Brevet FR2892762A1 — publié le 20070504

DISPOSITIF POUR IMAGERIE MAGNETIQUE DE LA PARTIE DU SOUS-SOL BORDANT LA PAROI D'UN PUITS DE PETROLE La présente invention concerne les dispositifs pour imagerie magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi d'un puits de pétrole. L'un des objectifs des mesures diagraphiques à l'aide d'outils d'imagerie de paroi de puits, est par exemple la détermination, dans les roches d'un sous-sol, des accumulations et des réserves de pétrole et de gaz. Une meilleure précision de ces mesures est souhaitée pour mieux évaluer la proportion de fluide mobile dans la porosité de la formation, pour mieux caractériser aussi les alternances fines sable/argile, l'épaisseur de ces bancs minces n'excédant pas le centimètre, dans certains cas. Les développements actuels en terme d'outils d'imagerie de paroi visent des résolutions de l'ordre du millimètre. Les outils d'imagerie de la paroi des puits de pétrole mettent principalement en oeuvre des techniques électriques, électromagnétiques ou soniques. La résolution spatiale de ces outils atteint l'ordre du millimètre. Plusieurs de ces outils trouvent par contre leur limitation dans leur domaine de mise en oeuvre en fonction du fluide de forage et sont dédiés uniquement à l'imagerie. La technique la plus couramment utilisée pour la pendagemétrie est celle du micro-capteur électrique c'est-à-dire avec envoi de courants qui se referment sur une électrode dite lointaine . Ces capteurs sont extrêmement performants à l'image de ceux utilisés dans les dispositifs d'imagerie. En revanche, cette technique est inopérante lorsque la boue de forage n'est pas conductrice. C'est ainsi que, pour les forages réalisés en boue à l'huile , il a été conçu un pendagemètre électromagnétique qui présente quelques limitations en terme de profondeur d'investigation, de sensibilité trop faibles, et de résolution verticale qui n'autorise qu'une utilisation en mode structural et non en mode stratigraphique. Il ne délivre que la composante électrique du signal, c'est-à-dire la conductivité de la formation. La dimension des capteurs selon cette technique interdit une extrapolation vers l'imagerie. 2 En ce qui concerne les conditions de mesure, de nombreux outils d'imagerie ne fournissent pas de réponse satisfaisante dans les forages, notamment, en boue à l'huile. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de réaliser un dispositif pour imagerie magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi d'un puits de pétrole, qui pallie au moins en grande partie les inconvénients mentionnés ci-dessus des dispositifs d'imagerie de l'art antérieur rappelés ci-dessus. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour imagerie magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi d'un puits de pétrole ayant un axe longitudinal déterminé, comportant : • un outil apte à se déplacer dans ledit puits suivant ledit axe, • au moins un patin, • des moyens pour relier ledit patin au dit outil de façon que, lorsque ledit outil se déplace dans ledit puits, ledit patin se déplace sensiblement en regard et à proximité de la paroi du puits, • un capteur de champ magnétique comportant des entrées de commande et des sorties de signal de mesure, • des moyens pour monter ledit capteur en coopération avec ledit patin, et • un circuit électronique de commande et de traitement relié aux entrées et aux sorties du dit capteur, caractérisé par le fait que ledit capteur est constitué par : • un noyau magnétique sensiblement défini dans un plan, lesdits moyens pour monter ledit capteur en coopération avec ledit patin étant agencés de façon que, lorsque ledit outil se déplace dans ledit puits suivant son axe, ledit plan soit constamment parallèle au dit axe, • au moins un bobinage d'émission, ledit bobinage d'émission étant agencé de façon à créer un champ magnétique d'émission dans ledit noyau, et • au moins un bobinage de réception comportant deux enroulements. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels : La figure 1 représente, sous forme schématique, le schéma de principe du dispositif selon l'invention pour imagerie magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi d'un puits de pétrole, et La figure 2 représente le bloc diagramme d'un mode de réalisation préférentiel d'une partie du dispositif selon la figure 1. Il est tout d'abord précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à l'autre figure. Il est aussi précisé que les figures représentent essentiellement un seul mode de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention. Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustré comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, soit en combinaison totale et/ou partielle. Le dispositif selon l'invention illustré sur les figures annexées permet de réaliser une image magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi Pa d'un puits de pétrole Pp ayant un axe longitudinal déterminé 104. Au sens de la présente description, par puits de pétrole , on entend un puits en cours de forage ou terminé, en exploitation ou non, pour tous produits hydrocarbures liquides, solides et gazeux. Le dispositif d'imagerie magnétique schématiquement représenté sur la figure 1 comporte un outil 103 apte à se déplacer dans le puits de pétrole Pp suivant son axe 104, au moins un patin 101, 102, des moyens 105 pour relier le patin 101, 102 à l'outil 103 de façon que, lorsque cet outil se déplace dans le puits, le patin se déplace sensiblement en regard et à proximité de la paroi Pa du puits. Ces moyens 105 sont bien connus en eux-mêmes, généralement constitués de bras élastiques articulés sur l'outil 103 et sur le patin 101, 102. Le dispositif comporte aussi un capteur CI, C2 de champ magnétique (autant de capteurs que de patins) comportant des entrées de commande 115, 117 et des sorties de signal de mesure 121, 122 (figure 2), des moyens pour monter le capteur en coopération avec le patin, et un circuit électronique de commande et de traitement Cd relié aux entrées 115, 117 et aux sorties 121, 122 du capteur CI, C2. Le patin est généralement constitué d'une enveloppe en un matériau amagnétique et, dans ce cas, les moyens pour monter le capteur en coopération avec le patin sont constitués par des moyens pour enfermer le capteur dans l'enveloppe, les connexions avec le capteur traversant la paroi de l'enveloppe par des passages étanches. Selon une caractéristique importante de l'invention, chaque capteur C,, C2 est constitué par, figure 2, un noyau magnétique 10 sensiblement défini dans un plan Pn, les moyens 105 pour monter ce capteur en coopération avec le patin 101, 102 étant agencés de façon en outre que, lorsque l'outil 103 se déplace dans le puits Pp suivant son axe 104, le plan Pä soit constamment parallèle à cet axe, au moins un bobinage d'émission 13 agencé de façon à créer un champ magnétique d'excitation dans le noyau 10 et un bobinage de réception 20 comportant deux enroulements 21, 22. De façon avantageuse, le noyau 10 affecte sensiblement la forme d'un rectangle ou d'un U, avec au moins deux banches principales 11, 12 sensiblement parallèles. De fait, le noyau 10 est avantageusement formé de plaques magnétiques, par exemple de type ferromagnétique, empilées les unes sur les autres pour former un cadre sensiblement plat ayant une longueur importante qui définit les deux branches principales 11, 12 mentionnées ci-dessus, une largeur beaucoup plus petite que la longueur, et une épaisseur, prise selon une perpendiculaire aux longueurs et largeurs, extrêmement faible par rapport à ces dernières. Les longueurs et largeurs définissent le plan Pn mentionné ci- dessus Le capteur CI, C2, ... comporte deux bobinages 13, 20 qui sont enroulés sur le noyau 10. Le premier bobinage dit "d'émission" 13 comporte quatre enroulements d'émission montés en série et définissant deux couples d'enroulements, un premier couple 15, 17 situé autour de la première branche principale 11 et un second couple 16, 18 situé autour de la seconde branche principale 12. Les enroulements d'émission 15-18 sont reliés entre eux de telle façon que le champ magnétique d'excitation circule en sens inverse dans les deux branches principales 11 et 12, les enroulements 15, 17 du premier couple étant bobinés dans un même sens autour de la première branche principale 11, et les enroulements 16, 18 du second couple étant bobinés en sens contraire du précédent autour de la seconde branche principale 12. Un second bobinage 20 dit "récepteur" est composé de deux enroulements 21, 22 respectivement situés autour des deux branches principales 11, 12, de façon à se trouver chacun encadré par les deux enroulements 15,17 et 16,18 d'un couple d'enroulements du bobinage d'émission 13. Quant au circuit électronique Cpt de commande et de traitement relié aux entrées et aux sorties du capteur CI, C2, il comporte une source d'alimentation 40 dont les sorties sont respectivement reliées aux entrées 115, 117 du capteur constituées par les bornes libres d'extrémité des enroulements d'émission montés en sériel 5-18. La source d'alimentation 40 est apte à délivrer, au premier bobinage 13 dit d'émission , un courant d'excitation à une fréquence déterminée et peut inclure de façon connue : un oscillateur, un diviseur de fréquence par deux, un convertisseur d'onde carrée et un convertisseur tension-courant. Le circuit électronique Cpt de commande et de traitement comporte en outre un circuit de mesure 30 dont un mode de réalisation préférentiel est illustré sur la figure 2. Les bornes d'entrées 301 et 302 du circuit de mesure 30 sont reliées 5 aux bornes libres d'extrémité 121, 122 des enroulements 21, 22 du bobinage de réception 20 dont le point milieu 123 est relié à la masse T. Ce circuit de mesure 30 comporte des moyens de pré-amplification Pa aptes à recevoir la tension délivrée aux bornes 121, 122 du bobinage récepteur 20, des moyens de détection synchrone alimentés par un signal d'oscillateur 10 non divisé par deux, un filtre passe-bas, un correcteur proportionnel-intégraldifférentiel, un amplificateur, un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure de l'ordre par exemple d'un Hertz, et des moyens d'affichage. Les éléments mentionnés ci-dessus sont bien connus en eux-mêmes et ne seront pas plus amplement décrits ici, dans l'unique souci de simplifier la 15 présente description. Le flux magnétique généré par le champ magnétique d'excitation circulant dans le noyau 10 produit des tensions induites U1 et U2 aux bornes 121, 122 des enroulements 21, 22 du bobinage de réception 20, et le champ magnétique rémanent à mesurer, par exemple provenant de la partie du sous- 20 sol bordant la paroi du puits de pétrole Pp, produit des tensions induites El et E2 aux mêmes bornes des enroulements 21, 22. La tension U2 est opposée aux autres tensions, de sorte que la tension induite totale aux bornes du bobinage de réception 20 est égale à U1 - U2 + El + E2. Comme, de façon connue, bien que les enroulements d'émission 15-18 25 soient présumés identiques, de même que les enroulements de réception 21 et 22, ils présentent généralement des différences de structure (matériau les constituant non homogène, légères différences dans les dimensions et les formes, ...). En conséquence, les tensions U1 et U2, ainsi que les tensions El et E2 sont généralement différentes. 30 Pour pallier cet inconvénient, le circuit de mesure 30 comporte deux circuits en boucle 31, 32 reliant respectivement les bornes positives des soustracteurs préamplificateurs 33, 34 constituant les moyens essentiels pour la pré-amplification Pa mentionnée ci-dessus, à la masse T en passant respectivement par les enroulements 21, 22 du bobinage de réception 20. Les bornes de sortie 133, 134 des soustracteurs préamplificateurs 33, 34 sont reliées aux entrées correspondantes 135, 235 d'un sommateur 35 dont la sortie 335 est reliée à une première entrée 137 d'un détecteur synchrone 37, et à un organe de traitement 36 qui est apte à délivrer, à sa sortie 236, un signal de mesure fonction du champ magnétique à mesurer en un point de la partie du sous-sol bordant la paroi Pa du puits Pp. La borne négative du soustracteur 34 est reliée à la masse T par une résistance fixe 39, tandis que la borne négative du soustracteur 33 est reliée à la masse T par une résistance variable 38 dont l'entrée d'asservissement 138 est reliée à la sortie 337 du détecteur synchrone 37. La source d'alimentation 40 délivre en outre, sur une seconde entrée 237 du détecteur synchrone 37 et via un déphaseur 50 si cela est nécessaire, un signal de référence à la fréquence d'excitation. Si les résistances 38, 39 ont des valeurs égales, les tensions aux bornes de sortie 133, 134 des soustracteurs 33, 34 sont égales, à un coefficient proportionnel M près, à respectivement El + U1 et E2 - U2, et la tension à la sortie du sommateur 35 est égale à M (El + U1 + E2 - U2). Cependant, le détecteur synchrone 37 discrimine la composante à la fréquence d'excitation et ajuste la valeur de la résistance variable 38 pour modifier le coefficient proportionnel, et donc la valeur du signal à la sortie du soustracteur 33, en lui donnant une valeur M' telle que M'. U1 = M.U2. Ainsi, la tension appliquée à l'organe de traitement 36 devient égale à M'.E1 + M.E2 et peut être employée utilement pour la mesure du champ magnétique puisque les tensions induites par le champ magnétique d'excitation s'annulent. Aucun autre traitement n'est nécessaire. Cette correction reconstitue efficacement la symétrie des enroulements de réception 21, 22 et permet une mesure directe du champ magnétique qui règne dans la partie du sous-sol bordant la paroi du puits de pétrole. Pour avoir une image complète de toute la partie utile du puits, il suffit de déplacer l'outil 103 comme décrit ci-avant, qui entraîne le patin, en soulignant que le dispositif selon l'invention comportera avantageusement une pluralité de patins répartis autour de l'outil. La mise en oeuvre de la technique d'imagerie magnétique avec le dispositif décrit ci-dessus présente les avantages suivants :II utilise une technique de mesure passive , c'est-à-dire sans excitation de la formation rocheuse en bordure de la paroi du puits, ce qui, dans le cas où la sensibilité est suffisante (de l'ordre de quelques dixièmes de nano Tesla), est plus simple qu'une mesure active , par exemple électromagnétique, car la réponse des capteurs de champ magnétique n'est pas fonction d'un paramètre physique intrinsèque de la formation rocheuse. Il permet aussi l'enregistrement d'un paramètre complet (induction magnétique totale, composantes suivant deux directions données, ou même trois directions données) qui contient à la fois les informations liées à la rémanence magnétique et la susceptibilité magnétique. Selon un second mode de réalisation possible, le dispositif selon l'invention comporte, en sus des moyens définis ci-dessus, une bobine d'émission et une bobine de compensation dont les enroulements sont réalisés suivant l'axe longitudinal 104 du puits Pp, le circuit électronique de commande et de traitement étant alors relié aux entrées et aux sorties de ces deux bobines respectivement d'émission et de compensation. Il est en outre mentionné que la composante du champ magnétique à mesurer liée à la susceptibilité magnétique de la partie du sous-sol bordant la paroi d'un puits de pétrole est alors majorée du fait de l'excitation de la partie du sous-sol par le système d'émission du dispositif. Les deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention décrits ci-dessus peuvent être avantageusement utilisés en alternance, la fréquence de cette alternance étant fonction des cadences de mesure dans chacun des deux modes de réalisation et de la vitesse de déplacement du dispositif dans le puits. Le traitement du calcul des champs magnétiques qui sont mesurés alternativement avec le premier mode de réalisation du dispositif et avec le second mode de réalisation du dispositif, permet de façon avantageuse de déterminer la fraction d'aimantation liée à la susceptibilité magnétique de la 9 formation, notamment dans le but de déterminer la datation des couches du sous-sol et de faire une interprétation en termes de magnéto-stratigraphie des couches entourant la paroi du puits. Par rapport aux contraintes spécifiques correspondant aux applications en puits de pétrole, le principal avantage du dispositif selon l'invention, outre son très faible encombrement, tient à sa faible dérive en température : 100 ppm/ K sans compensation, soit une amélioration d'au moins un ordre de grandeur par rapport aux meilleurs autres dispositifs de l'art antérieur. Cet avantage est primordial compte tenu des relativement faibles niveaux de signal attendus. Le dispositif est destiné à une utilisation dans tous les types de puits comme définis auparavant. Dans le mode d'utilisation du dispositif décrit en premier, il existe un autre avantage lié au mode de mesure passive , qui ne présente pas de limitation en terme de profondeur d'investigation, du fait que la mesure n'est pas liée au degré de pénétration d'une onde d'excitation dans la formation. Avec le second mode de réalisation, une configuration adaptée du dispositif d'émission d'onde électromagnétique dans la formation permet de modifier l'aimantation de la formation dans un volume suffisamment étendu autour du forage (profondeur d'investigation) pour que la réponse des capteurs magnétiques soit modifiée de manière significative par rapport à la réponse obtenue avec le premier mode de réalisation du dispositif. La mesure magnétique peut en outre dissocier, par des méthodes de traitement adaptées et connues, des sources proches et des sources lointaines , d'où des informations potentielles sur, par exemple, le diamètre du forage, l'épaisseur du paramètre connu des hommes du métier sous l'expression en langue anglaise mud-cake traduite en français par zone envahie . REVENDICATIONS 1. Dispositif pour imagerie magnétique de la partie du sous-sol bordant 5 la paroi (Pa) d'un puits de pétrole (Pp) ayant un axe longitudinal déterminé (104), comportant : • un outil (103) apte à se déplacer dans ledit puits suivant ledit axe (104), • au moins un patin (101, 102, ...), 10 • des moyens (105) pour relier ledit patin (101, 102) au dit outil (103) de façon que, lorsque ledit outil se déplace dans ledit puits, ledit patin se déplace sensiblement en regard et à proximité de la paroi (Pa) du puits, • un capteur de champ magnétique (Cl, C2) comportant des entrées de commande (115, 117) et des sorties de signal de mesure (121, 122), 15 • des moyens pour monter ledit capteur en coopération avec ledit patin, et • un circuit électronique (Ce) de commande et de traitement relié aux entrées (115, 117) et aux sorties (121, 122) du dit capteur (Cl, C2), caractérisé par le fait que ledit capteur est constitué par : 20 • un noyau magnétique (10) sensiblement défini dans un plan (Pn), lesdits moyens (105) pour monter ledit capteur en coopération avec ledit patin (101, 102) étant agencés de façon que, lorsque ledit outil (103) se déplace dans ledit puits (Pp) suivant son axe (104), ledit plan (Pn) soit constamment parallèle au dit axe, 25 • au moins un bobinage d'émission (13), ledit bobinage d'émission étant agencé de façon à créer un champ magnétique d'émission dans ledit noyau (10), et • un bobinage de réception (20) comportant deux enroulements. 30 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit noyau magnétique (10) affecte sensiblement l'une des formes suivantes : en rectangle, en U, avec au moins deux première et seconde banches principales (11, 12) sensiblement parallèles contenues dans ledit plan (Pn). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit bobinage d'émission (13) comporte quatre enroulements d'émission (15-18) montés en série et définissant deux couples d'enroulements, un premier couple (15, 17) situé autour de la première branche principale (11) et un second couple (16, 18) situé autour de la seconde branche principale (12), les enroulements d'émission (15-18) étant reliés entre eux de telle façon qu'un champ magnétique d'excitation circule en sens inverse dans les deux branches principales (11, 12), les enroulements (15, 17) du premier couple étant bobinés dans un même sens autour de la première branche principale (11), et les enroulements (16, 18) du second couple étant bobinés en sens contraire du précédent autour de la seconde branche principale (12). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le circuit électronique (Ce) de commande et de traitement relié respectivement aux entrées et aux sorties du dit capteur comporte une source d'alimentation (40) et un circuit de mesure (30). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la source d'alimentation (40) est apte à délivrer, au premier bobinage d'émission (13), un courant d'excitation à une fréquence déterminée et comporte un oscillateur, un diviseur de fréquence par deux, un convertisseur d'onde carrée et un convertisseur tension-courant. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le circuit de mesure (30) comporte deux circuits en boucle (31, 32) reliant respectivement les bornes positives de deux premier et second soustracteurs préamplificateurs (33, 34), à la masse (T) en passant respectivement par les enroulements (21, 22) du bobinage de réception (20), les bornes de sortie (133, 134) des soustracteurs préamplificateurs (33, 34) étant reliées aux entrées correspondantes (135, 235) d'un sommateur (35) dont la sortie (335) est reliée à une première entrée (137) d'un détecteur synchrone (37) et à un organe de traitement (36) qui est apte à délivrer, à sa sortie (236), un signal de mesure fonction du champ magnétique à mesurer en un point de la partie du sous-sol bordant la paroi (Pa) du puits (Pp), la borne négative du second soustracteur (34) étant reliée à la masse (T) par une résistance fixe (39) tandis que la borne négative du premier soustracteur (33) est reliée à la masse (T) par une résistance variable (38) dont l'entrée d'asservissement (138) est reliée à la sortie (337) du détecteur synchrone (37). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une bobine d'émission et une bobine de compensation dont les enroulements sont définis suivant l'axe longitudinal déterminé (104), ledit circuit électronique de commande et de traitement étant relié aux entrées et aux sorties respectivement des deux dites bobines d'émission et de compensation.