Brevet FR2962154A1 — publié le 20120106

B10387 1 MESURE DE DONNÉES SUR LES PAROIS EXTÉRIEURES D'UN TUBAGE DE FORAGE Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de mesure de données comprenant un ou plusieurs capteurs disposés sur la paroi extérieure d'un tubage métallique de forage. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon très schématique une portion d'un puits 1, foré dans une zone de terre et/ou de roche 3 en vue d'accéder à une nappe souterraine non représentée, par exemple une nappe d'eau ou d'hydrocarbures. Un tubage 5 est prévu à l'intérieur du puits pour éviter que d'éventuelles détériorations des parois du trou ne viennent endommager le puits, par exemple en le bouchant partiellement ou totalement. Le tubage 5 est en fait une canalisation relative- ment épaisse, par exemple en acier, que l'on insère dans le puits en même temps que l'on fore ou immédiatement après le forage. A titre d'exemple, pour certains forages pétroliers, on utilise un tubage à section circulaire de 15 à 20 centimètres de diamètre interne et d'une épaisseur supérieure à 1 cm. Le tubage 5 est destiné à rester dans le puits pendant toute la durée d'utilisation de ce dernier, c'est-à-dire généralement pendant plusieurs années. Dans certains cas, on prévoit d'injecter un B10387 2 fluide 7, par exemple du ciment, entre la paroi extérieure du tubage et la paroi intérieure du puits. Tout au long de la période d'exploitation du puits, on souhaite pouvoir disposer d'informations sur l'environnement extérieur du tubage 5. On souhaite par exemple pouvoir connaître la température à l'extérieur du tubage, la pression et/ou la composition des fluides qui entourent le tubage, etc. De telles informations permettent notamment d'optimiser et de sécuriser l'exploitation de la nappe. Divers capteurs peuvent être placés sur la paroi extérieure du tubage 5. Sur la figure 1, on a représenté un capteur 9 fixé à la paroi extérieure du tubage et protégé par un boîtier 11, par exemple un boîtier en acier. Le boîtier 11 permet notamment d'éviter que le capteur 9 ne soit endommagé par des chocs contre les parois du puits, lors de la mise en place du tubage. Le boîtier 11 n'est pas étanche. Il est au contraire spécifiquement adapté à ce que les fluides susceptibles d'entourer le tubage soient en contact direct avec le capteur 9. Pour l'alimentation du capteur 9, et pour la transmis- Sion des données mesurées par ce capteur, un câble de connexion 13 est disposé le long de la paroi extérieure du tubage, reliant le capteur à la surface. La distance entre le capteur 9 et la surface pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres, le câble de connexion 13 est particulièrement coûteux, et son installa- tion est particulièrement délicate. Ce coût et cette difficulté d'installation sont d'autant plus élevés que le nombre de capteurs prévus en périphérie du tubage est élevé. Par ailleurs, le câble 13 risque d'être endommagé si le tubage vient à frotter contre les parois du puits, par exemple au moment de la mise en place du tubage dans le puits. La réparation du câble 13 ne peut passer que par l'extraction et le remplacement du tubage, ce qui, en pratique, est inenvisageable en raison du coût prohibitif d'une telle opération. B10387 Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un système de mesure de données comprenant un capteur placé sur la paroi extérieure du tubage d'un forage, ce système palliant au moins en partie les inconvénients des solutions existantes. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de proposer un tel système ne nécessitant pas la prévision d'un câble pour relier le capteur à la surface. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un système de mesure de données comprenant un capteur lié à une paroi extérieure d'un tubage d'un forage, ce capteur comprenant un premier élément piézoélectrique pour convertir l'énergie mécanique d'une première onde acoustique en énergie électrique d'alimentation du capteur, et un second élément piézoélectrique pour convertir un signal électrique de données du capteur en une deuxième onde acoustique ; et un dispositif d'émission/réception d'ondes acoustiques adapté à être positionné dans la canalisation, en regard du capteur, pour émettre la première onde et recevoir la deuxième onde. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la canalisation est un tubage d'un puits d'hydrocarbures. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur est placé dans un boîtier de protection. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et second éléments piézoélectriques sont confondus. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premier et second éléments piézoélectriques confondus forment une couronne entourant la canalisation. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur comprend un condensateur adapté à être chargé par le premier élément piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système de mesure comprend en outre un moyen de positionne- ment du dispositif d'émission/réception, ce moyen de positionne- 3 B10387 4 ment comprenant un aimant fixé au voisinage du capteur et un magnétomètre solidaire du dispositif d'émission/réception. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un capteur de données comprenant un premier élément piézoélectrique pour convertir l'énergie mécanique d'une onde acoustique en énergie électrique d'alimentation du capteur, et un second élément piézoélectrique pour convertir un signal électrique de données du capteur en une onde acoustique, ce capteur étant adapté à être utilisé dans un système de mesure tel que ci-dessus. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé d'utilisation d'un système de mesure tel que ci-dessus, comprenant les étapes consistant à descendre le dispositif d'émission/réception dans le tubage en regard du capteur ; émettre la première onde via ledit dispositif ; et recevoir la deuxième onde via ledit dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième onde est émise à une fréquence distincte de la fréquence de la première onde. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première onde est émise à une fréquence de résonance du tubage. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend une étape préliminaire de recherche de la 25 fréquence de résonance du tubage. 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 30 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe représentant de façon schématique un système de mesure de données comprenant un capteur placé sur la paroi extérieure d'un tubage, ce capteur étant relié à la surface par un câble disposé 35 le long de la paroi extérieure du tubage ; B10387 la figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique un système de mesure de données comprenant un capteur disposé sur la paroi extérieure d'un tubage ; la figure 3 est un schéma électrique représentant un 5 mode de réalisation du système de mesure de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'un capteur adapté au système de mesure décrit en relation avec les figures 2 et 3 ; et la figure 5 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation du capteur de la figure 4. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. On notera en particulier que, dans les figures 1, 2, 4 et 5, représentant des capteurs placés sur la paroi extérieure d'un tubage, les dimensions des capteurs ont été largement exagérées par rapport aux dimensions du tubage. Pour éviter la prévision d'un câble de communication de données entre le capteur et la surface, on aurait pu penser à un système de communication sans fil par ondes électromagnétiques. Toutefois, le fait que le tubage et le boîtier de protection du capteur sont généralement en acier rend impossible ce type de communication. Par suite, et en raison des distances importantes susceptibles de séparer le capteur de la surface, un tel système de communication n'est pas adapté. Par ailleurs, ceci ne résoudrait pas le problème de l'alimentation du capteur. La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'un système de mesure de données comprenant un capteur 21 disposé sur la paroi extérieure d'un tubage 5. Le capteur 21 est protégé par un boîtier 11 du type décrit en relation avec la figure 1. A la différence des systèmes décrits en relation avec la figure 1, aucun câble d'alimentation et/ou de communication ne relie le capteur 21 à la surface. B10387 6 Selon un aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, le capteur 21 comprend un élément piézoélectrique pour convertir l'énergie mécanique d'une onde acoustique (sonore ou ultrasonore) en énergie électrique d'alimentation du capteur, et un élément piézoélectrique (éventuellement le même) pour convertir un signal électrique de données du capteur en une onde acoustique. Pour réaliser une mesure à l'aide du capteur 21, on vient descendre à l'intérieur du tubage, en regard du capteur, une sonde 23 comprenant un dispositif d'émission/réception d'ondes acoustiques. Une onde 25, adaptée à exciter l'élément piézoélectrique d'alimentation du capteur, est émise par la sonde 23. L'énergie électrique résultant de cette excitation permet au capteur 21 d'effectuer une mesure souhaitée, puis d'émettre en retour une onde acoustique modulée 27 comprenant le résultat de la mesure effectuée. La sonde 23 est adaptée à recevoir le signal acoustique de données 27, et à enregistrer le résultat de la mesure dans une mémoire interne ou à transmettre directement ce résultat à des équipements de surface, via un câble de communication reliant la sonde à la surface. Dans l'exemple représenté, la sonde 23 a la forme d'une portion de cylindre vertical comprenant un émetteur 28 dans sa partie supérieure, et un récepteur 29 dans sa partie inférieure. L'émission et la réception d'ondes acoustiques par la sonde 23 sont par exemple réalisées à l'aide d'un ou plusieurs éléments piézoélectriques. On notera que l'émetteur 28 et le récepteur 29 pourront être confondus. Il existe un outil, largement répandu dans le domaine des forages pétroliers, constitué d'une sonde acoustique liée à un câble 30, adaptée à être descendue dans le tubage, par exemple à l'aide d'un treuil, pour analyser la qualité de l'anneau de ciment qui entoure certains tubages. Lors de sa descente dans le tubage, la sonde émet des ondes acoustiques, et détecte les vibrations résultantes du tubage. L'amplitude de ces B10387 7 vibrations permet de localiser d'éventuelles zones insuffisamment cimentées autour du tubage. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, on utilise ce type d'outil de sondage existant pour alimenter le capteur 21 placé sur la paroi extérieure du tubage 5, et pour communiquer avec ce capteur. Les données mesurées par le capteur 21 pourront être transmises vers la surface par un câble électrique 30. Pour optimiser le positionnement relatif de la sonde par rapport au capteur lors de chaque mesure, on pourra prévoir d'associer à chaque capteur un moyen de positionnement. Ce moyen de positionnement comprend par exemple un aimant 32 fixé au tubage au voisinage du capteur et un magnétomètre 34 solidaire de la sonde. La figure 3 est un schéma électrique simplifié d'un exemple de réalisation d'un système de mesure de données du type décrit en relation avec la figure 2. Dans ce schéma, l'émetteur et le récepteur de la sonde acoustique sont représentés par un unique élément piézoélectrique 23 disposé en regard du capteur 21. Le capteur 21 comprend un élément piézoélectrique 41 adapté à être excité par une onde 25 émise par la sonde 23. Un condensateur 43 est relié aux bornes de l'élément piézoélectrique 41 par l'intermédiaire d'un dispositif de redressement de tension 45, par exemple un pont de diodes. Les bornes d'alimentation d'un dispositif de mesure de données 47 (constituant le capteur proprement dit) sont reliées aux bornes du condensateur 43 par l'intermédiaire d'un interrupteur commandable 49. Dans cet exemple, l'interrupteur 49 est normalement ouvert, et sa fermeture est commandée par un dispositif 51 de mesure du niveau de charge du condensateur 43. Le dispositif de mesure de données 47 comprend en outre des bornes de sortie connectées aux électrodes de l'élément piézoélectrique 41. Lors d'une première phase d'utilisation du système, la sonde 23, positionnée en regard du capteur, émet une onde 25 qui 35 provoque l'excitation de l'élément piézoélectrique 41, B10387 8 conduisant à la charge du condensateur 43. La vitesse de charge du condensateur 43 dépend notamment de l'amplitude et de la fréquence de l'onde 25. Lorsque le niveau de charge du condensateur 43 atteint un certain seuil, l'interrupteur 49 est fermé par l'intermédiaire du dispositif 51. Le dispositif de mesure de données 47 se trouve donc alimenté et apte à effectuer une mesure. Lorsque la mesure est terminée, le dispositif 47 transmet, via des bornes de sortie 52 et 53, un signal élec- trique de données. Ce signal est converti par l'élément piézo-électrique 41 en une onde acoustique 27 à destination de la sonde 23. Dans cet exemple, le capteur comprend un seul élément piézoélectrique 41 adapté à la fois à recevoir l'onde d'alimen- tation 25, et à émettre l'onde de données 27. On notera que des éléments piézoélectriques distincts pourront être utilisés pour mettre en oeuvre ces deux fonctions. Par ailleurs, pour éviter des interférences entre l'onde d'alimentation 25 et l'onde de données 27, on pourra interrompre l'émission de l'onde 25 avant que l'onde 27 ne soit émise par le capteur. On pourra aussi prévoir que l'onde d'alimentation 25 soit émise en permanence, mais que l'onde de données 27 soit un signal acoustique modulé à une fréquence distincte de celle de l'onde 25. Selon un mode d'utilisation préféré du système proposé, l'onde 25 est émise à une fréquence proche de la fréquence de résonance du tubage au niveau du capteur. Ceci permet de maximiser la quantité d'énergie mécanique transmise à l'élément piézoélectrique 41 du capteur. On pourra prévoir de déterminer cette fréquence de résonance en amenant la sonde à balayer une plage de fréquence et en mesurant le maximum de l'onde réfléchie par le tubage. La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon 35 schématique un mode de réalisation d'un capteur du type décrit B10387 9 en relation avec les figures 2 et 3. L'élément piézoélectrique 41 a la forme d'une surface carrée ou rectangulaire et est fixé par collage ou par tout autre moyen sur une portion de la paroi extérieure du tubage 5. Des électrodes, non représentées, sont disposées de part et d'autre de l'élément piézoélectrique. La figure 5 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation préférée du capteur de la figure 4, dans laquelle l'élément piézoélectrique 41 forme une couronne autour du tubage 5. Cette disposition de l'élément piézoélectrique permet de maximiser la quantité d'énergie mécanique transformée en énergie électrique d'alimentation du capteur. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications 15 apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se restreint ni au schéma de capteur décrit en relation avec la figure 3, ni aux dispositions mécaniques de capteur décrites en relation avec les figures 2, 4 et 5. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le 20 fonctionnement recherché en utilisant d'autres configurations de capteur et/ou de sonde. On pourra notamment utiliser tout moyen de stockage d'énergie électrique adapté pour remplacer le condensateur 43 de la figure 3. Par ailleurs, on a mentionné ci-dessus l'utilisation 25 d'éléments piézoélectriques pour convertir l'énergie mécanique d'ondes acoustiques en énergie électrique et réciproquement. Tout autre moyen adapté à convertir l'énergie mécanique d'une onde acoustique en énergie électrique et/ou réciproquement pourra être utilisé. 30 De plus, le système de mesure de données proposé pourra être adapté à d'autres types d'installations que des forages, et notamment à tout type d'installation comprenant des canalisations dont les parois extérieures sont difficiles d'accès. REVENDICATIONS1. Système de mesure de données comprenant : un capteur (21) lié à une paroi extérieure d'un tubage (5) d'un forage, ce capteur comprenant un premier élément piézoélectrique (41) pour convertir l'énergie mécanique d'une première onde acoustique (25) en énergie électrique d'alimentation du capteur, et un second élément piézoélectrique (41) pour convertir un signal électrique de données du capteur en une deuxième onde acoustique (27) ; et un dispositif (23) d'émission/réception d'ondes acous- tiques adapté à être positionné dans la canalisation, en regard du capteur, pour émettre la première onde (25) et recevoir la deuxième onde (27). 2. Système de mesure selon la revendication 1, dans lequel la canalisation est un tubage d'un puits d'hydrocarbures. 3. Système de mesure selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capteur est placé dans un boîtier de protection (11). 4. Système de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premier et second éléments 20 piézoélectriques sont confondus. 5. Système de mesure selon la revendication 4, dans lequel les premier et second éléments piézoélectriques confondus (41) forment une couronne entourant la canalisation. 6. Système de mesure selon l'une quelconque des reven- 25 dications 1 à 5, dans lequel le capteur comprend un condensateur (43) adapté à être chargé par le premier élément piézoélectrique (41). 7. Système de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un moyen de positionnement 30 du dispositif d'émission/réception (23), ce moyen de positionne-ment comprenant un aimant fixé au voisinage du capteur et un magnétomètre solidaire du dispositif d'émission/réception. 8. Capteur de données comprenant un premier élément piézoélectrique (41) pour convertir l'énergie mécanique d'uneB10387 11 onde acoustique (25) en énergie électrique d'alimentation du capteur, et un second élément piézoélectrique (41) pour convertir un signal électrique de données du capteur en une onde acoustique (27), ce capteur étant adapté à être utilisé dans un système de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Procédé d'utilisation d'un système de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : descendre le dispositif d'émission/réception (23) dans le tubage (5) en regard du capteur (21) ; émettre la première onde (25) via ledit dispositif ; et recevoir la deuxième onde (27) via ledit dispositif. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la deuxième onde (27) est émise à une fréquence distincte de la fréquence de la première onde (25). 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la première onde (25) est émise à une fréquence de 20 résonance du tubage. 12. Procédé selon la revendication 11, comprenant une étape préliminaire de recherche de la fréquence de résonance du tubage.