Brevet FR2923615A1 — publié le 20090515

La présente invention concerne le domaine des systèmes d'émission d'ondes sismiques permanent et plus particulièrement un dispositif d'émission d'ondes sismiques permanent à base de matériaux magnétostrictifs. Un tel système d'émission trouve des applications notamment pour réaliser des opérations de prospection ou de surveillance sismique du sous-sol. La prospection sismique consiste d'une manière générale, à émettre dans le sous-sol, à l'aide d'une ou plusieurs sources sismiques, des ondes sismiques, et à enregistrer les ondes renvoyées par les discontinuités de la formation au moyen de récepteurs sismiques (géophones, hydrophones), dans le but de former des sismogrammes, puis à traiter ces données pour en extraire des informations utiles quant à la géologie du sous-sol. Le dispositif peut être utilisé par exemple pour générer des ondes sismiques à l'intérieur de puits tubés. Il est déjà connu plusieurs types de sources sismiques adaptées à émettre dans des puits. Ces sources sont de différents types et elles mettent en jeu : soit une explosion : charge ponctuelle ou allongée, cordeau détonant enroulé hélicoïdalement sur un mandrin rigide, etc. ; soit une étincelle électrique (claquage entre électrodes dans l'eau, explosion de fil sous l'effet d'une décharge électrique, etc.) ; - soit un choc mécanique vertical d'une masse chutant ou projetée vers une 20 enclume solidaire d'un bloc d'obturation ou � packer � qui produit sur la paroi du puits un cisaillement vertical principalement générateur d'onde S ; soit un choc horizontal suivant une direction radiale, d'une masse propulsée radialement par des moyens hydrauliques ou électromagnétiques et qui frappe la paroi du puits en un point. 25 Pour créer des ondes sismiques dans les puits, on utilise aussi des sources vibratoires contrôlées de type piézoélectrique couplées (ou non) à la paroi du puits qui émettent des mono-fréquences ou des signaux codés ou modulés en fréquence par une rampe. Ces sources sismiques permanentes enterrées offrent ainsi plusieurs 30 avantages : - stabilité des conditions de couplage de la source due au fait que la source est cimentée de façon permanente dans un puits dédié. insensibilité aux variations climatiques de la zone altérée lorsque la source est installée sous cette zone altérée - simplicité de mise en oeuvre de la source à chaque campagne d'acquisition, proximité de la source par rapport à l'objectif sismique à imager. L'inconvénient majeur de ces sources sismiques permanentes enterrées est le coût d'installation élevé, dû principalement à la nécessite de prévoir un puits dédié uniquement à ces sources. De plus, leur efficacité est affectée par la raideur du cuvelage qui limite la contrainte appliquée au milieu environnant. II est connu également un dispositif d'émission d'ondes élastiques radiales dans un milieu matériel basé sur le principe de la magnétostriction. L'émission d'ondes radiales est obtenue essentiellement en dilatant radialement le cuvelage métallique du puits au contact du milieu matériel sous l'effet d'une pression magnétique engendrée par induction électromagnétique, des ondes élastiques étant créées dans le milieu sous l'effet de cette dilatation. La pression magnétique est obtenue en connectant une bobine placée dans l'axe du tube avec un générateur de courant générateur de choc ou générateur à fréquence variable. Le pas d'enroulement de la bobine peut être constant ou variable. Le tube peut être par exemple rapporté dans un puits ou trou ou bien être une portion de tube d'un puits cuvelé. Il peut être également la paroi latérale d'une enceinte étanche que l'on immerge dans une masse d'eau pour y produire des oncles acoustiques ou sismiques. Cependant, pour ce type de source, l'allongement du matériau constituant le cuvelage est seulement de quelques dizaines de ppm. L'onde sismique générée est ainsi très faible et le rendement (efficacité) de ce type de source n'est donc pas satisfaisant pour être convenablement exploité dans l'industrie. La présente invention a donc pour objet de palier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant une source sismique permanente, pouvant être installée sous la zone altérée et ne nécessitant pas le forage d'un puits spécialement dédié à la prospection sismique, et ayant un rendement compatible avec des études de sismique 4D. Pour cela l'invention propose un système d'émission d'onde sismique dans une formation souterraine traversée par un puits comportant un cuvelage, comportant un joint de cuvelage adapté pour laisser passer un champ magnétique, une partie active générant des ondes sismiques, formée par des éléments actifs par champ magnétique, disposée à l'extérieur du joint cuvelage, et une source mobile inductrice d'un champ magnétique disposée à l'intérieur du joint de cuvelage. Les éléments actifs du système d'émission d'onde sismique sont en matériaux magnétostrictifs. Ces éléments actifs sont constitués par des barreaux disposés régulièrement sur le pourtour du joint de cuvelage et parallèlement à l'axe du cuvelage, les extrémités de chaque barreau prenant appui sur deux anneaux mécaniquement couplés avec la formation. Selon un mode de réalisation de l'invention le nombre de barreaux est compris entre 3 et 10. Selon un mode de réalisation de l'invention les barreaux sont droits. Selon un autre mode de réalisation de l'invention les barreaux sont courbés 20 en forme de douelle de tonneau dont les extrémités reposent sur deux anneaux par l'intermédiaire de deux butées fixées au joint de cuvelage. La circulation du champ magnétique se fait à travers des fenêtres formées dans le joint de cuvelage au niveau des anneaux. Selon un autre mode de réalisation de l'invention la circulation du champ 25 magnétique se fait à travers les deux butées. La zone du joint de cuvelage, située entre les deux anneaux, est constituée de matériaux amagnétiques. Le couplage mécanique des anneaux avec la formation est réalisé avec du ciment. L'invention concerne également une méthode, mettant en oeuvre le système d'émission d'ondes sismiques, consistant à activer des éléments actifs, disposés à l'extérieur du cuvelage d'un puits, par un champ magnétique émis par une source mobile inductrice d'un champ magnétique disposée à l'intérieur du cuvelage dudit puits, à travers le cuvelage dudit puits. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, nullement limitative, illustrée par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: 1.0 - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du système selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation du système selon l'invention, - la figure 3 (a et b) représente schématiquement: des éléments du [5 système représenté sur la figure 2. Le système d'émission d'onde sismique selon l'invention est décrit en se référant principalement aux figures 1 et 2. Le système d'émission d'onde sismique selon l'invention est intégré dans 20 un puits, ou toutes autres cavités du même type, à équiper de sources sismiques. Ce puits comporte un ensemble de joints de cuvelage (1), formant le cuvelage (10), qui est inclus dans la complétion du puits. Le système est donc intégré au niveau d'un de ces joints de cuvelage (1). Le système selon l'invention comporte une partie active, générant les ondes 25 sismiques, qui va être activée par une source mobile (8) inductrice d'un champ magnétique. La partie active du dispositif est constituée d'éléments actifs, générant les ondes sismiques, formés de plusieurs barreaux disposés parallèlement (4) à l'axe du cuvelage (A). Ces barreaux ont une section de forme quelconque. Les 30 barreaux sont disposés régulièrement sur le pourtour du joint de cuvelage (1) et à l'extérieur du joint de cuvelage (1). Le dispositif comprend 3 à 10 barreaux, préférentiellement 4 à 8 barreaux et très préférentiellement 4, 6 ou 8 barreaux. Les matériaux utilisés pour ces barreaux sont des matériaux magnétostrictif, les GMM (Giant Magnétostrictive Materials), comme le Terfenol-D produits par la société ETREMA� (États-unis). Lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, ces matériaux peuvent s'allonger de 1500 ppm. Selon l'invention, la source peut comporter des matériaux encore plus performants, tels que les matériaux à mémoire de forme magnétique MSM (Magnetic Shape Memory), comme l'alliage Ni-Mn-Ga commercialisé par la société AdaptaMat (Finlande). Lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, ces matériaux peuvent s'allonger de 100.000 ppm. Les extrémités de chaque barreau (4) prennent appui sur deux anneaux (2) et (6), fixés dans le ciment (11), renforçant le puits, entre le joint de cuvelage (1) et la formation (12) ou milieu environnant (12) du puits. Les anneaux (2) et (6) sont :15 ainsi mécaniquement couplés à la formation (12) par le ciment (11). Tout autres matériaux équivalents peuvent être utilisés à la place du ciment pour fixer les anneaux. Dans un premier mode de réalisation de l'invention les barreaux (4) sont droits et ont alors une section de préférence circulaire. Les anneaux (2) et (6) sont 20 noyés dans le ciment et donc maintenus en place dans le ciment (11) le long du joint de cuvelage (1). Pour faciliter la mise en place du dispositif lors de la construction du puits, un des anneaux (2) peut être fixé au joint de cuvelage. De cette façon lors de la coulée du ciment autour de la formation, les éléments actifs (4) sont maintenus en place. 25 Ainsi, lorsque les barreaux (4) en matériau actif sons: soumis au champ magnétique (13), généré par une source inductrice mobile (8), ils s'allongent. L'allongement des barreaux dépend du type de matériau magnétostrictif utilisé. Cet allongement exerce une pression longitudinale par rapport à l'axe du cuvelage (A) sur les anneaux qui provoquent ainsi des contraintes dar,s le ciment (11) qui 30 entoure le cuvelage. Ces contraintes génèrent ainsi des ondes sismiques qui se propagent dans le ciment (11) ainsi que dans le milieu environnant (12). Le mécanisme de propagation des ondes sismiques étant connu par l'homme du métier. Dans cette variante, la déformation des barreaux provoque donc des contraintes longitudinales, par rapport à l'axe du cuvelage, dans le ciment (11). Ce sont ces ondes sismiques ainsi générées, enregistrées par des capteurs sismiques, qui seront utilisées par les géophysiciens pour détecter, entre autre, les variations de niveau d'hydrocarbure dans les gisements ou les volumes de gaz dans les stockages de CO2. L'outil inducteur, constitué d'une bobine (8) et d'un câble de liaison éléctroporteur (9) qui le relie à la surface, induit un champ magnétique (13) utilisé pour provoquer la dilatation des barreaux en matériau actif. La bobine (8) n'est descendue dans le puits, par l'intermédiaire du câble (9), que lors des campagnes d'acquisition sismiques. Le reste du temps, l'intérieur du cuvelage est libre pour d'autres utilisations, production, diagraphies, etc. La méthode mettant en oeuvre le système selon l'invention consiste donc à activer les éléments actifs (4), du système d'émission d'ondes sismiques, disposés à l'extérieur du joint de cuvelage (1), avec une source mobile disposée à l'intérieur du joint de cuvelage (1) pendant la durée des mesures sismiques, à travers le cuvelage (1) du puits. Le couplage de la source inductrice mobile (8), située de façon temporaire à l'intérieur du joint de cuvelage (1), avec la partie permanente du dispositif, située à l'extérieur du joint de cuvelage (1), se fait à travers la paroi du joint de cuvelage (1) qui est adaptée pour laisser passer le champs magnétique. La circulation du champ magnétique induit par la bobine se fait ainsi par l'intermédiaire de fenêtres (7) formées dans le joint de cuvelage (1) et disposées au niveau des anneaux (2) et (6). Le joint de cuvelage (1) qui supporte la source est en général en acier et peut être optimisé pour améliorer le couplage magnétique entre la bobine (8) et les barreaux de matériaux actifs (4). Pour cela l'acier du joint de cuvelage est remplacé au niveau des barreaux (4) par une zone (5) en matériaux amagnétiques (perméabilité relative proche de 1), bien connu de l'homme du métier, pour éviter toute perte de flux magnétique dans le cuvelage. De même pour limiter les pertes, le circuit magnétique peut être optimisé par l'utilisation de matériaux de perméabilité magnétique élevée pour les deux anneaux (2) et (6) situés aux deux extrémités des barreaux (4), ainsi que pour les fenêtres (7), intégrées au joint de cuvelage (1), qui font partie du circuit magnétique de la source sismique. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention les éléments actifs ou barreaux en matériaux magnétostrictifs sont courbés en forme de plaques cintrées ou de douelles de tonneau (4') illustrés sur la figure 3a. Les barreaux peuvent également être fendus dans le sens de la longueur (4") comme illustré sur la figure 3b. La courbure des barreaux est orientée vers l'extérieure du joint de cuvelage (1). Dans un autre mode de réalisation, la courbure peut être orientée vers l'intérieur du joint de cuvelage (1). Comme dans la première variante de l'invention, ces barreaux sont disposés régulièrement sur le pourtour du joint de cuvelage (1) et à l'extérieur du joint de cuvelage (1). Le disposil.if comprend 3 à 10 barreaux, préférentiellement 4 à 8 barreaux et très préférentiellement 4, 6 ou 8 barreaux. Ces éléments sont en appui sur les deux anneaux (2) et (6) par l'intermédiaire de butées (3) fixées au joint de cuvelage (1). Les anneaux (2) et (6) et les butées (3) étant noyés dans le ciment entourant le puits. Lorsque le champ magnétique (13) induit par la bobine (8) traverse les éléments en forme de douelle, ceux-ci s'allongent par effet magnétostrictif. L'allongement étant limité par les butées (3), l'élément actif (4) de par sa forme concave se déforme perpendiculairement (14) à l'axe du cuvelage. Ainsi contrairement à la première variante, la déformation des barreaux provoque des contraintes radiales, par rapport à l'axe du cuvelage, dans le ciment. Dans cette variante, le champ magnétique (13) circule soit par les fenêtres 2.5 (7), soit à travers les butées (3) comme illustré sur la figure 2. Dans ce cas les butées (3) sont donc à base de matériaux de perméabilité magnétique maximale. Cette déformation transmise au ciment (11) puis au sol (12) génère une onde sismique utilisable comme source pour des acquisitions sismiques. Les éléments actifs en forme de plaques ou douelles (4') de tonneaux 30 peuvent être réalisés sous forme d'un bilame composé d'une plaque de support interne (41), en titane par exemple, et d'une couche externe (42) composée d'éléments prismatiques en matériau magnétostrictif collés entre eux et collés sur la plaque de support en titane. Dans une autre variante de l'invention, plusieurs dispositifs peuvent être intégrés dans la complétion d'un même puits à différentes profondeurs et pourront être utilisées alternativement lors d'une même descente de la source inductrice dans le puits ou la formation. Ce dispositif d'émission sismique permanente peut par exemple être intégré au cuvelage des puits de production ou d'observation prévus dans le plan d'exploitation de gisements pétroliers ou de stockage d'hydrocarbure mis en observation par la méthode sismique 4D puisque la source inductrice mobile est mise en place à l'intérieur du puits seulement lors des prospections ou surveillances sismiques. Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être moclifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications jointes.20 REVENDICATIONS 1) Système d'émission d'ondes sismiques dans une formation souterraine traversée par un puits comportant un cuvelage (10), caractérisé en ce qu'il comporte un joint de cuvelage (1) adapté pour laisser passer un champ magnétique, une partie active générant des ondes sismiques, formée par des éléments actifs (4) par champ magnétique, disposée à l'extérieur du joint cuvelage (1), et une source mobile (8) inductrice d'un champ magnétique disposée à l'intérieur du joint de cuvelage (1). 2) Système d'émission d'ondes sismiques selon la revendication 1 dans lequel les éléments actifs (4) sont en matériaux magnétostrictifs. 3) Système d'émission d'ondes sismiques selon une des revendications 1 ou 2 dans lequel les éléments actifs sont constitués par des barreaux (4) disposés régulièrement sur le pourtour du joint de cuvelage (1) et parallèlement (4) à l'axe du cuvelage (A), les extrémités de chaque barreau (4) prenant appui sur deux anneaux (2) et (6) mécaniquement couplés avec la formation (12). 4) Système d'émission d'ondes sismiques selon la revendication 3 dans lequel le nombre de barreaux (4) est compris entre 3 et 10. 5) Système d'émission d'ondes sismiques selon l'une des revendications précédentes dans lequel les barreaux (4) sont droits. 6) Système d'émission d'ondes sismiques selon une des revendications 1 à 4 dans lequel les barreaux sont courbés en forme de douelle detonneau (4') dont les extrémités reposent sur deux anneaux (2) et (6) par l'intermédiaire de deux butées (3) fixées au joint de cuvelage (1). 7) Système d'émission d'ondes sismiques selon une des revendications précédentes dans lequel la circulation du champ magnétique (13) se fait à travers des fenêtres (7) formées dans le joint de cuvelage (1) au niveau des anneaux (2) et (6). 8) Système d'émission d'ondes sismiques selon la revendication 6 dans lequel la circulation du champ magnétique (13) se fait à travers les deux butées (3). 9) Système d'émission d'ondes sismiques selon une des revendications précédentes dans lequel la zone (5) du joint de cuvelage (1), située entre les deux anneaux (2) et (6), est constituée de matériaux amagnétiques. 10) Système d'émission d'ondes sismiques selon une des revendications 3 à 9 dans lequel le couplage mécanique des anneaux (2) et (6) avec la formation (12) est réalisé avec du ciment (11). 11) Méthode mettant en oeuvre le système selon une des revendications 1 à 10 caractérisée en ce qu'elle consiste à activer des éléments actifs (4), disposés à l'extérieur du cuvelage (1) d'un puits, par un champ magnétique émis par une source mobile (8) inductrice d'un champ magnétique disposée à l'intérieur du cuvelage dudit puits, à travers le cuvelage (1) dudit puits.