Brevet FR2954563A1 — publié le 20110624

RESEAU ACOUSTIQUE AD-HOC DE TRANSFERT DE DONNEES DANS UN MILIEU FORME DE MATERIAU POREUX ET D'UNE PHASE FLUIDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne notamment le domaine de l'analyse de milieux hétérogènes comportant un matériau poreux et une phase fluide. Elle prévoit, pour la détection et l'analyse d'un milieu à plusieurs phases, dont au moins une phase fluide et au moins une phase poreuse, la mise en oeuvre d'un réseau ad-hoc acoustique, à l'aide d'une pluralité d'émetteurs/récepteurs d'ondes acoustiques disséminés dans le milieu à analyser, et s'applique en particulier aux milieux constitués de roche poreuse et de phase fluide à base d'hydrocarbures tels que les réservoirs naturels d'hydrocarbures et les zones d'accès à ces réservoirs. ART ANTÉRIEUR Une technique d'exploitation d'un réservoir naturel de pétrole, consiste à injecter un fluide dit « de fracturation » à haute pression par un puits injecteur de façon à créer au sein du réservoir un gradient de pression entre le puits injecteur et un puits d'exploitation, séparer les hydrocarbures fluides des structures solides de la porosité, et acheminer les hydrocarbures vers le puits d'exploitation. 2 La fracturation permet la récupération des hydrocarbures se trouvant dans et à proximité immédiate du volume fracturé. Lorsqu'une fracture s'étend sur toute la distance separant le puits injecteur du puits d'exploitation, il devient difficile d'appliquer un gradient de pression, le fluide injecté s'écoulant à travers la fracture sans rencontrer d'obstacle. Les quantités d'hydrocarbures résiduelles dans les structures poreuses après les phases de récupération sont difficiles à évaluer. En outre, d'autres informations de diverses natures sur la configuration de la roche poreuse peuvent être nécessaires, par exemple, afin de caractériser ce réservoir et d'estimer la quantité d'hydrocarbures s'y trouvant retenue. Il est donc souhaitable d'introduire dans ce réservoir un ou plusieurs capteurs permettant de mesurer de grandeurs physiques représentatives de cette configuration. Il se pose le problème de la transmission de données, recueillies par des capteurs, notamment jusqu'à l'extérieur du réservoir. Ces données peuvent être des données de mesure, dans les réservoirs naturels d'hydrocarbures ou les zones de fracturation menant à des réservoirs naturels d'hydrocarbures, qui sont des milieux hétérogènes spécifiques formés d'au moins un matériau poreux et d'au moins une phase fluide qui peut être un mélange de liquide et de gaz. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de transfert de données dans un milieu hétérogène formé d'au moins un matériau poreux et d'au moins une phase fluide, comprenant les étapes de : - répartition dans ledit milieu, d'une pluralité d'éléments communicants, destinés à communiquer entre eux par le biais d'ondes acoustiques, - établissement d'un réseau de communication entre lesdits éléments communicants, par transfert, au moyen d'ondes acoustiques, de données d'identification de proche en proche entre lesdits éléments communicants, le matériau poreux servant de guide d'ondes aux ondes acoustiques, - transfert, par le biais d'ondes acoustiques, de données entre au moins deux desdits éléments communicants. Un tel procédé peut comporter en outre une répartition, dans ledit milieu, d'un ou plusieurs capteurs de mesure, par exemple un ou des pour mesurer une température locale, et/ou un volume et/ou un débit d'un fluide, et/ou une viscosité, et/ou une localisation approximative d'une région à caractériser. L'invention permet donc de collecter et de communiquer les données de mesure effectuées dans le milieu hétérogène. Ces données peuvent ensuite être transmises à l'extérieur du milieu hétérogène pour analyse. En particulier, l'invention exploite le matériau poreux, plus particulièrement des anfractuosités présentes dans ce matériau, pour guider les ondes acoustiques émises par les éléments 3 4 communicants, d'un élément communicant à un autre élément communicant, en se servant du fluide de fracturation comme vecteur de ces ondes acoustiques. Les communications entre les éléments communicants sont par exemple réalisées dans une gamme de fréquences comprise entre 10 MHz et 10 GHz. De manière avantageuse, l'invention met en oeuvre une pluralité de microsystèmes comportant chacun un ou plusieurs d'éléments communicants, et le cas échéant au moins un capteur de mesure. Selon variante de réalisation, un tel microsystème comprend un support sur lequel est répartie une pluralité d'éléments communicants et le cas échéant au moins un capteur de mesures. De manière préférentielle, le support du microsystème est sphérique, ce qui permet d'avoir une grande probabilité d'émettre et/ou de recevoir des ondes acoustiques dans toutes les directions. Selon une application particulière du procédé, le milieu peut être un réservoir naturel formé de roche poreuse et d'au moins un fluide ou une zone donnée menant à un réservoir naturel d'hydrocarbures et formée de roche poreuse et d'au moins un fluide circulant dans cette zone. Le procédé peut comprendre, préalablement à ladite étape de répartition des microsystèmes comprenant le ou les éléments communicants, et le cas échéant au moins un capteur de mesure, l'introduction de ces microsystèmes dans un fluide circulant dans un canal menant à ladite zone donnée ou audit réservoir. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et 5 nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un exemple de réalisation de l'invention comprenant un réseau acoustique formé d'éléments communicants par ondes acoustiques, le réseau de communication étant implanté dans une zone fracturée d'accès à un réservoir naturel d'hydrocarbures, en particulier dans des anfractuosités de morceaux de roche poreuse situées de part et d'autre d'un canal contenant un liquide turbulent, - la figure 2 illustre des éléments communicants d'un réseau acoustique suivant l'invention situés dans un micro-canal d'une roche poreuse d'un réservoir naturel d'hydrocarbures, - la figure 3 illustre un exemple d'établissement, de proche en proche, d'un réseau acoustique entre des éléments communicant par ondes acoustiques, les figures 4A et 4B illustrent respectivement deux exemples de réalisation d'un élément communicant, la figure 5 illustre un autre exemple de réalisation de l'invention, comprenant un microsystème doté d'une pluralité d'éléments communicants et le cas échéant au moins un capteur de mesure répartis sur un support sphérique. 6 Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Un exemple de réseau acoustique tel que mis en oeuvre suivant l'invention, implanté dans un milieu M hétérogène, et prévu pour acheminer des données, est illustré à la figure 1. Dans cet exemple, le milieu M étudié est 15 une zone dite « fracturée » d'accès à un réservoir naturel d'hydrocarbure(s). La zone fracturée comprend un canal d'accès formé dans de la roche poreuse P dans lequel un fluide dit de « fracturation » constitué d'un mélange turbulent de liquides et de gaz, s'écoule. 20 Pour faire l'analyse de ce milieu, on y introduit un ou plusieurs capteurs de mesure 1001r 1002, 1003 (par exemple pour mesurer la température locale dans la zone fracturée, et/ou le volume et débit du fluide de fracturation, et/ou la viscosité, et/ou une 25 localisation approximative de la région à caractériser, etc....) ainsi qu'une pluralité d'éléments communicants 110i, pouvant communiquer entre eux conformément à l'invention. Le fluide F sert de fluide porteur et dépose, selon un exemple de réalisation de l'invention, 30 un ou plusieurs de ces éléments communicants 1101,..., 10 7 1107, 1108r ..., 11013,_,110k, et éventuellement un ou plusieurs capteurs de mesure 100, dans les anfractuosités de la roche poreuse. On obtient alors une distribution d'éléments communicants le long des parois de la zone fracturée. Chaque élément communicant communique avec un autre élément communicant voisin au moyen d'ondes acoustiques se propageant dans des anfractuosités (micro-canaux) formés dans la roche et qui servent de guide d'onde à ces ondes acoustiques. Les éléments communicants 110 sont interconnectés en un réseau de communication acoustique à haute fréquence, particulièrement adapté à la communication au sein de la roche poreuse. Les ondes acoustiques émises à hautes fréquences se propagent via la phase fluide et sont guidées par la phase solide (micro-canaux). Les communications entre les éléments communicants 110 peuvent être réalisées par exemple dans une gamme de fréquence comprise entre 10 MHz et 10 GHz, en particulier entre 100 MHz et 10 GHz. Le réseau acoustique mis en oeuvre peut être un réseau de type ad hoc, qui, à partir de la distribution et du positionnement initial aléatoire des éléments communicants 110 le long des parois de la zone fracturée, s'établit entre ces éléments 110. Pour établir un réseau acoustique selon l'invention dans la roche poreuse, on dispose un nombre suffisant d'éléments communicants 110 répartis dans cette roche de façon que les zones que l'on veut relier se trouvent accessibles à travers une succession 8 d'éléments communicants distants les uns des autres d'une distance inférieure à la portée des ondes acoustiques. Un tel réseau est susceptible de se reconfigurer dynamiquement dans la mesure où les éléments communicants 110k (k=1, 2, ...) peuvent être mobiles les uns par rapport aux autres. Lors de l'établissement du réseau, et au cours du fonctionnement, les éléments 110 peuvent notamment s'échanger des données d'identification permettant à un élément 1101 du réseau d'identifier avec quel autre élément 1102 il communique. Au sein de ce réseau, des données de mesure, qui sont originaires d'au moins un capteur de mesure 100 introduit dans le milieu M et transmises de ce capteur à l'élément communicant le plus proche, sont transmises de proche en proche aux autres éléments communicants pour être acheminées à l'extérieur de la zone. Il est à noter que l'élément communicant 110i peut chercher à identifier l'autre élément communicant 110 (ji) le plus proche de lui afin de lui transmettre les données de mesures reçues par un ou des capteurs de mesure. Dans ce cas, des moyens pour établir un protocole d'identification entre les éléments communicants 110k peuvent être prévus. Cependant, il n'est pas forcément nécessaire à un élément communicant de savoir quel élément communicant est son voisin. Ainsi, par exemple sur la figure 1, un transfert d'informations, de proche en proche, d'un 9 élément 1101 du réseau jusque vers un autre élément 1108 du réseau, via les éléments 1102, 1103, 1104, 1105, 1106, 1107, est établi et est représenté par une ligne pointillée 111. D'un autre côté du canal où circule le fluide F, un autre transfert d'information, établi entre l'élément 1108, jusque vers un autre élément 11013 est quant à lui représenté par une autre ligne pointillée 112 du réseau, l'information transitant via les éléments 1108, 1109, 1101o, 11011, 11012, 11013. Chaque élément transmet l'information à son voisin, en particulier à son voisin le plus proche. Par ailleurs, la transmission de données d'un élément communicant à un autre dépend des caractéristiques du milieu étudié M à une fréquence donnée. La figure 2 montre un exemple d'une portion du milieu M étudié contenant un premier élément communicant 1101 et un deuxième élément communicant 1102 du réseau acoustique, qui communiquent via un micro- canal C formé dans la roche poreuse P du milieu hétérogène. Lors de la répartition dans le milieu hétérogène de ces éléments communicants, au moins un des éléments communicants 110k, en particulier lorsqu'il est intégré dans un microsystème, comme on le verra plus loin, est retenu dans une portion du micro-canal C dont le diamètre, du côté de la fracture ou du côté le plus proche d'elle, est supérieur à celui (ou à la dimension maximale) de cet élément (par exemple sous forme d'un microsystème), et dont le diamètre, du côté opposé à la fracture, ou du côté le plus éloigné 10 d'elle, est inférieur à celui (ou à la dimension maximale) de cet élément. Un autre élément communicant 1102 est retenu par une autre portion de ce micro-canal C de la même façon. Le diamètre et la forme du micro-canal C influent sur l'atténuation des ondes acoustiques s'y propageant pour une fréquence donnée. L'élément communicant 1101 émet une onde acoustique de pression, par exemple porteuse d'informations codées, qui se propage dans le fluide contenu dans le micro-canal C. Selon la connectivité du réseau, et la distance à laquelle se trouvent les deux éléments communicants l'un de l'autre, l'élément communicant 1102 peut détecter cette onde de pression et recevoir les informations codées. Le fluide contenu dans le réseau poreux, vecteur de propagation de l'onde acoustique, ne subit les variations de pression conséquentes des turbulences se produisant dans la fracture que de façon très atténuée par comparaison au fluide contenu dans la fracture elle-même. Une information véhiculée par des variations de pression peut ainsi se propager dans le réseau de micro-canaux sur une distance importante, en gardant son intégrité. Les éléments communicants 110 peuvent se transmettre des données issues de différents capteurs 100 s'y trouvant proches d'eux, telles que la température locale dans la zone fracturée, et/ou le volume et/ou le débit du fluide de fracturation, et/ou la mesure de la viscosité, et/ou une localisation approximative de la région à caractériser, etc.... 11 Une transmission de proche en proche de ces données à un dispositif de traitement extérieur 200 situé en surface du manteau de roche (comme représenté schématiquement en figure 3) peut être mise en oeuvre afin de faire traiter ces données par ce dispositif 200 pour fournir une information globale, par exemple sur la porosité du milieu, et/ou sur le volume poreux, et/ou la répartition de taille des pores, et/ou une information relative au contenu en liquide. Sur les exemples des figures 4A et 4B, deux exemples de réalisation d'un élément communicant 110 sont représentés. Cependant, l'invention ne se limite pas à ces exemples, toutes sortes d'éléments communicants 110k, pouvant communiquer dans un milieu tel qu'un réservoir naturel d'hydrocarbures, peuvent être utilisés. Les éléments communicants 110k peuvent comprendre au moins une membrane 113 qui, sous l'action d'une contrainte, convertit l'énergie mécanique en une énergie électrique. Cette membrane 113 peut être plane et vibrer au dessus d'une cavité 114 sous l'effet d'une application d'un champ électrique donné. Des moyens, non représentés, permettent de créer et d'appliquer ce champ électrique. Tel est le cas par exemple des transducteurs électro-acoustiques, par exemple des transducteurs électro-acoustiques capacitifs micro-usinés communément appelés transducteurs cMUT (cMUT pour « Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer »). 12 Dans l'exemple de la figure 4A, l'élément communicant peut transmettre et/ou recevoir selon une seule direction donnée, par exemple selon une flèche F1 sur la figure 4A. Pour que l'élément communicant 1102 ait une probabilité de recevoir de l'élément communicant 1101 l'onde acoustique transmise, il faut qu'il soit orienté dans la même direction que ce dernier. Or, lorsqu'on disperse les éléments communicants 110k dans le milieu hétérogène, on ne connaît a priori pas comment cet élément est orienté. Pour que la communication ait une probabilité de s'établir entre deux éléments voisins, une solution consiste à considérer un élément communicant comprenant une membrane 115 réalisée sous forme sphérique, comme illustré sur la figure 4B. La membrane sphérique 115 peut se déformer sous l'action d'une contrainte donnée et transformer cette déformation en une énergie électrique. Dans ce cas, l'onde acoustique peut être reçue et/ou émise en direction du matériau poreux du milieu hétérogène avec une grande probabilité, quel que soit le positionnement de l'élément communicant dans l'anfractuosité dans laquelle il se trouve. On dit qu'on a une émission et/ou réception isotrope d'ondes acoustiques. Un tel élément communicant peut être réalisé, par exemple, par un transducteur piézo- électrique du type pMUT, pour « Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer ». Selon une autre solution on prévoit un microsystème 116 dans lequel on intègre une pluralité d'éléments communicants 110k pourvus d'une membrane 13 plane 114 (du type de celui décrit ci-dessus en liaison avec la figure 4A), tel qu'illustré sur la figure 5. Le fait d'intégrer dans un microsystème 116 une pluralité d'éléments communicants 110 augmente la probabilité qu'a, quelle que soit la position dans laquelle un élément 110 du réseau se trouve par rapport à la roche poreuse, au moins un élément d'émettre des ondes acoustiques en direction du matériau poreux et au moins un élément, éventuellement le même, de recevoir des modulations acoustiques en provenance du matériau poreux. On dit qu'on a une émission et/ou réception multidirectionnelle d'ondes acoustiques. Un ou des capteurs de mesure 100i peuvent être intégrés également dans le même microsystème 116 que la pluralité de ces éléments communicants 110k. Dans l'exemple de la figure 5, le microsystème 116 présente un support sphérique 117, pourvu d'une face externe 118 sur laquelle est intégrée une pluralité d'éléments communicants 110k et le cas échéant au moins un capteur de mesure 100i. Il est à noter que le support 117 du microsystème 116 n'est pas limité à sa forme sphérique mais peut avoir toute sorte de forme permettant d'avoir une réception/émission d'ondes acoustiques la plus large possible. Par exemple, le support peut avoir des faces non parallèles sur lesquelles sont répartis l'élément communicant et/ou le capteur de mesures. Le microsystème 116 peut inclure, outre le ou les élément (s) communicant (s) 110k et le cas échéant au moins un capteur de mesure 100 , des moyens internes 14 de reconnaissance et de traitement d'information. Il peut également comprendre des fonctions de capteur permettant la mesure d'une grandeur physique environnementale, des moyens internes de traiter l'information associée à cette grandeur, des moyens ou des fonctions fournissant l'énergie nécessaire pour alimenter le microsystème avec tous ses éléments. De plus, ce microsystème 116 peut également comprendre des moyens assurant son intégrité physique et son fonctionnement dans l'environnement particulier dans lequel il se trouve. Par exemple, le microsystème 116 du réseau peut être protégé et encapsulé par au moins une couche ou un revêtement de protection. Avec une telle couche de protection, deux types de protection peuvent être mises en oeuvre : une protection pendant l'immersion de ce microsystème dans le milieu à étudier, et une protection pendant la durée de vie de l'élément 110k.20 REVENDICATIONS1. Procédé de transfert de données dans un milieu (M) hétérogène formé d'au moins un matériau poreux (P) et au moins une phase fluide (F), comprenant les étapes de: - répartition dans ledit milieu, d'une pluralité d'éléments communicants (110k) destinés à communiquer entre eux par le biais d'ondes acoustiques, établissement d'un réseau de communication entre lesdits éléments (110k) communicants, par transfert, à l'aide d'ondes acoustiques, de données d'identification de proche en proche entre lesdits éléments (110k), le matériau poreux servant de guide d'ondes aux ondes acoustiques, - transfert, par le biais d'ondes acoustiques, de données entre au moins deux desdits éléments communicants. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les communications entre les dits éléments communicants (110k) sont réalisées dans une gamme de fréquences comprise entre 10 MHz et 10 GHz. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant en outre une répartition dans ledit milieu, d'un ou plusieurs capteurs de mesure. 4. Procédé selon la revendication 3, le ou les capteurs de mesure étant un ou des capteurs de mesure pour mesurer une température locale, et/ou un 16 volume et/ou un débit d'un fluide, et/ou une viscosité, et/ou une localisation approximative d'une région à caractériser. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant la mise en oeuvre d'un microsystème (116) comportant un ou plusieurs éléments communicants (110k), et le cas échéant au moins un capteur de mesure (100). 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le microsystème (116) comprend un support (117) sur lequel est disposé l'élément communicant ou est répartie ladite pluralité d'éléments communicants (110k) et, le cas échéant, est également disposé ou réparti au moins un capteur de mesure (100.). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le support (117) du microsystème est sphérique, une pluralité d'éléments communicants (110k) ainsi, le cas échéant, qu'au moins un capteur de mesure (100), étant répartis sur une surface du microsystème (118). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit milieu (M) est un réservoir naturel formé de roche poreuse et d'au moins un fluide ou une zone donnée menant à un réservoir naturel d'hydrocarbure et formée de roche poreuse et d'au moins un fluide circulant dans cette zone.30 17 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel préalablement à ladite étape de répartition d'éléments communicants (110k, 116) on introduit ces éléments (110k, 116), et éventuellement un ou plusieurs capteurs de mesure, dans un fluide circulant dans un canal menant à ladite zone donnée ou audit réservoir.