Brevet FR3101961A1 — publié le 20210416

L’invention concerne un procédé de prospection géophysique, dans lequel on utilise un système électromagnétique à source contrôlée pour analyser la structure du sous-sol, dans lequel on dispose dans le sous-sol d’au moins une longue électrode alimentée par un courant alternatif de fréquence variable, et on réalise des mesures d’un champ électromagnétique total en surface, caractérisé en ce que l’on réalise les étapes suivantes : - on détermine une résistivité apparente pour chaque mesure à une fréquence donnée en une station donnée à partir desdites mesures du champ électromagnétique en surface et en calculant une répartition du courant le long de la longue électrode ; - on déduit de ces valeurs de résistivités apparentes une information qualitative sur des structures du sous-sol. Figure pour l’abrégé : figure 2 Procédé de prospection géophysique de type CSEM utilisant une longue électrode pour l’injection du courant source L’invention concerne le domaine de la prospection géophysique et, plus particulièrement celui des levés électromagnétiques. Plus précisément, l'invention concerne le domaine des techniques à source électromagnétique contrôlée, dites techniques CSEM (de l’anglais « Controlled-Source ElectroMagnetics »), pour des applications géophysiques de reconnaissance ou de surveillance. On connait de nombreuses techniques électromagnétiques permettant de caractériser par le paramètre résistivité électrique une zone d’étude, c’est-à-dire une zone du sous-sol pour laquelle on souhaite déterminer des caractéristiques structurelles et/ou physiques : successions des couches géologiques, nature de ces couches, présence de minéraux conducteurs, d’hydrocarbures résistants, stockages de gaz… De telles techniques sont notamment proposées dans des procédés de surveillance d’un site de stockage de CO 2 , pour détecter une éventuelle fuite au-dessus du réservoir géologique dans lequel le gaz est stocké. De telles techniques peuvent également être utilisées pour la surveillance de procédé du type injection/fracturation. Théoriquement, deux types de source peuvent être utilisés en CSEM : les sources inductives (boucles de courant fermées, sans contact avec le sol, générant principalement du champ magnétique) et les sources galvaniques (circuits de courant ouverts, connectés à la terre à leurs deux extrémités, générant principalement du champ électrique). Cependant, depuis le développement du CSEM pétrolier marin dans les années 2000, le mot CSEM a tendance à désigner exclusivement les techniques à source galvanique (qui sont effectivement les plus efficaces pour détecter des masses d’hydrocarbure résistantes dans des environnements plus conducteurs). Dans la description de la demande, le terme CSEM est utilisé pour désigner des techniques CSEM utilisant des sources galvaniques. Comme dans toute méthode active, on génère artificiellement un champ électromagnétique primaire dans la zone d’intérêt. Ce champ est une superposition de champ électrique et magnétique. Pour une source galvanique, on s’intéressera surtout à la composante électrique, qui est à la fois la plus forte et la plus informative. Ce champ interagit avec les masses hétérogènes du sous-sol, qui génèrent en retour un champ secondaire. La mesure en surface du champ total (primaire et secondaire) nous renseigne sur les propriétés du volume de terrain principalement compris entre l’émetteur et le récepteur. Une telle technique nécessite donc au moins une source, pour engendrer le champ électromagnétique primaire, et au moins un récepteur, pour mesurer la réponse du sous-sol. La mesure est répétée à différentes fréquences. Comme déjà évoqué, les sources galvaniques injectent directement du courant électrique dans le sol par le biais d’électrodes plantées aux deux extrémités du circuit d’émission, reliées aux bornes positive et négative d’un générateur de courant de forte puissance. Ces électrodes sont usuellement des piquets métalliques de quelques décimètres de long, considérés comme ponctuels. Lorsqu’au moins un tubage métallique profond ( i.e. atteignant la profondeur de la cible) est disponible sur la zone d’étude, on peut l’utiliser comme une longue électrode pour injecter le courant directement dans la structure cible, selon un principe proche de la Mise à la Masse (MAM). Une véritable MAM supposerait que la structure cible soit conductrice (masse électrique) et que le courant y soit amené via un câble gainé n’échangeant pas de courant avec le sol. Ce type d’injection faisant appel à une (ou deux) longue(s) électrode(s) est dénommé LEMAM (pour Long-Electrode Mise-à-la-Masse) mais est connu sous d’autres noms dans la littérature (par exemple Tubel, ou « Energized Casing »). La réponse électromagnétique du sous-sol mesurée aux divers récepteurs est ensuite traitée et analysée (modélisation, inversion…) pour estimer la distribution spatiale de la résistivité électrique et en déduire une image simplifiée de la structure souterraine de la zone d’étude. Quand un tubage métallique est utilisé pour l’un des pôles d’injection, les traitements précédents ont besoin de connaître la répartition précise du courant électrique le long de cette électrode. En effet, le tubage étant en contact électrique avec la formation, le courant source s’en échappe à toutes les profondeurs et son intensité diminue donc régulièrement quand on s’éloigne du point d’alimentation. Ainsi, si l’alimentation se fait en tête de tubage (« top LEMAM »), le courant passera de la valeur I 0 fournie par le générateur en surface, jusqu’à un courant quasi-nul à la base du tubage. Une approche simplificatrice usuelle appelée « approximation du fil infiniment mince et infiniment conducteur » (Kauahikaua, 1980) consiste à supposer que, dans un sous-sol homogène, le courant s’échappe de manière uniforme sur toute la longueur de l’électrode, ce qui sous-entend que le courant I circulant le long de l’électrode décroît linéairement en fonction de la profondeur z : I = I 0 ×(1- z /z max ). Cette hypothèse simplificatrice se vérifie assez bien pour des électrodes, courtes et de gros diamètres, enfouies dans des milieux homogènes assez résistants (guides de courant quasi-parfaits). Cependant, elle ne reflète pas du tout la réalité pour de longues électrodes dans des terrains conducteurs, en particulier si la section de métal est faible. Dans le cadre de l’invention, on appelle « longue électrode » une électrode ayant une longueur de quelques centaines de mètres, c’est-à-dire ayant une longueur supérieure à environ 100m et pouvant atteindre plusieurs kilomètres de long. En outre, si la fréquence n’est pas nulle ( i.e. courant alternatif), les phénomènes sont encore plus complexes, avec des zones où le courant circule à l’envers et remonte vers le point d’alimentation. Le cas des encaissants stratifiés augmente encore le niveau de complexité. Pour améliorer la détermination de la distribution de courant dans la longue électrode, on connaît d’autres techniques plus rigoureuses, basées sur des méthodes d’équation intégrale. Nous pouvons distinguer deux grands groupes de publications : a) Celles qui s’adressent à un problème de communication de données numériques entre la tête et le fond du puits, dans un contexte de diagraphies instantanées en cours de forage : dans ce cas, la source est un courant imposé dans une portion basse du train de tiges (via une tige d’émission spécifique, non métallique). Il s’agit alors d’une source de type dipôle électrique, connue sous le nom de « delta-gap », caractérisée par des courants orientés partout dans le sens du dipôle source (du moins en courant continu). Dans ce cas, la longue électrode (qui est ici le train de tige) peut être modélisée comme une antenne émettrice (qualifiée aussi de « longue électrode active »). Cette configuration est décrite par exemple dans les deux documents suivants : - Wei Y., 2013, Propagation of Electromagnetic Signal along a Metal Well in an Inhomogeneous medium. Thèse de doctorat , Faculty of Information Technology, Mathematics and Electrical Engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway. - DeGauque P. et Grudzinski R., 1987, Propagation of electromagnetic waves along a drillstring of finite conductivity. SPE Drilling Engineering, June 1987, 127-134. b) Celles qui traitent d’une longue électrode (en général un tubage métallique) destinée à injecter du courant dans le sol. Dans ce cas, la source est généralement un courant imposé en un point du tubage (le plus souvent en tête de puits). Il s’agit alors d’une source « monopolaire » caractérisée par des courants de sens opposés au-dessus et en dessous du point d’injection. Dans ce cas, la longue électrode doit être modélisée comme une antenne réceptrice (qualifiée aussi de « longue électrode passive »). Cette configuration est décrite par exemple dans le document suivant, pour le cas du courant continu (DC), - Schenkel C.J., 1991, The Electrical Resistivity Method in Cased Boreholes . Thèse de doctorat , Engineering Geoscience, Univ. of California, and Earth Science Division, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, California. Cependant aucune de ces techniques ne permet de déterminer avec suffisamment de précision et de rapidité la distribution du courant dans la longue électrode, dans le cas où celle-ci est alimentée par un courant alternatif dans une gamme de fréquence suffisamment large (0-10kHz). Il est donc difficile dans l’état actuel des connaissances d’obtenir des informations qualitatives précises et rapides sur la résistivité du sous-sol. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé de prospection géophysique par méthode CSEM, permettant de déterminer rapidement et avec suffisamment de précision la résistivité apparente du milieu, même avec un courant alternatif ayant une fréquence dans la gamme 0-10kHz, et même en présence d’une longue électrode. Ainsi l’objet de l’invention concerne un procédé de prospection géophysique, dans lequel on utilise un système électromagnétique à source contrôlée pour analyser la structure du sous-sol, dans lequel on dispose dans le sous-sol d’au moins une longue électrode alimentée par un courant alternatif de fréquence variable, et on réalise des mesures d’un champ électromagnétique total en surface, dans lequel on réalise les étapes suivantes : - on détermine une résistivité apparente pour chaque mesure à une fréquence donnée en une station donnée à partir desdites mesures du champ électromagnétique en surface et en calculant une répartition du courant le long de la longue électrode ; - on déduit de ces valeurs de résistivités apparentes une information qualitative sur des structures du sous-sol. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé, prises seules ou en combinaison : - on déduit une information qualitative sur des structures du sous-sol au moyen d’un ajustement d’un modèle par un processus itératif d’inversion ; - on mesure le champ électromagnétique pour un ensemble de fréquences comprises entre 0.01kHz et 10kHz ; - on détermine, pour chaque fréquence, la résistivité apparente en réalisant les étapes suivantes : - on détermine un champ électromagnétique estimé à partir de la répartition du courant le long de l’électrode ; - on détermine la résistivité apparente comme étant la résistivité qui minimise l’écart entre le champ électromagnétique mesuré en surface, et le champ électromagnétique estimé à l’étape précédente ; - on détermine la répartition du courant le long de l’électrode au moyen d’une méthode par équation intégrale, dans laquelle on discrétise l’électrode verticalement en un ensemble de cellules, et on résout un système linéaire reliant les courants en chaque cellule au courant imposé dans la cellule source en tenant compte de la résistance linéique de l’électrode via une matrice de couplage ; - au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine chaque terme diagonal de la matrice de couplage en calculant la somme des autres éléments d’une même ligne ; - au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine les termes non diagonaux A ik de la matrice de couplage de la façon suivante : - en milieu infini homogène, on utilise la formule suivante : - en demi-espace, on utilise la formule suivante : Où : ρ est la résistivité α est le rayon du tubage dlz est la hauteur de la cellule est le coefficient d’induction propre au champ radial est le coefficient d’induction propre au champ orthoradial k est le nombre d’onde complexe du milieu dz est la différence de profondeur entre les points C k et A i est le rayon vecteur joignant ces deux points, avec im est un indice faisant référence à l’image électrique du dipôle J k , dz im étant la différence de profondeur entre les centres des cellules C -k et A i , et étant le rayon vecteur joignant ces deux points, avec . - au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine les termes diagonaux de la matrice de couplage en réalisant les étapes suivantes : - on calcule des termes non diagonaux A ik sta à fréquence nulle par la formule suivante, si le milieu est infini homogène : ou par la formule suivante si on est en demi-espace homogène : - à partir des termes A ik sta on calcule des termes diagonaux A ii sta à fréquence nulle en calculant la somme des autres éléments de la même ligne : - on multiplie les termes A ii sta par un terme d’induction fonction de la fréquence. - dans le procédé, on utilise la relation : - l’électrode est constituée par un tubage ayant une longueur supérieure à 500m ; L’invention concerne également un procédé de surveillance d’un site de stockage de CO 2 dans un réservoir géologique, dans lequel on discrimine qualitativement ou quantitativement la présence de plusieurs bulles de CO 2 superposées, en appliquant au sous-sol contenant le réservoir géologique, le procédé de prospection géophysique selon l’invention à plusieurs intervalles de temps successifs. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : la figure 1 illustre le principe de la technique de sondage électromagnétique à source contrôlée, dite technique CSEM, dans le cas particulier où une longue électrode est reliée au pôle négatif du générateur de courant (pôle B) ; la figure 2 illustre les étapes du procédé selon l’invention ; la figure 3 illustre le principe de discrétisation et de calcul de la distribution du courant le long d’une longue électrode. Procédé de prospection géophysique, dans lequel on utilise un système électromagnétique à source contrôlée pour analyser la structure du sous-sol, dans lequel on dispose dans le sous-sol d’au moins une longue électrode alimentée par un courant alternatif de fréquence variable, et on réalise des mesures d’un champ électromagnétique total en surface, caractérisé en ce que l’on réalise les étapes suivantes : - on détermine une résistivité apparente pour chaque mesure à une fréquence donnée en une station donnée à partir desdites mesures du champ électromagnétique en surface et en calculant une répartition du courant le long de la longue l’électrode ; - on déduit de ces valeurs de résistivités apparentes une information qualitative sur des structures du sous-sol. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on déduit une information qualitative sur des structures du sous-sol au moyen d’un ajustement d’un modèle par un processus itératif d’inversion. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on mesure le champ électromagnétique pour un ensemble de fréquences comprises entre 0.01kHz et 10kHz Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on détermine, pour chaque fréquence, la résistivité apparente en réalisant les étapes suivantes : - on détermine un champ électromagnétique estimé à partir de la répartition du courant le long de l’électrode ; - on détermine la résistivité apparente comme étant la résistivité qui minimise l’écart entre le champ électromagnétique mesuré en surface, et le champ électromagnétique estimé à l’étape précédente. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on détermine la répartition du courant le long de l’électrode au moyen d’une méthode par équation intégrale, dans laquelle on discrétise l’électrode verticalement en un ensemble de cellules, et on résout un système linéaire reliant les courants en chaque cellule au courant imposé dans la cellule source en tenant compte de la résistance linéique de l’électrode via une matrice de couplage. Procédé selon la revendication 5, dans lequel au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine chaque terme diagonal de la matrice de couplage en calculant la somme des autres éléments d’une même ligne. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine les termes non diagonaux Aik de la matrice de couplage de la façon suivante : - en milieu infini homogène, on utilise la formule suivante : - en demi-espace, on utilise la formule suivante : Où : ρ est la résistivité α est le rayon du tubage dlz est la hauteur de la cellule est le coefficient d’induction propre au champ radial est le coefficient d’induction propre au champ orthoradial k est le nombre d’onde complexe du milieu dz est la différence de profondeur entre les points C k et A i est le rayon vecteur joignant ces deux points, avec im est un indice faisant référence à l’image électrique du dipôle J k , dz im étant la différence de profondeur entre les centres des cellules C -k et A i , et étant le rayon vecteur joignant ces deux points, avec . Procédé selon la revendication 7, dans lequel au cours de la méthode par équation intégrale, on détermine les termes diagonaux de la matrice de couplage en réalisant les étapes suivantes : - on calcule des termes non diagonaux A ik sta à fréquence nulle par la formule suivante, si le milieu est infini homogène : ou par la formule suivante si on est en demi- espace homogène : - à partir des termes A ik sta on calcule des termes diagonaux A ii sta à fréquence nulle en calculant la somme des autres éléments de la même ligne : - on multiplie les termes A ii sta par un terme d’induction fonction de la fréquence. Procédé selon la revendication 8, dans lequel : Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’électrode est constituée par un tubage ayant une longueur supérieure à 500m. Procédé de surveillance d’un site de stockage de CO 2 dans un réservoir géologique, dans lequel on discrimine qualitativement ou quantitativement la présence de plusieurs bulles de CO 2 superposées, en appliquant au sous-sol contenant le réservoir géologique, le procédé de prospection géophysique selon l’une des revendications 1 à 10 à plusieurs intervalles de temps successifs.