Brevet FR3050756A1 — publié le 20171103

B13761FR 1 SONDE D'ANALYSE DES CARACTERISTIQUES DU MILIEU ENTOURANT UN PUITS DE FORAGE NON GAINE Domaine La présente demande concerne le domaine de la prospection pétrolière et plus particulièrement l'analyse des caractéristiques d'un milieu entourant un puits de forage non gainé. Etat de la technique Dans les processus de prospection pétrolière, une des étapes consiste à forer des puits sans tubage ou trous ouverts (en anglais "open fioles"). Ces trous sont remplis d'une boue de 10 forage. On souhaite faire une image du milieu entourant les parois du trou pour analyser la succession de strates géologiques, leur nature, leur inclinaison, la direction de cette inclinaison... Il est connu de faire une image électrique du milieu entourant les parois d'un trou ouvert dans le cas où la boue de 15 forage est à base d'eau salée très conductrice. Pour cela on utilise une sonde faisant circuler du courant électrique dans la paroi du puits, ce qui permet de mesurer la résistance électrique du milieu entourant les parois du puits et de caractériser ce milieu. 20 Toutefois, depuis un certain nombre d'années, on a tendance à utiliser des boues de forage non conductrices à base 3050756 B13761FR 2 d'huile. Le procédé ci-dessus de mesure électrique ne peut alors plus s'appliquer. On propose donc ici de caractériser le milieu entourant un trou ouvert par des moyens magnétiques plutôt que par des 5 moyens électriques. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit une sonde d'analyse des caractéristiques du milieu entourant un puits de forage non gainé comprenant un aimant allongé ; une ceinture de premiers magnétomètres entourant une partie sensiblement centrale de l'aimant ; des seconds magnétomètres liés à l'aimant et disposés à une distance de celui-ci suffisante pour que l'influence du champ de l'aimant ne soit pas perceptible ; et des moyens de traitement des signaux des premier et second magnétomètres. Selon un mode de réalisation, l'aimant est gainé d'une gaine en un matériau de blindage magnétique. Selon un mode de réalisation, des galettes en un matériau de blindage magnétique sont disposées de part et d'autre 20 de l'ensemble de premiers magnétomètres. Selon un mode de réalisation, l'aimant produit un champ au moins 100 fois supérieur à celui du champ magnétique terrestre. Un mode de réalisation prévoit un procédé d'analyse des caractéristiques du milieu entourant un puits de forage non gainé 25 utilisant une sonde telle que ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : mesurer pour plusieurs mêmes positions en profondeur des magnétomètres, le champ recueilli par les seconds magnétomètres et le champ recueilli par les premiers magnétomètres, et 30 soustraire l'un de l'autre les champs mesurés. Selon un mode de réalisation, les mesures sont effectuées tandis que la sonde est remontée vers la surface. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 35 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de 3050756 B13761FR 3 réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure lA est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une sonde dans un trou ouvert ; et 5 la figure 1B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure lA. Description détaillée La présente invention se base sur une étude des caractéristiques magnétiques d'un milieu souterrain sédimentaire. 10 Les formations sédimentaires contiennent des éléments ferromagnétiques et des éléments paramagnétiques. La quantité d'éléments paramagnétiques dépend de la nature du sédiment par exemple grès, argile ou calcaire. Les éléments ferromagnétiques sont aimantés (orientés) 15 en fonction du champ magnétique de l'époque de leur dépôt. Il s'agit là de ce que l'on appelle ARN (aimantation rémanente naturelle, en anglais NRM natural remanent magnetisation). Les éléments paramagnétiques ne sont pas figés dans leur aimantation et, en présence d'un champ appliqué, acquièrent une aimantation induite. Ces éléments s'orientent naturellement en fonction du champ magnétique terrestre actuel. Cette capacité des éléments à s'orienter correspond à la susceptibilité magnétique x avec, vectoriellement, M = xH, M étant l'aimantation des éléments et H le champ appliqué. La susceptibilité magnétique x dépend de la nature des couches et présente une plage de variation importante pour les différentes formations sédimentaires courantes. Ainsi, on a déterminé que la susceptibilité magnétique x varie par exemple entre des valeurs basses de l'ordre de 10-6 pour des calcaires purs jusqu'à des valeurs de l'ordre de 10-2 pour des argiles. On notera que cette plage de variation de x, de 4 ordres de grandeur, est particulièrement importante. Dans le cas de mesures électriques, la plage de variation de la conductivité, en siemens par mètre, n'est que de 3 ordres de grandeur, entre 10-4 et 10-1. Ainsi, une mesure une susceptibilité magnétique permet de déterminer avec plus de contraste le milieu à analyser. 3050756 B13761FR 4 On cherche donc à mesurer x. Des mesures directes de variations d'aimantation dans un puits se heurtent à de nombreuses difficultés. En effet, les champs magnétiques dans un puits résultent d'une part des éléments ferromagnétiques d'autre part 5 des éléments paramagnétiques soumis au champ magnétique terrestre. La figure lA représente une sonde permettant ces mesures de champ et la compensation de champs parasites. Cette sonde comprend un aimant 1 de grande longueur (par exemple 15 centimètres à 1 mètre) ayant des pôles nord et sud, N 10 et S. L'aimant 1 est disposé dans le puits (vertical ou incliné) et a un diamètre externe inférieur au diamètre interne du puits, qui est couramment de l'ordre de 15 à 30 centimètres. Cet aimant, en induisant un champ sensiblement plus élevé que le champ magnétique terrestre, apporte un double avantage. D'une part, 15 l'aimantation induite qu'il va produire est nettement plus élevée que celle produite par le champ magnétique terrestre qui est alors du second ordre. Ainsi, la valeur de l'aimantation induite correspond à la sensibilité des magnétomètres disponibles sur le marché. D'autre part, l'aimant va induire un champ colinéaire à 20 l'axe du dispositif ce qui n'est pas le cas du champ magnétique terrestre dont la direction est quelconque par rapport à l'axe du dispositif. Ceci représente un avantage nécessaire à l'obtention d'une image régulière de la paroi du puits. L'aimant 1 est entouré d'une couronne de magnétomètres 3 représentée schématiquement en 25 vue de dessus en figure 1B. La couronne 3 est éloignée des extrémités de l'aimant 1 et est de préférence disposée dans une partie sensiblement centrale de l'aimant. Cette partie sensiblement centrale a par exemple une hauteur correspondant à la moitié de la longueur de l'aimant. 30 La sonde comprend en outre, à une distance L du pôle supérieur de l'élément un boîtier 10 comprenant un ensemble de magnétomètres 11 éloignés de l'aimant 1 d'une distance L. La distance L est choisie pour que, au niveau des magnétomètres 11, le champ produit par l'aimant 1 ne soit pas perceptible, c'est-à- 35 dire qu'il soit négligeable par rapport au champ produit par cet 3050756 B13761FR 5 aimant au voisinage de son milieu, de préférence au moins 0,01 fois plus faible. Le boîtier 10 comprend également des dispositifs électroniques de traitement et de transmission de signaux. Le boîtier 10 est lié mécaniquement à l'aimant, par exemple par des 5 tiges 12. L'ensemble de l'aimant 1 et du boîtier 10 est lié à un câble de liaison 14 assurant une fonction de liaison mécanique et une fonction de liaison électrique et électronique. Le câble 14 permet d'assurer la montée et la descente de la sonde et de transmettre les signaux fournis par les circuits électriques et 10 électroniques contenus dans le boîtier 10 vers la surface. On peut prévoir des liaisons par câble ou par voie électromagnétique entre les magnétomètres 3 et les circuits électroniques du boîtier 10. Les magnétomètres 3 mesurent un champ Bil résultant, à l'emplacement où ils sont situés, du champ magnétique terrestre, 15 du champ créé par l'aimant 1 et du champ fourni par l'aimantation des divers éléments environnants contenus dans le milieu entourant le trou ouvert. Ce champ Bit est égal à : Bil - Bemf + Biemf + Bnrm + B + Bi, où : 20 Bemf désigne une composante liée au champ magnétique terrestre (emf étant un sigle correspondant à l'expression anglaise "Earth's Magnetic Field"), Biemf désigne une composante correspondant à l'aimantation des éléments paramagnétiques induite par le champ magnétique 25 terrestre, Bnrm désigne une composante correspondant à l'aimantation rémanente naturelle des éléments ferromagnétiques contenus dans le milieu, B désigne une composante liée au champ créé par l'aimant 1, et 30 Bi désigne une composante correspondant à l'aimantation des éléments paramagnétiques induite par l'aimant 1. Les magnétomètres 11 analysent le milieu qui les entoure non soumis au champ de l'aimant 1 et mesurent un champ Bi2 tel que : 35 Bi2 - Bemf + Biemf + Bnrm- 3050756 B13761FR 6 En fonctionnement, la sonde est entraînée régulièrement, continûment ou par paliers. Pour différentes cotes en profondeur dans le puits, on détermine les signaux recueillis par les magnétomètres 11 puis les signaux recueillis aux mêmes cotes par les 5 magnétomètres 3. Ces signaux sont mémorisés et traités, ou bien au niveau du dispositif 10 ou bien en surface. Par soustraction des mesures des magnétomètres 3 et des mesures des magnétomètres 11, pour une même cote on obtient une mesure Bi3 10 Bi3 = B + Bi, où B est une constante correspondant à l'effet direct du champ de l'aimant 1 et où Bi correspond à l'aimantation xH, H étant le champ provoqué par l'aimant 1. On obtient ainsi un moyen de mesure de x, le champ H de l'aimant étant constant. 15 Pour affranchir autant que possible les magnétomètres 3 de l'influence directe de l'aimant 1, cet aimant est de préférence entouré d'une gaine ou "chaussette" de blindage 15 de sorte que les lignes de champ de l'aimant ne sortent et ne rentrent que par ses pôles nord et sud, N et S. En outre, on peut prévoir des 20 galettes 17 et 18 en un matériau de blindage magnétique de part et d'autre de l'ensemble de magnétomètres 3. Le matériau de blindage est par exemple du p métal ou un nanofilm présentant des propriétés similaires. Les magnétomètres sont disposés aussi près que possible des parois du puits, l'ensemble de ces magnétomètres 25 et des galettes 17 et 18 étant de préférence montés sur patins pour bien glisser à distance constante, de préférence inférieure à 1 cm des parois du puits. On notera que les galettes de blindage 17, 18 peuvent être remplacées par des bobines de compensation produisant un champ propre à compenser le champ direct de 30 l'aimant. Par ailleurs, on notera que les mesures sont de préférence effectuées à la remontée de la sonde comprenant l'aimant 1, les magnétomètres 3 et l'ensemble de mesure 10 disposé à un distance L de l'aimant. En effet, à la descente, la sonde descend 35 sous l'effet de son poids et cette descente peut être chaotique. 3050756 B13761FR 7 Tandis qu'à la remontée, la sonde est tirée par un câble et la remontée peut être bien régulière. Pour la réalisation de l'aimant 1 de grande longueur, on pourra prévoir un aimant en trois parties, comprenant un 5 barreau central en fer doux ou en un matériau équivalent et des aimants disposés aux deux extrémités de ce barreau de fer doux. Une pièce polaire en fer doux pourra aussi être ajoutée à chaque extrémité de l'aimant ci-dessus avec comme objectif de diriger les lignes de champ vers l'intérieur de la roche sédimentaire à 10 aimanter. En pratique, on a déterminé que, en utilisant un aimant 1 fournissant un champ sensiblement 100 fois supérieur à celui du champ magnétique terrestre, il est possible avec des magnétomètres courants de détecter les signaux à mesurer (les champs produits 15 par les éléments paramagnétiques) avec une sensibilité et un contraste suffisants. On pourra rendre les magnétomètres plus directifs en prévoyant en outre entre les magnétomètres des partitions radiales 20 visibles en figure 1B, également en un matériau de blindage 20 tel que du p métal. La sonde est susceptible de nombreuses variantes. En particulier, bien que l'aimant 1 ait été décrit comme disposé en dessous du dispositif de traitement 10, cette disposition pourrait être inversée. De plus, le bloc comprenant les seconds magnéto- 25 mètres pourrait être dissocié du bloc comprenant les circuits de traitement et de transmission. On pourra associer à la sonde de mesure de susceptibilité magnétique décrite ci-dessus une sonde de mesure du rayonnement gamma émis par le milieu considéré. Le rayonnement 30 gamma émis par les roches permet d'identifier grossièrement la lithologie. Une telle sonde de mesure du rayonnement gamma peut être utilisée aux fins de corréler entre elles les différentes mesures physiques effectuées dans un forage. Il est aussi à noter que la corrélation/anticorrélation entre le rayonnement gamma et REVENDICATIONS1. Sonde d'analyse des caractéristiques du milieu entourant un puits de forage non gainé comprenant : un aimant allongé (1) ; une ceinture de premiers magnétomètres (3) entourant une 5 partie sensiblement centrale de l'aimant ; des seconds magnétomètres (11) liés à l'aimant et disposés à une distance de celui-ci suffisante pour que l'influence du champ de l'aimant ne soit pas perceptible ; et des moyens de traitement des signaux des premier et 10 second magnétomètres. 2. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle l'aimant est gainé d'une gaine (15) en un matériau de blindage magnétique. 3. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle des 15 galettes (17, 18) en un matériau de blindage magnétique sont disposées de part et d'autre de l'ensemble de premiers magnétomètres (3). 4. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle l'aimant produit un champ au moins 100 fois supérieur à celui du 20 champ magnétique terrestre. 5. Procédé d'analyse des caractéristiques du milieu entourant un puits de forage non gainé utilisant une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant les étapes suivantes : 25 mesurer pour plusieurs mêmes positions en profondeur des magnétomètres, le champ recueilli par les seconds magnétomètres et le champ recueilli par les premiers magnétomètres, et soustraire l'un de l'autre les champs mesurés. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les 30 mesures sont effectuées tandis que la sonde est remontée vers la surface.