Brevet FR2914007A1 — publié le 20080926

B8188 1 SONDE D'ANALYSE D'UN ASSEMBLAGE DE TIGES OU TUBES Domaine de l'invention La présente invention concerne les dispositifs et pro-cédés d'analyse de l'état de tiges creuses (on parlera ci-après simplement de "tiges") de forage et de tubes ou tubages d'exploi- tation utilisés notamment dans le domaine de la recherche et de l'exploitation pétrolière. Tandis qu'on insère dans le sol un train de tiges, ou bien une fois que ce train de tiges de forage ou un tubage d'exploitation est mis en place, on cherche à effectuer diverses mesures sur ce train de tiges ou ce tubage. Par exemple, on cherche à savoir si une tige est coincée par un éboulement en profondeur, cet éboulement pouvant être à plusieurs milliers de mètres du point de départ du forage. On peut aussi chercher à détecter la position des joints du train de tiges ou du tubage. En effet, un train de tiges de forage ou un tubage d'exploi- tation est constitué d'un assemblage de tiges ou de tubes, ayant par exemple des longueurs de l'ordre de la dizaine de mètres qui sont vissés les uns aux autres et le comptage des joints consti- tue un repérage de position. On peut aussi chercher à repérer les emplacements de perforations ou de zones d'affaiblissement, notamment par corrosion, des tubages. On peut également chercher à connaître l'état de contrainte en un point d'un train de tiges B8188 2 tandis qu'il est soulevé à partir du point d'origine, par exemple pour créer un point neutre à une profondeur donnée. Exposé de l'art antérieur Actuellement, pour effectuer ces diverses mesures, on utilise notamment des sondes analysant des effets magnétiques induits dans les tiges. Ces sondes comprennent des moyens de mesure du champ magnétique, éventuellement associés à des moyens de création de champ magnétique. Les moyens de mesure du champ magnétique sont géné- ralement des moyens de mesure du flux magnétique qui ne fonctionnent que si la sonde est en déplacement, l'amplitude des signaux recueillis dépendant étroitement de la vitesse de déplacement. Les moyens de création d'un champ magnétique dans une tige ou un tube (qui est généralement en un matériau ferromagnétique ou autre matériau susceptible d'acquérir une aimantation rémanente sous l'effet d'un champ) sont généralement des moyens de génération d'un champ alternatif ou en impulsions. On a notamment proposé d'utiliser comme moyen de création de champ des bobines ou des aimants tournants. Ces moyens sont utilisés ou bien pour obtenir une aimantation rémanente périodique dans la tige ou le tube, ou bien plus généralement pour créer des zones locales d'aimantation en appliquant périodiquement des impulsions à une bobine tandis qu'elle se déplace dans le train de tiges ou le tubage. Tous les moyens utilisés actuellement sont relative-ment complexes et coûteux, notamment du fait que, quand on veut exciter une bobine à une grande profondeur à l'intérieur d'un train de tiges, il faut alimenter cette bobine par un courant relativement important par des conducteurs de grande longueur, et que de plus le fond d'un puits peut être à une température élevée, pouvant aller jusqu'à des valeurs supérieures à 175 C, ce qui limite considérablement l'énergie qui peut être dissipée dans la bobine. B8188 3 Une autre difficulté est que la sonde d'analyse envoyée dans un train de tiges est généralement associée à d'autres éléments, comprenant notamment des explosifs destinés à aider au dévissage d'un joint de tiges à un endroit choisi, ou à perforer un tubage pour la mise en production ultérieure d'un puits. Les détonateurs associés à ces explosifs sont susceptibles d'être affectés par des parasites résultants de l'application d'impulsions de courant intenses dans leur voisinage immédiat. Il faut alors prévoir des blindages efficaces, ce qui augmente le coût du dispositif et complique sa réalisation. Résumé de l'invention Ainsi, un objet de la présente invention est de pré-voir une sonde particulièrement simple d'analyse d'un assemblage de tiges de forage ou de tubes ou tubages d'exploitation. Un autre objet de la présente invention est de prévoir plusieurs applications possibles, éventuellement concomitantes, de cette sonde, notamment pour : - détecter l'emplacement d'un point de coincement de tiges, - détecter les positions de joints de tiges ou tubes, - détecter les positions de perforations et/ou de zones d'affaiblissement, par exemple par corrosion, d'un tube, - détecter un point neutre en ce qui concerne la contrainte appliquée à un train de tiges. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu une sonde d'analyse d'un assemblage de tiges ou tubes comprenant un boîtier allongé portant à une première extrémité au moins un premier magnétomètre et à une position suffisamment éloignée du magnétomètre un aimant permanent dont l'axe nord-sud est perpendiculaire à l'axe des tiges. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la sonde comprend au moins un second magnétomètre disposé de l'autre côté de l'aimant permanent par rapport au premier magnétomètre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 l'aimant est constitué d'un assemblage d'aimants. B8188 4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le magnétomètre est un magnétomètre à magnétorésistances. Selon un mode de réalisation de la présente invention, quatre magnétomètres sont répartis à la périphérie du boîtier. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ou les magnétomètres sont sélectionnés et agencés pour être sensibles à un champ dans un plan transverse et insensibles aux composantes axiales du champ. Un mode de réalisation de la présente invention réside en un procédé d'analyse d'une zone de coincement utilisant la sonde susmentionnée, selon lequel, on descend la sonde, et on la remonte après avoir appliqué une contrainte, maintenue ou relâchée, au train de tiges qui est en un matériau magnétostrictif. Un mode de réalisation de la présente invention réside en un procédé d'analyse d'une zone de coincement utilisant la sonde susmentionnée, comprenant l'étape de lecture des variations d'intensité d'aimantation pour détecter une variation relative d'épaisseur ou de volume de matériau résultant par exemple de joints de tiges ou de tubages, de perforations de tubage, de centreurs ou autres accessoires, d'anomalies et de détérioration de tubage, notamment par l'effet de la corrosion. Un mode de réalisation de la présente invention réside en un procédé d'analyse d'une zone de coincement utilisant la sonde susmentionnée pour la détermination d'une zone de traction neutre, consistant à aimanter une zone choisie d'un train de tiges, et à relever le train de tiges tandis que l'on détecte les variations d'aimantation dans ladite zone. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente de façon schématique une tige ou un tube dans lequel est disposée une sonde selon un mode de réalisation de la présente invention ; B8188 la figure 2 est une vue selon le plan de coupe A-A de la figure 1 ; la figure 3 est une vue selon le plan de coupe B-B de la figure 1 ; 5 la figure 4 représente de façon schématique une variante de réalisation d'une sonde selon la présente invention ; et la figure 5 représente des relevés effectués avec une sonde selon un mode de réalisation de la présente invention. 10 Description détaillée Comme l'illustre la figure 1, un boîtier de sonde 1 est dimensionné pour pouvoir être déplacé à l'intérieur d'un train de tiges ou tubes 3 en étant lié à un câble 5 de traction et de transmission de signaux électriques. 15 Comme on l'a expliqué précédemment, le boîtier de sonde 1 comprend habituellement divers éléments autres que les éléments d'analyse qui seront décrits ci-après, par exemple des moyens spécifiques d'entraînement, d'écartement des parois des tiges ou tubes, de déclenchement d'explosion, de traitement et 20 de transmission de signaux, etc. Le boîtier de sonde d'analyse magnétique 1 porte un aimant 6 dont l'axe nord-sud est orthogonal à l'axe des tiges 3. Ce boîtier porte également un ou plusieurs dispositifs de mesure d'un champ magnétique 7, par exemple des magnétomètres. On 25 soulignera qu'il s'agit bien de magnétomètres, c'est-à-dire d'éléments susceptibles de mesurer le champ créé par une aimantation rémanente, indépendamment de tout mouvement de la sonde, par exemple des capteurs à effet Hall ou des capteurs à magnétorésistance. Ceci doit se distinguer des moyens usuels de 30 mesure de flux, comprenant une bobine, qui ne peuvent détecter que des variations d'aimantation et qui ne fonctionnent donc que quand ils sont en déplacement par rapport à un champ non constant. Il faut bien sûr prévoir une configuration telle que l'influence directe de l'aimant sur les magnétomètres soit 35 négligeable. A titre d'exemple, la distance axiale entre l'aimant B8188 6 et chaque ensemble de magnétomètres pourra être de l'ordre de 30 cm à 2 mètres, de préférence de 50 cm à 1 mètre, et encore de préférence de l'ordre de 50 cm. La figure 2 est une vue en coupe selon le plan A-A de 5 la figure 1 et la figure 3 est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 3. Comme le représente la figure 3, l'axe nord-sud de l'aimant est dans un plan perpendiculaire à l'axe des tiges, c'est-à-dire que, comme cela est représenté, cet aimant tendra à 10 créer deux zones aimantées en forme de demi-couronnes dans la tige, et les vecteurs M d'aimantation dans la tige seront, pour l'essentiel, situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de la tige. Chacun des magnétomètres pourra mesurer de 1 à 3 15 composantes du champ. On utilisera de préférence une ou deux des composantes des magnétomètres sensibles à un champ situées dans un plan perpendiculaire à l'axe de la sonde. Les magnétomètres étant sensibles à un champ dans un plan transverse et insensibles aux composantes axiales du champ, l'influence des 20 aimantations parasites dues à des sources externes (champ terrestre par exemple), essentiellement orientées axialement, est rendue négligeable. Si on utilise, par exemple, quatre magnétomètres 7a, 7b,7c et 7d, avec l'orientation relative particulière entre 25 aimant et magnétomètres représentée en figure 2, la composante tangentielle du champ détecté sera maximum sur les deux magnétomètres 7a et 7c uniquement et minimum sur les deux autres perpendiculaires. S'il se produit une rotation de la sonde de 90 , la 30 situation sera inversée avec le maximum du signal sur 7b et 7d. Pour des positions intermédiaires, on peut estimer que la somme des signaux donnera aussi un signal du même ordre de grandeur. On peut appliquer un raisonnement identique pour les composantes radiales (à une rotation de 90 près). Ces composantes peuvent 35 être utilisées séparément ou en combinaison. De ce fait, et s'il B8188 7 y a au moins quatre magnétomètres disposés à 90 sur la périphérie, la position angulaire relative entre la sonde et le tube a peu d'importance. La sonde selon la présente invention peut être uti- lisée de diverses façons selon ce que l'on souhaite mesurer. Pour détecter l'emplacement d'un coincement de tige, on commencera par exemple par faire descendre la sonde pour aimanter en continu les parois de toutes les tiges et, avant de faire remonter la sonde, on appliquera une contrainte (torsion, traction, compression, ou combinaison de ces contraintes) au train de tiges. Cette contrainte pourra être maintenue ou relâchée avant de remonter la sonde. Si les tiges sont en un matériau magnétostrictif, les parties ayant été soumises à la contrainte verront leur aimantation diminuer notablement alors que les parties situées sous le blocage ne seront pas affectées. Ainsi, à la remontée, la zone dans laquelle l'aimantation aura varié (sera passée d'une valeur positive ou négative à une valeur sensiblement nulle), correspondra à la zone située au-dessus du point de coincement. On notera que ce système fonctionnant en continu est particulièrement sensible et permettra notamment de détecter un coincement progressif. La sonde peut être utilisée pour un comptage de joints. Aussi bien à la descente qu'à la remontée, les magnétomètres 7 détecteront une variation d'aimantation lors du passage devant chacun des joints de tiges ou tubes 9, présents à peu près tous les 10 mètres dans des trains de tiges de forage ou les tubages classiques. En effet, l'aimantation rémanente est différente au niveau des joints puisqu'elle est fonction du volume de matériau et du rapport épaisseur/diamètre. Pour mieux compter les joints à la remontée, on pourra par exemple utiliser une variante de sonde telle que celle représentée en figure 4 comprenant un aimant central 6 et deux ensembles de magnétomètres 7.1 et 7.2 disposés sensiblement symétriquement par rapport à l'aimant central 6. B8188 8 L'invention fournit ainsi un moyen particulièrement simple de comptage des joints, qui permet de déterminer le positionnement de la sonde dans le train de tiges ou le tubage avec plus de précision qu'en se basant seulement sur l'état d'enroulement du câble de maintien de la sonde. On peut également détecter des variations d'épaisseur des tiges liées par exemple à des déformations, de la corrosion ou des perforations. Une autre application de la présente invention réside dans l'aide au dévissage d'un train de tiges de forage. En effet, par exemple après un coincement de tiges, la manoeuvre habituelle est de visser à fond les tiges, puis de soulever le train de tiges de façon à arriver à des forces de traction et de pesanteur sensiblement équilibrées au niveau du joint que l'on veut dévisser qui se dévissera alors préférentiellement par rapport aux autres joints sous contrainte. La sonde selon l'invention permet d'aider à la détermination de la bonne traction sur les tiges. En effet, une fois que l'on a déterminé le joint de tiges immédiatement supérieur à la zone de coince-ment, on déplace la sonde autour de ce point de coincement pour aimanter la tige, puis on dispose l'un des ensembles de magnétomètres juste au-dessus du joint que l'on souhaite dévisser. Ensuite, on tire progressivement sur les tiges à partir de la surface et c'est au moment où l'aimantation mesurée au niveau des magnétomètres atteint une valeur déterminée par un étalon- nage préalable que l'on sait que l'on a convenablement équilibré les forces. On notera que si on a tiré trop fort, on peut procéder à nouveau à une aimantation des tiges dans la zone considérée et à une nouvelle mesure de décroissance de la valeur d'aimantation, liée au phénomène magnétostrictif. La figure 5 représente des exemples de courbes d'aimantation M en fonction de la profondeur d. La courbe 20 représente l'aimantation observée en l'absence de toute polarisation, par exemple l'aimantation observée à la descente par la sonde 7.2, placée le plus bas, du mode de réalisation de la figure 4. On observe un bruit de fond B8188 9 assez faible correspondant à l'aimantation rémanente acquise dans le champ magnétique terrestre. La courbe 22 représente l'aimantation résultant du passage de l'aimant 6, par exemple l'aimantation observée à la descente par la sonde 7.1 qui suit l'aimant 6. C'est également ce que relèverait la sonde 7.1 ou la sonde 7.2 à la remontée. On notera qu'au niveau d'un joint de tiges 9, on observe une variation d'aimantation. On notera également qu'avec les aimants courants actuels, le signal se détache très nettement du bruit de fond lié au champ magnétique terrestre, en pratique dans un rapport pouvant aller jusqu'à 50. La courbe 24 représente le signal observé à la remontée de la sonde quand il y a coincement en un point 26 et que l'on a appliqué une contrainte sur les tiges à partir de la surface, d'où il résulte que, par suite de la magnétostriction, l'aimantation est sensiblement effacée là où la contrainte a été appliquée, ce qui permet de positionner un point 26 au niveau duquel le coincement de tige a eu lieu. C'est à la suite de cela que l'on pourra effectuer les opérations de démontage notées précédemment. La présente invention présente de nombreux avantages qui apparaîtront à l'homme de l'art. Notamment, du fait que le champ créé par l'aimant 6 est situé dans un plan transverse à l'axe des tiges, l'aimantation induite est beaucoup plus concentrée que si l'aimant était parallèle à l'axe des tiges auquel cas les lignes de champ se repartiraient sur une plus grande zone. Ceci aide à avoir un signal mieux focalisé et plus intense. On notera aussi que la présente invention constitue un moyen particulièrement simple de localiser des joints et donc de faire des mesures de profondeur dans un puits de forage ou d'exploitation. Ceci est rendu possible du fait qu'on utilise un signal continu indépendant de la vitesse de déplacement et non pas un signal alternatif ou en impulsions. Un avantage de la présente invention est qu'elle permet, au cours d'un même passage, des mesures de localisation B8188 10 de joints et de détermination d'un point de blocage même en présence de rotations dues à un vrillage de câble. Les aimants seront par exemple des aimants au samarium-cobalt ou au néodyme-fer-bore capables de créer une induction magnétique de l'ordre du tesla. On pourra également utiliser plusieurs aimants si on le souhaite. On notera en outre que, vu l'intensité des champs fournis par les aimants modernes, on pourra utiliser une même sonde pour aller dans des tiges de diamètres assez différents, par exemple des tiges de forage d'un diamètre de 8,75 à 12,5 cm (3,5 à 5 pouces), des tubages d'exploitation dans lesquels on arrive par un tube de remontée d'hydrocarbure, le tubage ayant par exemple un diamètre de 17,5 cm (7 pouces) alors que le tube de remontée d'hydrocarbure a seulement un diamètre de 5 à 6,1 cm (2 pouces à 2 pouces 3/8ù) . Il faut alors que le système soit particulièrement sensible. En effet, si on utilise toujours un aimant adapté à un tube de 6 cm, on a vu que le rapport entre l'aimantation créé par cet aimant et les aimantations parasites étaient supérieures à 50. Si on passe d'un tube de 6 cm à un tube de 17.5 cm, le champ peut être divisé par 25 environ, mais il reste quand même très grand devant le champ terrestre ce qui conserve une sensibilité suffisante au système. Ces avantages particuliers de la présente invention résultent de l'association simple d'un aimant permanent fixe de forte puissance avec un détecteur du type magnétomètre. L'utilisation avec un aimant fixe de capteurs de mesure à variation de flux et non de capteurs d'aimantation ne fournirait pas les mêmes résultats puisqu'on ne pourrait alors effectuer les mesures que pendant un déplacement de la sonde. Egalement l'orientation spécifique de l'aimant de magnétisation - perpendiculaire à l'axe de la tige - procure une nette augmentation de sensibilité. Des essais ont montré que le gain obtenu était supérieur à 20, par rapport à la disposition de l'aimant selon l'axe longitudinal des tiges ou du tubage. REVENDICATIONS 1. Sonde d'analyse d'un assemblage de tiges ou tubes comprenant un boîtier allongé (1) portant à une première extrémité au moins un premier magnétomètre (7) et à une position suffisamment éloignée du magnétomètre un aimant permanent (6) dont l'axe nord-sud est perpendiculaire à l'axe des tiges. 2. Sonde selon la revendication 1, comprenant au moins un second magnétomètre (7.2) disposé de l'autre côté de l'aimant permanent (6) par rapport au premier magnétomètre (7.1). 3. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle ledit aimant est constitué d'un assemblage d'aimants. 4. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle ledit magnétomètre est un magnétomètre à magnétorésistances. 5. Sonde selon la revendication 1, comprenant quatre magnétomètres répartis à la périphérie du boîtier. 6. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle ledit ou lesdits magnétomètres sont sélectionnés et agencés pour être sensibles à un champ dans un plan transverse et insensibles aux composantes axiales du champ. 7. Procédé d'analyse d'une zone de coincement utilisant une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, selon lequel, on descend la sonde, et on la remonte après avoir appliqué une contrainte, maintenue ou relâchée, au train de tiges qui est en un matériau magnétostrictif. 8. Procédé d'analyse utilisant une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant l'étape de lecture des variations d'intensité d'aimantation pour détecter une variation relative d'épaisseur ou de volume de matériau résultant par exemple de joints de tiges ou de tubages, de perforations de tubage, de centreurs ou autres accessoires, d'anomalies et de détérioration de tubage, notamment par l'effet de la corrosion. 9. Procédé d'analyse utilisant une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour la détermination d'une zone de traction neutre, consistant à aimanter une zone choisieB8188 12 d'un train de tiges, et à relever le train de tiges tandis que l'on détecte les variations d'aimantation dans ladite zone.