Brevet FR2990277A1 — publié le 20131108

PROCEDE ET APPAREIL DE SURVEILLANCE ELECTROMAGNETIQUE DE FORMATIONS SOUTERRAINES Contexte Domaine technique Les modes de réalisation du sujet présenté dans le présent document concernent généralement des systèmes et des procédés pour surveiller des formations rocheuses souterraines et, plus particulièrement, l'identification de changements par la formation d'images de gisements d'hydrocarbures en utilisant la même configuration de mesure électromagnétique à de grands intervalles de temps. Examen du contexte Les formations rocheuses souterraines sont souvent étudiées en utilisant des ondes acoustiques. Cependant, un autre procédé utilisant des ondes électromagnétiques pour étudier les formations souterraines est particulièrement efficace pour différentier les couches rocheuses qui contiennent des hydrocarbures des autres couches rocheuses non pétrolifères, du fait du grand contraste de résistivité : des dizaines d'Ohm-m pour 25 les couches rocheuses qui contiennent des hydrocarbures et environ deux Ohm-m pour les couches rocheuses non pétrolifères. Un procédé classique utilisant des mesures électromagnétiques est connu en tant que diagraphie de 5 résistivité et consiste à enregistrer la résistivité par rapport à la profondeur dans un puits de forage foré à travers les formations étudiées. Par exemple, le brevet US n° 7 813 219 décrit un outil de diagraphie qui supporte une source d'impulsions électromagnétiques 10 et des électrodes capable de mesurer la différence de potentiel provoquée par la réponse de la formation rocheuse environnante au champ électromagnétique généré par la source d'impulsions électromagnétiques. Un autre procédé classique d'étude utilisant des 15 mesures électromagnétiques est connu en tant que surveillance puits-à-puits Comme illustré sur la figure 1, dans la surveillance puits-à-puits, les signaux électromagnétiques générés par une source électromagnétique 10 (par exemple, un émetteur à deux 20 pôles magnétiques) abaissé dans un premier puits 20, sont détectés par un ensemble de récepteurs 32, 34, 36, 38 (par exemple, des magnétomètres) agencés dans un deuxième puits 40 L'espacement du premier puits 20 et du deuxième puits 40 peut atteindre jusqu'à 1000 m. Le 25 procédé de surveillance puits-à-puits génère une image bidimensionnelle des formations rocheuses entre les deux puits. Plusieurs images bidimensionnelles peuvent être obtenues en utilisant plusieurs paires de puits. Aucun des procédés classiques décrits ci-dessus ne 30 fournit une image tridimensionnelle (3D) de la formation rocheuse étudiée. Un des buts importants de la formation d'images de formations rocheuses souterraines est de surveiller leur évolution, par exemple, lorsque des hydrocarbures 35 sont extraits. Une comparaison sérieuse entre l'état d 2990277 3 actuel d'une formation rocheuse étudiée et un état précédent de celle-ci nécessite de reproduire, lorsque l'état actuel est mesuré, la configuration de mesure (c'est-à-dire, les positions de la source et des détecteurs utilisés pour les mesures) utilisée lorsque l'état précédent a été mesuré. Cependant, des différences entre la configuration de mesure actuelle et la configuration de mesure précédente apparaissent inévitablement lorsque les détecteurs et/ou la source sont repositionnés en tentant de reproduire la configuration de mesure précédente. Ainsi, il existe un besoin de développer un procédé pour la surveillance électromagnétique en quatre dimensions (4D) de gisements d'hydrocarbures, c'est-à-dire, un procédé qui réaliserait, en plus d'une formation d'image 3D, également une acquisition à intervalles de temps avec la même configuration de mesure. Bref résumé de l'invention Un procédé pour la surveillance électromagnétique en quatre dimensions de gisements d'hydrocarbures réalise, en plus d'une formation d'image 3D des gisements, une acquisition à intervalles de temps avec la même configuration de mesure qui est avantageuse pour évaluer les changements se produisant entre les mesures. Le procédé est sensible à la variation horizontale d'un fort contraste de résistivité (contact pétrole - eau, bulle de CO2, chambre de vapeur, ...) à une profondeur qui peut dépasser 1 ou 2 km. Selon un exemple de mode de réalisation, un système de mesure électromagnétique comprend une source électromagnétique, une grille de détecteurs électromagnétiques et une unité de traitement de 35 données. La source électromagnétique est située à une profondeur prédéterminée à l'intérieur d'une formation rocheuse et est configurée pour générer des ondes électromagnétiques dans la formation rocheuse environnante. La grille de détecteurs électromagnétiques est située sur une surface de la formation rocheuse et est configurée pour détecter les ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique et réfléchies par un gisement d'hydrocarbures souterrain. L'unité de traitement de données est configurée pour traiter des premières données et des deuxièmes données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de détecteurs électromagnétiques pour extraire les changements du gisement d'hydrocarbures souterrain, les premières données et les deuxièmes données étant acquises chacune pendant une période pouvant atteindre une semaine, à des intervalles espacés l'un de l'autre de plus de deux mois. La source électromagnétique et la grille de détecteurs électromagnétiques ne sont pas déplacées ou retirées entre l'acquisition des premières données et l'acquisition des deuxièmes données. Selon un autre exemple de mode de réalisation, il existe un procédé pour surveiller un gisement d'hydrocarbures souterrain. Le procédé comprend placer 25 une source électromagnétique à une profondeur prédéterminée dans une formation rocheuse et une grille de détecteurs électromagnétiques sur une surface de la formation rocheuse de sorte que les détecteurs électromagnétiques détectent les ondes 30 électromagnétiques générées par la source électromagnétique et réfléchies par le gisement d'hydrocarbures souterrain. Le procédé consiste en outre à (A) acquérir des premières données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de 35 détecteurs et dues aux ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique, pendant une durée pouvant atteindre une semaine, et (B) acquérir des deuxièmes données relatives aux ondes détecteurs et dues générées par la source durée pouvant atteindre électromagnétiques grille de détectées par la aux ondes électromagnétiques électromagnétique, pendant une une semaine, à un intervalle de temps d'au moins deux mois de l'acquisition des premières données. Enfin, le procédé comprend traiter 10 les premières données et les deuxièmes données pour identifier des changements du gisement d'hydrocarbures souterrain. Selon un autre exemple de mode de réalisation, il existe un procédé pour former globalement une image 15 d'une formation rocheuse, comprenant l'acquisition de données relatives aux ondes électromagnétiques réfléchies par des interfaces entre des couches de différente résistivité dans une formation rocheuse, en utilisant des centaines de capteurs en un agencement 20 bidimensionnel, dans lequel les données sont acquises pendant au moins deux périodes distinctes espacées d'au moins deux mois l'une de l'autre. Le procédé comprend en outre corréler les données avec des informations concernant les ondes électromagnétiques dirigées vers 25 la formation rocheuse qui ont été réfléchies par les interfaces, pour déterminer une profondeur des interfaces. Le procédé comprend également générer un ensemble de données à quatre dimensions sur la base des données pour surveiller l'évolution des couches dans la 30 formation rocheuse. Brève description des dessins Pour une compréhension plus complète de la présente invention, il est fait référence maintenant aux descriptions qui suivent considérées conjointement avec les dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe d'un système de mesure pour un procédé classique d'étude de la 5 structure de formations souterraines en utilisant des mesures électromagnétiques ; la figure 2 est un schéma de principe d'un système de mesure pour étudier la structure de formations souterraines en utilisant des mesures 10 électromagnétiques selon un exemple de mode de réalisation ; la figure 3 est un schéma de principe d'un système de mesure pour étudier la structure de formations souterraines en utilisant des mesures 15 électromagnétiques et sismiques selon un autre exemple de mode de réalisation ; la figure 4 est un organigramme d'un procédé pour surveiller un gisement d'hydrocarbures souterrain selon un exemple de mode de réalisation ; et 20 la figure 5 est un organigramme d'un procédé pour former globalement une image d'une formation rocheuse selon un autre exemple de mode de réalisation. Description détaillée de l'invention 25 La description qui suit des exemples de modes de réalisation fait référence aux dessins joints. Les mêmes numéros de référence sur différents dessins identifient des éléments identiques ou similaires. La description détaillée qui suit ne limite pas 30 l'invention. Au lieu de cela, l'étendue de l'invention est définie par les revendications jointes. Les modes de réalisation qui suivent sont examinés, par souci de simplicité, en relation avec la terminologie et la structure d'un système de mesure électromagnétique pour 35 étudier la structure de formations souterraines. Une référence dans toute la description à « un mode de réalisation » signifie qu'une fonction, une structure ou une caractéristique particulière décrite en relation avec un mode de réalisation est incluse 5 dans au moins un mode de réalisation de l'objet présenté. Ainsi, l'apparition de l'expression « dans un mode de réalisation » à divers emplacements dans toute la description ne fait pas nécessairement référence au même mode de réalisation. En outre, les fonctions, 10 structures ou caractéristiques particulières peuvent être combinées de n'importe quelle manière appropriée dans un ou plusieurs modes de réalisation. La figure 2 est un schéma de principe d'un système de mesure 100 pour étudier la structure de formations 15 rocheuses en utilisant des mesures électromagnétiques selon un exemple de mode de réalisation. Une source électromagnétique 110 située à une profondeur connue (prédéterminée) h à l'intérieur de la formation rocheuse 115 génère un champ électromagnétique. La 20 profondeur h est généralement inférieure, mais elle peut également être supérieure, à la profondeur du gisement lui-même. La source électromagnétique 110 peut comprendre des électrodes plantées dans le sol. Des électrodes enterrées préexistantes peuvent être 25 utilisées ou, en variante, un courant jusqu'à 10 A peut être injecté directement dans des trous de forage existants. L'amplitude et la fréquence du courant sont telles qu'il peut atteindre la cible. La profondeur de la source, la fréquence et l'intensité du courant sont 30 liées à la profondeur de la cible par des relations bien établies par la technique. Une grille de détecteurs électromagnétiques (récepteurs) 120 est disposée sur la surface 117 de la formation rocheuse 115 étudiée. Par exemple, la grille 35 120 est réalisée par 100 récepteurs par km carré, l'extension finale de la grille étant liée à la profondeur de la cible. Les bruits naturels et artificiels sont réduits en émettant des excitations électromagnétiques et en enregistrant les données électromagnétiques sur une longue période de temps (qui peut atteindre deux semaines d'émission continue). Le nombre de séries temporelles nécessaires pour obtenir un rapport signal sur bruit correct, qui est une caractéristique pour la 10 zone, la profondeur jusqu'à la cible et la géométrie réelle, est déterminé avant de débuter l'acquisition réelle de données, par un enregistrement passif du bruit (en l'absence des excitations électromagnétiques) et un empilage vertical des séries temporelles 15 enregistrées. Par opposition aux procédés classiques dans lesquels des données électromagnétiques sont acquises dans dix canaux au plus en utilisant des enregistreurs de données à cinq canaux, ici, les données de centaines 20 de capteurs dans la grille sont acquises et enregistrées simultanément en utilisant des enregistreurs de données sismiques qui peuvent traiter des dizaines de milliers de canaux. La grille de détecteurs électromagnétiques 120 25 peut être située directement au-dessus de la source électromagnétique 110 ou peut être décalée par rapport à la source. Dans un autre mode de réalisation, des données obtenues en utilisant plusieurs grilles de détecteurs électromagnétiques et une seule source 30 électromagnétique peuvent être assemblées pour générer une image 3D d'un gisement. En variante, une grille de détecteurs électromagnétiques peut acquérir des données relatives à plusieurs sources électromagnétiques séquentiellement ou simultanément, les données étant ensuite assemblées pour générer l'image 3D globale d'un gisement. Des informations (données) concernant les ondes électromagnétiques réfléchies par un gisement 130 situé à une profondeur H (où H n'est pas nécessairement inférieur à h) sont acquises par les détecteurs électromagnétiques individuels sur la grille de détecteurs électromagnétiques 120. Les données sont acquises sur des périodes de temps étendues, par exemple, jusqu'à quelques semaines. La grille de détecteurs électromagnétiques 120 et la source électromagnétique 110 restent à leur emplacement (c'est-à-dire, ne sont pas déplacées ou retirées) pendant de longues périodes (par exemple, de manière permanente). Ainsi, des mesures avec la même configuration de mesure électromagnétique peuvent être effectuées à des intervalles de plusieurs mois (par exemple, au moins deux mois) ou même de plusieurs années. La conservation de la configuration de mesure a pour avantage de diminuer les distorsions (bruit) dues au repositionnement des capteurs. Les données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de détecteurs électromagnétiques 120 sont traitées par une unité de traitement de données 140. L'unité de traitement de données 140 peut n'effectuer qu'un filtrage et/ou un prétraitement initiaux des données et peut ensuite mémoriser les données filtrées et prétraitées initialement dans une mémoire 150 pour un traitement ultérieur. Ce système de mesure électromagnétique fournit l'opportunité de générer une formation d'image 3D du gisement 130 grâce à la grille 2D de détecteurs 120. Par l'acquisition de données à de grands intervalles de temps, ce système de mesure fournit l'opportunité d'une surveillance en 4 dimensions d'un gisement. L'unité de traitement 140 peut également recevoir et combiner les données acquises pendant une étude 5 sismique (c'est-à-dire, en utilisant des ondes acoustiques) du gisement avec les données relatives aux ondes électromagnétiques détectées. La mesure sismique peut être effectuée en parallèle avec la mesure électromagnétique. La source sismique et les récepteurs 10 sismiques utilisés pour l'étude sismique peuvent également être installés de manière permanente pour effectuer des mesures à de grands intervalles de temps en utilisant la même configuration de mesure. La figure 3 illustre un système de mesure 101 15 configuré pour combiner une mesure électromagnétique avec une mesure sismique. Le système de mesure 101 comprend des sources électromagnétiques 111 et une grille de détecteurs électromagnétiques 121 connectées à une unité de traitement de données 141. Une ou 20 plusieurs sources sismiques et des récepteurs sismiques 160 sont placés dans les puits, par exemple, comme pour les systèmes décrits dans le brevet US 6 182 082 ou 7 388 811. Cette ou ces sources sismiques et ces récepteurs sismiques sont configurés pour générer des 25 ondes sismiques dans la formation rocheuse et pour recevoir les ondes sismiques réfléchies, respectivement. La ou les sources sismiques et les récepteurs sismiques sont connectés à l'unité de traitement de données 141. En plus d'être configurée 30 pour traiter les données électromagnétiques, l'unité de traitement de données 141 est également configurée pour traiter les données sismiques comprenant des informations concernant les ondes sismiques réfléchies. Un procédé 200 pour surveiller un gisement 35 d'hydrocarbures souterrain selon un mode de réalisation est illustré sur la figure 4 . Le procédé 200 comprend le placement eune source électromagnétique à une profondeur prédéterminée dans une formation rocheuse et une grille de détecteurs électromagnétiques sur une surface de la formation rocheuse, en S210. La source électromagnétique et la grille de détecteurs électromagnétiques sont agencées de sorte que les détecteurs électromagnétiques détectent les ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique et réfléchies par le gisement d'hydrocarbures souterrain. Le procédé 200 consiste en outre à acquérir des premières données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de 15 détecteurs et dues aux ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique pendant un premier intervalle de temps, en S220, et acquérir des deuxièmes données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de 20 détecteurs et dues aux ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique pendant un deuxième intervalle de temps, le deuxième intervalle de temps étant au moins deux mois après le premier intervalle de temps, en S230. 25 Enfin, le procédé 200 consiste à traiter les premières données et les deuxièmes données pour identifier les changements du gisement d'hydrocarbures souterrain, en S240. A la différence de la surveillance puits-à-puits, 30 dans laquelle des images 2D sensiblement verticales du gisement entre les puits sont générées, le procédé d'étude de formations souterraines en utilisant la configuration de mesure électromagnétique illustrée sur la figure 2 produit une image 3D globale du gisement en utilisant les détecteurs situés au niveau d'une interface entre la formation rocheuse et l'air. Cependant, la configuration de mesure décrite ci- dessus peut être utilisée pour former globalement une 5 image d'une formation rocheuse indépendamment de la présence ou non d'un gisement d'hydrocarbures souterrain. Un organigramme d'un procédé 300 pour former globalement une image d'une formation rocheuse est illustré sur la figure 5. Le procédé 300 comprend 10 acquérir des données relatives aux ondes électromagnétiques réfléchies par des interfaces entre des couches de différente résistivité dans une formation rocheuse, en utilisant des centaines de capteurs en un agencement bidimensionnel, dans lequel 15 les données sont acquises pendant au moins deux périodes distinctes espacées d'au moins deux mois l'une de l'autre en S310. Le procédé 300 comprend en outre corréler les données avec des informations concernant les ondes 20 électromagnétiques dirigées vers la formation rocheuse qui ont été réfléchies par les interfaces, pour déterminer une profondeur des interfaces en S320. Le procédé 300 comprend également générer un ensemble de données à quatre dimensions sur la base des données 25 pour surveiller l'évolution des couches dans la formation rocheuse en S330. Le procédé 300 comprend en outre acquérir des données sismiques relatives aux ondes sismiques réfléchies par les interfaces entre les couches de la 30 formation rocheuse, et combiner les données sismiques avec l'ensemble de données à quatre dimensions pour identifier les changements des couches dans la formation rocheuse. Les exemples de modes de réalisation présentés 35 fournissent des procédés pour étudier ou surveiller la structure de formations souterraines en utilisant des mesures électromagnétiques. On devrait comprendre que cette description n'est pas destinée à limiter l'invention. Au contraire, les exemples de modes de réalisation sont destinés à couvrir les variantes, modifications et équivalents, qui sont inclus dans l'esprit et l'étendue de l'invention telle que définie par les revendications jointes. En outre, dans la description détaillée des exemples de modes de 10 réalisation, de nombreux détails spécifiques sont exposés afin de fournir une compréhension complète de l'invention revendiquée. Cependant, un homme du métier comprendrait que divers modes de réalisation peuvent être mis en pratique sans ces détails spécifiques. 15 Bien que les caractéristiques et éléments des présents exemples de modes de réalisation soient décrits dans les modes de réalisation en des combinaisons particulières, chaque caractéristique ou élément peut être utilisé seul sans les autres 20 caractéristiques et éléments des modes de réalisation ou en diverses combinaisons avec ou sans les autres caractéristiques et éléments présentés dans le présent document. Cette description écrite utilise des exemples du 25 sujet présenté pour permettre à toute personne du métier de mettre en pratique le susdit, comprenant la réalisation et l'utilisation de n'importe quels dispositifs ou systèmes et l'exécution de n'importe quels procédés incorporés. L'étendue brevetable du 30 sujet est définie par les revendications, et peut comprendre d'autres exemples qui se présentent aux hommes du métier. Ces autres exemples sont destinés à être dans l'étendue des revendications. REVENDICATIONS1. Système de mesure, comprenant : une source électromagnétique située à une profondeur prédéterminée à l'intérieur d'une formation rocheuse et configurée pour générer des ondes électromagnétiques dans la formation rocheuse ; une grille bidimensionnelle de détecteurs électromagnétiques située sur une surface de la 10 formation rocheuse et configurée pour détecter les ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique et réfléchies par un gisement d'hydrocarbures souterrain ; et une unité de traitement de données configurée pour 15 traiter des premières données et des deuxièmes données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de détecteurs électromagnétiques pour extraire les changement du gisement d'hydrocarbures souterrain, les premières données et les deuxièmes données étant 20 acquises chacune pendant des intervalles de temps respectifs pouvant atteindre une semaine, espacés l'un de l'autre de plus de deux mois, dans lequel la source électromagnétique et la grille de détecteurs électromagnétiques ne sont pas 25 déplacées ou retirées entre l'acquisition des premières données et l'acquisition des deuxièmes données. 2. Système de mesure selon la revendication 1, comprenant en outre : 30 une ou plusieurs sources sismiques et des récepteurs sismiques placés dans des trous à travers la formation rocheuse et configurés pour générer des ondes sismiques dans la formation rocheuse et pour recevoir les ondes sismiques réfléchies par le gisement 35 d'hydrocarbures souterrain, respectivement,dans lequel lesdites une ou plusieurs sources sismiques et les récepteurs sismiques sont connectés à l'unité de traitement de données, qui est en outre configurée pour traiter les données sismiques comprenant des informations concernant les ondes sismiques réfléchies. 3. Système de mesure selon la revendication 1, dans lequel la source électromagnétique, la grille de 10 détecteurs et l'unité de traitement de données sont configurées pour acquérir et traiter les premières données et les deuxièmes données pour observer des changements d'une forme tridimensionnelle globale du gisement d'hydrocarbures souterrain. 15 4. Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité de traitement de données génère un ensemble de données à quatre dimensions relatives à une évolution du gisement, sur la base des premières données et des 20 deuxièmes données. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel la grille de détecteurs comprend des milliers de détecteurs individuels agencés en une densité d'environ 25 cent détecteurs individuels par kilomètre carré. 6. Procédé de surveillance d'un gisement d'hydrocarbures souterrain, le procédé comprenant des étapes consistant à : 30 placer une source électromagnétique à une profondeur prédéterminée dans une formation rocheuse, et une grille de détecteurs électromagnétiques sur une surface de la formation rocheuse de sorte que les détecteurs électromagnétiques détectent les ondes 35 électromagnétiques générées par la sourceélectromagnétique et réfléchies par le gisement d'hydrocarbures souterrain ; acquérir des premières données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de 5 détecteurs et dues aux ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique, pendant un premier intervalle de temps ; acquérir des deuxièmes données relatives aux ondes électromagnétiques détectées par la grille de 10 détecteurs et dues aux ondes électromagnétiques générées par la source électromagnétique, pendant un deuxième intervalle de temps, le deuxième intervalle de temps étant au moins deux mois après le premier intervalle de temps ; et 15 traiter les premières données et les deuxièmes données pour identifier les changements du gisement d'hydrocarbures souterrain. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en 20 outre : placer une source sismique et des détecteurs sismiques de sorte que les détecteurs sismiques détectent les ondes sismiques générées par la source sismique et réfléchies par le gisement d'hydrocarbures 25 souterrain ; et au moins l'un de (A) acquérir des premières données sismiques relatives aux ondes sismiques détectées par les détecteurs sismiques et dues aux ondes de pression 30 générées par la source sismique pendant l'acquisition des premières données, et combiner les premières données et les premières données sismiques pour générer une première image tridimensionnelle du gisement d'hydrocarbures souterrain, et(B) acquérir des deuxièmes données sismiques relatives aux ondes sismiques détectées par les détecteurs sismiques et dues aux ondes de pression générées par la source sismique pendant l'acquisition 5 des deuxièmes données, et combiner les deuxièmes données et les deuxièmes données sismiques pour générer une deuxième image tridimensionnelle du gisement d'hydrocarbures souterrain. 10 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la grille de détecteurs comprend au moins mille détecteurs individuels agencés en une densité d'environ cent détecteurs individuels par kilomètre carré. 15 9. Procédé de formation d'une image globale d'une formation rocheuse, le procédé comprenant des étapes consistant à : acquérir des données relatives aux ondes électromagnétiques réfléchies par des interfaces entre 20 les couches d'une formation rocheuse, en utilisant des centaines de capteurs en un agencement bidimensionnel, dans lequel les données sont acquises pendant au moins deux périodes distinctes espacées d'au moins deux mois l'une de l'autre ; 25 corréler les données avec des informations concernant les ondes électromagnétiques dirigées vers la formation rocheuse qui ont été réfléchies par les interfaces, pour déterminer une profondeur des interfaces ; et 30 générer un ensemble de données à quatre dimensions sur la base des données pour surveiller une évolution des couches dans la formation rocheuse. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant 35 en outre :acquérir des données sismiques relatives aux ondes sismiques réfléchies par les interfaces entre les couches de la formation rocheuse ; et combiner les données sismiques avec l'ensemble de 5 données à quatre dimensions pour identifier les changements des couches dans la formation rocheuse.