sécurité 22 et jusque dans un bac à boue 24 situé à la surface. A la surface, la boue de forage est nettoyée puis remise en circulation à l'aide de l'équipement de remise en circulation 16. La boue de forage est utilisée pour refroidir le trépan de forage 14, pour porter les déblais de la base du trou jusqu'à la surface, et pour équilibrer la pression hydrostatique dans les formations rocheuses. Un raccord double femelle dTinstrument de fond de puits 26 est accouplé à un émetteur de télémesure 28 qui communique avec la surface pour délivrer des signaux de télémesure et recevoir des signaux de commande. Un émetteur-récepteur de surface 30 peut être couplé à la tige carrée 10 pour recevoir les signaux de télémesure émis et pour émettre des signaux de commande en fond du puits. Un ou plusieurs modules de répéteur 32 peuvent être prévus le long du train de forage pour recevoir et ré- émettre les signaux de télémesure et de commande. Dans un mode de réalisation préféré, le raccord double femelle d'instrument de fond de puits 26 comprend une source sismique comme décrit plus en détail ci- après. La source sismique émet des ondes sismiques qui se réfléchissent sur des formations situées autour et à l'avant du trépan 14 et sont recues à la surface par une matrice de capteurs sismiques 34. En variante, une matrice de capteurs peut être montée le long du train de forage 8 pour recevoir les ondes réfléchies. Les capteurs peuvent être des hydrophones, des géophones et des accéléromètres. Les géophones et les accéléromètres peuvent être des capteurs multiaxiaux. La figure 2 représente une source sismique de fond de puits 102 émettant une onde de pression 104 dans un trou de forage entouré par la formation 106. Dans le présent contexte, l'onde de pression 104 est représentée sous la forme d'un cylindre de diamètre intérieur Dt, de diamètre extérieur Db et de longueur Ls. Pour réduire l'endommagement des parois du trou de forage et pour éviter l'affaissement du trou de forage, la pression exercée sur les parois doit être inférieure à une limite maximale définie Pm. L'énergie sismique couplée à travers les parois de trou de forage jusque dans la formation est proportionnelle à la force s'exercant sur les parois: Fw = Pm * Ls * ( * Db. L'augmentation de la longueur de la source sismique Ls augmente l'énergie sismique délivrée à la formation. D'autre part, l'énergie sismique transmise axialement le long du train de forage est proportionnelle à: Fa = Pm * ( * (Db2 - Dt2)/4. Par conséquent, l'énergie sismique transmise axialement est relativement indépendante de la longueur de la source sismique. Néanmoins, une plus grande fraction de l'énergie sismique totale entre dans la formation pour des longueurs Ls de source plus importantes et ceci améliore le rapport signal/bruit de l'onde de formation à l'onde de tube. Actuellement, la méthode préférée pour créer une source allongée consiste à utiliser une matrice de sources très rapprochées. Les sources sont idéalement espacées afin de créer une pression relativement constante sur la paroi du trou de forage. Pour ce faire, les sources doivent être dans la plage d'une demi-longueur d'onde (comme mesurée dans la formation) les unes par rapport aux autres. Bien que ceci constitue l'approche préférée, on peut utiliser des espacements plus larges. L'espacement de source et le temps d'activation peuvent être commandés pour focaliser l'énergie sismique au moyen de techniques de matrices linéaires standards. Des détails concernant les matrices linéaires et la manière dont le temps et l'espacement influencent la configuration de l'énergie émise sont disponibles au chapitre 3 (pages 108 à 168) de Antenna Theory and Design de W.L. Stutzman et G.A. Thiele, publié en 1981 par John Wiley & Sons, Inc. et incorporé ici à titre de référence. La figure 3 représente une vue découpée d'un mode de réalisation de la source sismique 102. La source sismique 102 est une masse-tige ayant plusieurs chambres de stockage de pression 206. Chaque chambre de stockage de pression comporte une vanne d'admission 204 et une vanne d'évacuation 202. Bien que l'intérieur 208 du train de forage soit mis sous pression par les pompes de boues de surface, la vanne d'évacuation 202 est fermée et la vanne d'admission 204 est ouverte. La pression à l'intérieur 208 du train de forage est laissée mettre sous pression les chambres de stockage de pression 206 et, à un certain stade après que cela s'est passé, les vannes d'admission 204 sont fermées. Il convient de noter que l'on peut utiliser d'autres méthodes pour mettre sous pression les chambres de stockage de pression. Par exemple, le train l1 de forage peut être équipé d'un élément télescopique. Avec l'élément télescopique étendu par le poids du trépan de forage, les vannes d'évacuation sont fermées. L'élément télescopique est ensuite ramassé, par exemple en faisant descendre le poids du train de forage, et ceci comprime le fluide contenu dans les chambres de stockage de pression. Avant l'activation de la source sismique allongée, l'activité de forage est suspendue et les pompes à boue sont fermées. Une fois que le bruit s'est atténué, les vannes d'évacuation 202 sont déclenchées, entraînant une détente de pression soudaine dans l'anneau 210. Les vannes d'évacuation peuvent être déclenchées simultanément ou, pour la focalisation directionnelle de l'énergie sismique, elles peuvent être déclenchées les unes à la suite des autres. Il convient de noter que les évacuations des chambres de pression sont de préférence orientées symétriquement afin qu'il n'y ait pas de changement de moment net transmis au train de forage lorsque la source est activée. Les évacuations 212 peuvent être munies de buses ou formées de manière à réguler le taux de détente de pression. Ceci est censé apporter une commande sur le spectre de fréquences d'ondes sismiques générées. On peut utiliser une pluralité de formes et de dimensions d'ouvertures. Par exemple, chacune des évacuations 212 de la source sismique 102 peut être équipée d'un disque pourvu de diverses ouvertures autour de sa périphérie. Des commandes provenant de la surface peuvent amener un module de commande pour la source sismique à faire tourner le disque dans une position choisie avant de déclencher la source. La source sismique peut ensuite générer des ondes sismiques présentant des spectres de fréquences variés, permettant une analyse des caractéristiques basées sur la fréquence de la formation. La figure 4 représente une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation de chambre de stockage de pression envisagé. La chambre de stockage de pression 410 contient un fluide compressible, par exemple une huile de silicone Dow Corning DC-200 d'une viscosité de 1 cs. Un piston d'admission 404 est monté dans la chambre de stockage de pression 410. Lorsque la vanne d'admission 408 est ouverte et que le détendeur de pression (distributeur à tiroir) 416 est fermé, le piston d'admission 404 peut être forcé vers le bas pour comprimer le fluide dans la chambre de stockage de pression. Le mouvement descendant du piston 404 peut être causé par la pression provenant du trou du train de forage. Cette pression peut être délivrée pendant que les pompes sont en service. Un ressort (non représenté) peut être inclus dans la chambre d'admission 410 pour ramener le piston dans la position d'origine en l'absence de pression élevée dans le trou du train de forage. Une fois que le fluide contenu dans la chambre de stockage de pression 410 est comprimé, la pression peut être emprisonnée en fermant la vanne d'admission 408. Pour minimiser le bruit sismique externe, les pompes sont de préférence mises hors service avant le déclenchement de la source sismique de fond de puits. Pour décharger la pression, une vanne d'évacuation 418 est d'abord ouverte sur l'anneau. Ensuite, le distributeur à tiroir 416 peut être ouvert par un distributeur pilote 412. Pour améliorer les performances et la fiabilité du détendeur de pression 416, il est de préférence conçu pour utiliser la pression dans la chambre de stockage 410 pour fonctionner. Cette pression est de préférence déclenchée par un distributeur pilote actionné électriquement 412. En conséquence, pour ouvrir le distributeur à tiroir 416, le distributeur pilote 412 est d'abord momentanément ouvert. La pression agit sur un piston 414, l'amenant à ouvrir de force le distributeur à tiroir 416. Le distributeur à tiroir 416 fonctionne de préférence dans une chambre contenant un liquide présentant une faible viscosité et une haute compressibilité. L'ouverture du distributeur à tiroir 416 libère la pression dans une chambre de décharge de pression 422 qui contient un piston d'évacuation 420 monté à l'intérieur. Le fluide sous pression provenant de la chambre de pression 410 force le piston d'évacuation 420 vers le bas, entraînant l'éjection forcée d'un courant de boue de forage depuis la chambre d'évacuation 422 dans l'anneau. Ceci entraîne la saute de pression qui génère les ondes sismiques souhaitées. Pour permettre aux pistons de revenir dans leur position d'origine, la vanne d'admission 408 est ouverte tandis que le distributeur à tiroir est maintenue ouvert sous l'effet de la pression emprisonnée dans la chambre de piston 413 ou d'autres moyens auxiliaires (non spécifiquement représentés). Il convient de noter que les vannes d'admission et d'évacuation sont de préférence actionnées lorsqu'une faible pression leur est appliquée. Ce système peut être utilisé de manière avantageuse pour améliorer une technique appelée profil sismique vertical inverse. Le système peut être utilisé pour éviter ou bien prendre des mesures de précaution en rapport avec les dangers de forage à l'avant du trépan. Par exemple, une résolution élevée et une profondeur connue avec précision pour les dangers de forage permet une modification du poids de la boue pour, par exemple, éviter les éruptions lorsque l'on rencontre des formations à haute pression. Bien que des modes de réalisation préférés de la présente invention aient été représentés et décrits, des modifications peuvent y être apportés par l'homme du métier sans sortir de l'esprit ou de l'enseignement de la présente invention. Les modes de réalisation décrits dans les présentes ne sont donnés qu'à titre d'exemple et ne sont pas limitatifs. De nombreuses variantes et modifications du système et dispositif sont possibles et sont comprises dans la portée de l'invention. En conséquence, le champ de protection n'est pas limité aux modes de réalisation décrits ici mais n'est limité que par les revendications qui suivent, dont la portée devra inclure tous les équivalents de l'objet des revendications. REVENDICATIONS 1. Source sismique qui comprend: une chambre de stockage de pression (206; 410); une vanne d'admission (204) couplée entre la chambre de stockage de pression (206; 410) et un espace intérieur d'un train de tiges; et une vanne d'évacuation (202) couplée entre la chambre de stockage de pression (206; 410) et un espace annulaire autour du train de tiges. 2. Source sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de stockage de pression (206; 410) contient un fluide compressible. 3. Source sismique selon la revendication 2, comprenant en outre un piston d'admission (404) couplé entre une admission depuis l'espace intérieur de la tige et la vanne d'admission (204), caractérisée en ce que une face du piston d'admission (404) vient en contact avec le fluide compressible et une face opposée du piston d'admission (404) est exposée à un fluide provenant de l'espace intérieur du train de tiges. 4. Source sismique selon la revendication 3, comprenant en outre un piston d'évacuation (420) couplé entre la vanne d'évacuation (202) et une évacuation vers l'espace annulaire, caractérisée en ce que une face du piston d'évacuation (420) vient en contact avec le fluide compressible, et une face opposée du piston d'évacuation (420) est exposée à un fluide provenant de l'espace annulaire. 5. Source sismique qui comprend: une pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410) ayant chacune: une vanne d'admission (204) couplée entre la chambre de stockage de pression (206; 410) et un espace intérieur d'un train de tiges; et une vanne d'évacuation (202) couplée entre la chambre de stockage de pression (206; 410) et un espace annulaire entourant le train de tiges. 6. Source sismique selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacune de la pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410) contient un fluide compressible et caractérisée en ce que chacune de la pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410) comporte également: un piston d'admission (404) couplé entre une admission depuis l'espace intérieur de la tige et la vanne d'admission (204), une face du piston d'admission (404) venant en contact avec le fluide compressible et une face opposée du piston d'admission (404) étant exposée à un fluide provenant de l'espace intérieur du train de tiges; et un piston d'évacuation (420) couplé entre la vanne d'évacuation (202) et une évacuation vers l'espace annulaire, une face du piston d'évacuation (420) venant en contact avec le fluide compressible, et une face opposée du piston d'évacuation (420) étant exposée à un fluide depuis l'espace annulaire. 7. Méthode pour générer des ondes sismiques dans une formation entourant un trou de forage, caractérisée en ce que la méthode comprend les étapes consistant à: mettre sous pression une pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410) réparties axialement le long d'une partie d'une tige située dans ledit trou de forage; et décharger la pression de chacune de ladite pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410) pour éjecter du fluide dans une zone annulaire entourant ladite tige. 8. Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite mise sous pression comprend les étapes consistant à: fermer une vanne d'évacuation (202) pour chacune de la pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410); mettre sous pression un espace intérieur de ladite tige; et transmettre la pression provenant dudit espace intérieur dans chacune de la pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410). 9. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite détente de pression comprend les étapes consistant à: fermer une vanne d'admission (204) pour chacune de la pluralité de chambres de stockage de pression (206; 410); et ouvrir les vannes d'évacuation (202).