Brevet FR2815118A1 — publié le 20020412

MESURE DE CONTRAINTE DANS LES PUITS D'HYDROCARBURES L'invention se rapporte à la mesure de contrainte dans des puits d'hydrocarbures. L'invention concerne plus particulièrement la mesure de la contrainte subie par le coffrage d'un puits d'hydrocarbures. Durant l'extraction d'hydrocarbure, le milieu 'entourant le puit, par exemple la terre et les roches, peut subir des compactages. Ceci, à son tour, applique des contraintes au coffrage du puit d'hydrocarbures. Il est donc souhaitable de pouvoir surveiller la contrainte appliquée au coffrage. 1 0 Les dispositifs de mesure existant comprennent plusieurs jauges de contraintes fixées au coffrage. Cependant, un coffrage typique est long de plusieurs kilomètres, ce qui nécessite un grand nombre de jauges de contrainte et un dispositif complexe pour extraire les données de contrainte de chaque capteur. L'invention fournit un appareil pour mesurer la contrainte appliquée à une zone d'un puit d'hydrocarbures, qui comprend une fibre optique en communication avec la zone, la fibre optique répondant à la contrainte appliquée à la zone par un signal lumineux transmis à travers elle, afin de produire un signal lumineux de mesure comprenant une lumière diffusée, la caractéristique de la lumière diffusée étant un indicateur de la contrainte appliquée à la zone. De préférence, la caractéristique de la lumière diffusée qui est surveillée est la diffusion dite de Brillouin. L'utilisation d'une fibre optique unique afin de mesurer la contrainte appliquée le long d'une zone relativement large simplifie la mesure de la contrainte. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un puit d'hydrocarbures; la figure 2 illustre une zone du coffrage du puit d'hydrocarbures de la figure 1, comprenant un capteur construit selon l'invention; La figure 3 illustre un signal de lumière typique mesuré par l'appareil de la figure 2; La figure 4 illustre schématiquement un appareil de mesure et de transmission de lumière de la présente invention; et La figure 5 illustre un tracé typique généré par l'analyseur de la figure 4. La figure 1 est une vue en coupe d'une disposition typique d'un puit, à partir duquel des hydrocarbures fluides ou gazeux peuvent être extraits à travers le tube de production 1. Durant le processus d'extraction, le milieu 2 autour du coffrage, à proximité du forage 3, peut subir une compaction. Cela se traduit par des forces importantes qui s'appliquent au coffrage 4, via le ciment 5 qui est injecté entre le forage et le coffrage à l'installation. Il convient donc de surveiller la contrainte dans le coffrage résultant des forces de compaction. En référence maintenant à la figure 2, I'invention comprend une fibre optique 6 en communication avec le coffrage. La figure 2 montre une section le long du coffrage 4, o la fibre 6 fixée au coffrage 4 par des bandes 7 selon une géométrie verticale simple. Durant l'installation, le coffrage 4 est abaissé dans le forage 3, la fibre optique 6 y étant attachée. L'assemblage est alors fixé à l'ensemble coffrage/roche injection de ciment, un procédé normal d'injection de ciment ou de béton dans l'espace compris entre le milieu 2 entourant le forage 4 et le coffrage 5. La contrainte exercée sur la fibre optique (à travers le ciment ou le béton) peut être mesuré en utilisant un effet d'optique connu sous le nom de rétrodiffusion Brillouin. Lorsqu'une impulsion lumineuse à haute intensité et à largeur de lignes très fine est couplée dans une fibre optique, plusieurs signaux différents de réflexion en retour sont générés en chaque point le long de la fibre. La figure 3 représente un spectre typique de lumière diffusée dans une fibre optique. Le spectre est composé de lumière rétrodiffusée de Rayleigh d'une fréquence identique à celle de la source originale mais avec une amplitude fortement réduite. S'ajoute à cela la lumière rétrodiffusée dite de Raman qui présente des composantes à fréquences décalées vers le haut et vers le bas appelées stokes et anti-stokes, respectivement; et finalement, les signaux de diffusion Brillouin ayant également des composants de fréquences décalés vers le haut et vers le bas. On voit clairement que le décalage de fréquences dans le cas d'une diffusion Brillouin est beaucoup plus petit que dans la diffusion Raman. Brillouin est de l'ordre du GHz, tandis que Raman est dans la zone THz. Une autre différence principale est que la diffusion Brillouin est au moins de deux ordres de magnitude plus forte en intensité comparativement à la diffusion Raman. La diffusion Rayleigh est corrélée aux inhomogénéités dans la structure du matériau de la fibre optique. Les petites fluctuations de l'indice de réfraction diffusent la lumière dans toutes les directions sans changer la fréquence de la lumière diffusée. La diffusion Raman se produit quand la lumière est absorbée par des molécules et ré-émise à des fréquences différentes. La lumière diffusée Brillouin est le résultat de l'interaction entre une source lumineuse incidente hautement cohérente et une onde acoustique générée à l'intérieur du matériau de guidage, c'est-à-dire la fibre. La lumière diffusée subit un décalage de fréquences Doppler puisque les variations de pressions de l'onde acoustique sont périodiques et cheminent dans le matériau. Ce décalage de fréquences est connu comme décalage de fréquences Brillouin et dépend du matériau et de la vitesse de l'onde acoustique. Les décalages Brillouin sont de l'ordre de +/- 13 GHz pour la lumière incidente à 1,33pm, et de +/-11GHz pour la lumière incidente à 1,55mu. La caractéristique clé de la diffusion Brillouin est que le décalage de fréquences dépend de la contrainte, avec un coefficient de 433 MHz/% de contrainte pour une lumière incidente de 1,55 pm. L'architecture de base du système d'interrogation utilisé pour transmettre la lumière vers la fibre, et pour détecter les signaux diffusés est expliqué à la figure 4. Un laser à rétroaction distribuée (DBF) 8 est utilisé comme source lumineuse et comme source de référence. La fréquence du centre de la source est à vo. La lumière est divisée en deux signaux, l'un est utilisé comme signal de référence dans un détecteur cohérent 9, l'autre venant alimenter des modulateurs lumineux et un décaleur de fréquences 10. Les modulateurs de lumière sont indiqués par les références A01 et A02. Ces modulateurs sont des modulateurs acousto-optiques; ils modulent la source de lumière entrante continue en lumière standard pulsée. Le décaleur de fréquences 10 ajoute alors un décalage de fréquences variable à l'impulsion lumineuse. L'impulsion lumineuse à la fréquence vo+ vs est injectée dans la fibre optique. La lumière réfléchie retournant à la même extrémité de fibre d'optique va être la somme de la lumière diffusée de Rayleigh et de Brillouin. Le signal en retour est alors mélangé avec le signal de lumière de référence locale et va alimenter un détecteur cohérent 9 puis un analyseur 11. Le composant marqué "G" dans les figures représente un amplificateur de fibre optique (pour obtenir du gain). En pratique, la gamme dynamique de mesure de contraintes est limitée, typiquement, à" environ 3% par suite du décalage de fréquences maximum qui peut être détecté par l'instrument c'est-à-dire limité entre 9,9 GHz et 11,9 GHz. La figure 5 illustre un tracé typique sur l'écran de l'analyseur 11. L'axe horizontal représente la longueur de la fibre en kilomètre. L'axe vertical représente la force du signal. Le troisième axe (perpendiculaire au plan de la page) est l'axe des fréquences. Quand la fibre subit une contrainte le long de son axe, le signal rétrodiffusé de Brillouin à ce point va se décaler en fréquence. De ce décalage de fréquence, on détermine la contrainte appliquée et donc les forces. L'illustration de la figure 1 correspond à une portion de quarante mètres de long d'une mesure de is contraintes de fibre. Les premiers vingt mètres de la fibre (mesurés depuis la gauche) ne subissent pas de contrainte. Les vingt autres derniers mètres de la fibre ont une contrainte induite. Notez le décalage de la signature Brillouin vers les plus basses fréquences. Les capteurs en fibre optique sont attractifs par suite de leurs petites dimensions, leurs poids légers, une immunité EMI et une isolation galvanique, une haute sensibilité et leur capacité à distribuer la mesure. D'autres techniques de fibre optique telle que l'utilisation d'un réseau de Bragg gravé dans la fibre peut également conduire à une fibre qui est sensible à la fois à la température et à la contrainte. Cependant, on préfère une technique qui laisse la fibre intacte telle que la technique de rétrodiffusion Brillouin décrite ci- dessus, parce que les techniques telles que les réseaux de Bragg se traduisent pour la fibre par une capacité réduite de contrainte maximale, par suite du gravage du réseau. Même si une fibre intacte a une contrainte maximale d'environ 6%. La capacité de contrainte plus grande de la fibre intacte est importante quand de grandes longueurs de fibre sont nécessaires dans les puits. Un autre avantage à appliquer la technique de Brillouin est qu'elle est moins sensible à la température, bien que la variation en température après que le coffrage a été installé, est relativement faible. Si la surveillance de la température est également nécessaire, on peut utiliser à la place la rétrodiffusion Raman telle qu'illustrée à la figure 3. Dans le passé, on a développé plusieurs prototypes de laboratoire de mesure de contrainte distribuée en utilisant la diffusion de Brillouin. Ces systèmes utilisent des signaux de comptage de la lumière propagée, en utilisant l'amplification Brillouin entre une impulsion lumineuse de pompage à haute intensité et une impulsion lumineuse d'échantillon CW. Cependant, un des désavantages de cette technique est la nécessité d'avoir une paire de source lumineuse hautement stable et stabilisée en fréquence à chaque extrémité de la fibre. Au contraire, le système illustré à la figure 3 n'implique qu'une seule extrémité de fibre optique et emploie la méthode de détection cohérente et de conversion de fréquences lumineuses pour détecter de façon précise le décalage de fréquences Brillouin en chaque point le long de la fibre. L'avantage de l'invention est d'obtenir ainsi une surveillance de la distribution de la contrainte du coffrage sans l'obligation d'une multitude de capteurs séparés et l'interface au système est réduit à une connexion avec une fibre optique unique. Du point de vue pratique, on sait que les fibres optiques sont de façon inhérente fragiles et il est d'usage de former un câble avec de la fibre en la protégeant dans une gaine. La conception de cette gaine est cruciale, parce qu'elle doit protéger la fibre d'un environnement rude dans les profondeurs du forage et dans le même temps transmettre la contrainte subie par le coffrage à la fibre. De la sorte, la gaine empêcher la fibre de devenir opaque en présence des fluides rencontrés dans le processus d'extraction et des fluide naturels tels que l'hydrogène gazeux. Typiquement, la fibre est logée dans un tube métallique et est pré- contrainte avant d'être reliée au tube au moyen d'un agent de liaison transmettant la contrainte. Cela permet à la fibre d'être sensible aux forces à la fois de tension et de compression qui résultent de la compaction dans le puit. L'installation d'un câble à fibre unique avec une interface unique est ainsi relativement simple, ce qui se traduit par une réduction de coût importante à l'installation. De plus, la fiabilité du système de mesure est grandement améliorée, grâce à la fibre qui est un dispositif unique passif et aux connexions d'interface qui sont réduites à l'unité. Un autre point de vue pratique, I'interfaçage avec l'analyseur est relativement simple. Il peut être contrôlé à distance typiquement via un GPIB, RS232 ou un port parallèle. L'interprétation hors ligne peut être réalisée par n'importe quel ordinateur ayant un logiciel d'émulation fourni avec l'analyseur. L'analyseur a une température de fonctionnement typiquement comprise entre +10 C et +40 C. Toutefois, si les conditions d'environnement naturel risquent d'excéder ces limites, I'analyseur va être localisé dans un endroit à environnement contrôlé. Il faut également noter que l'analyseur est normalement conçu pour des opérations en zone non dangereuse seulement. L'analyseur peut interroger des fibres multiples (puits), mais peut seulement interroger une fibre en même temps et la commutation entre les différentes fibres peut être de complexité variable. Les io fibres multiples peuvent être réunies vers un interrupteur optique pour une interrogation en un lieu unique. Si les puits sont trop éloignés, il peut être nécessaire de déplacer l'analyseur d'un puit à l'autre selon les besoins. REVENDICATIONS 1. Appareil pour mesurer la contrainte appliquée à une zone d'un puit d'hydrocarbures, comprenant une fibre optique en communication avec la zone, la fibre optique répondant à la contrainte appliquée à la zone et à un signal lumineux transmis à travers elle, de façon à produire un signal lumineux de mesure incorporant la lumière diffusée, la caractéristique de la lumière diffusée étant une indication de la contrainte appliquée à la zone. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel la caractéristique de la lumière diffusée est la diffusion Brillouin. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, comprenant aussi un laser destiné à générer le signal lumineux. 4. Appareil selon la revendication 3, dans lequel une partie de la lumière provenant du laser agit comme référence locale. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la lumière est transmise et mesurée à la même extrémité de la fibre optique. 6. Puit d'hydrocarbures comprenant un appareil pour mesurer la contrainte selon l'une des revendications précédentes. 7. Méthode de mesure de la contrainte dans un puit d'hydrocarbures, comprenant les étapes consistant à transmettre un signal lumineux dans une fibre optique, à détecter le signal lumineux diffusé dans la fibre et à en déduire une indication de la contrainte en dépendance avec une caractéristique de la lumière diffusée. 8. Méthode selon la revendication 7, dans laquelle l'indication de contrainte est dérivée de la diffusion Brillouin du signal lumineux