FR 2615899 A1 19881202 FR 8806630 A 19880518 PROCEDE DE MESURE DE L'AZIMUT DANS UN TROU DE FORAGE PENDANT LE FORAGE La présente invention concerne la mesure des trous de forage. Cette invention se rapporte plus particu- lièrement aux problèmes de mesure en cours de forage(MWD) et à un procédé pour mesurer le paramètre d'azimut lorsque la colonne de forage est en rotation. La solution classique utilisée pour les systèmes MWD consiste à faire certaines lectures ou contrôles des paramètres du trou de forage uniquement lorsque la colonne de forage n'est pas en rotation. Le brevet US n 4,013,945, attribué au demandeur du présent brevet,a décrit et revendiqué un appareil pour détecter l'absence de rotation et pour déclencher le fonctionnement de ce secteur de paramètre permettant de déterminer l'azimut et l'incli- naison lorsque l'absence de rotation est constatée. Bien qu'il y ait eu différents motifs pour effectuer différen- tes mesures MWD uniquement en l'absence de rotation de la colonne de forage, un motif principal pour agir ainsi pour les angles d'azimut et d'inclinaison du forage est que les procédés antérieurs pour la mesure ou la détermi- nation de ces angles nécessitent que l'outil soit immobi- le afin d'obtenir des points zéro pour les dispositifs à axe simple ou pour obtenir la moyenne nécessaire lorsqu'on utilise des magnétomètres triaxiaux et des accéléromètres triaxiaux pour déterminer l'azimut et l'inclinaison. Ceci signifie que, si l'on utilise des 1 magnétomètres et des accéléromètres triaxiaux, les mesures individuelles effectuées sur chantier dépendent nécessaire- ment, pour la détermination de l'azimut et de l'inclinaison, de l'angle instantan6 de la face de l'outil au moment o les mesures sont effectuées. Ceci résulte du fait que les lectures sur les axes x et y des magnétomètres et des accéléromètres varient continuellement pendant la rotation, tandis que seules les lectures sur l'axe z restent constantes (quand on parle d'axes x, y et z, la base de référence est le trou de forage (et l'outil de mesure), l'axe z étant disposé suivant -'axe du trou de forage(et de l'outil) tandis que les axes x et y sont mutuellement perpendiculaires à l'axe z et l'un à l'autre. Ce trièdre de référence doit être distingué du trièdre de référence de la terre, avec les directions est(E), nord (N) (ou horizontale) et verticale (D) (ou vers le bas). Il existe toutefois des circonstances o il est particulièrement souhaitable d'être en mesure de déterminer l'azimut et l'inclinaison pendant la rotation de la colonne de forage. Cet impératif a conduit à la présente invention, qui propose un procédé pour mesurer l'azimut et l'inclinaison pendant le forage. Comme exemples de circonstances de ce genre on peut citer (a) les forages o le travail est particulièrement difficile et o toute interruption de la rotation augmenterait les problèmes de blocage de la colonne de forage et (b) les situations o la connaissance du mouvement instantané des outils de coupe est souhaitable, afin de connaître et de prévoir l'avancement réel du forage. On a proposé et utilisé à cet effet un système permettant de connaître l'inclinaison pendant la rotation de la colonne de forage. La présente invention a pour objet de permettre également de déterminer l'azimut pendant la rotation. Conformément à la présente invention,on propose un procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de 1 forage réalisé au moyen d'outils situés à la base de la colonne de forage et qui comprend les phases suivantes: mesurer avec un accéléromètre pendant une période de non-rotation de la colonne de forage, les composantes Gx, Gy et Gz du champ total de la pesanteur Go à l'emplacement de l'instrument; mesurer avec un magnétomètre pendant une période de non-rotation de la colonne de forage les composantes Hx, Hy et Hz du champ magnétique total Ho à ]0 l'emplacement de l'instrument; les composantes Gz et Hz étant parallèles à l'axe de la colonne de forage, tandis que les composantes Gx et les composantes Gy sont orthogonales à Gz et que les composantes Hx et Hy sont orthogonales à Hz; faire tourner ledit magnétomètre avec la colonne de forage et déterminer le paramètre Hzr qui est la composante Hz du champ magnétique à l'emplacement de l'ins- trument au cours de la rotation de la colonne de forage; déterminer Ho d'après les valeurs Hx, Hy et Hz mesurées pendant l'absence de rotation de la colonne de forage; déterminer l'angle d'inclinaison de la colonne de forage; déterminer l'angle de pendage).. du champ magnétique; déterminer l'angle f entre la direction du champ magnétique et l'axe de la colonne de forage-à l'emplacement de l'outil d'après Ho et Hzr; et déterminer l'angle d'azimut (A), soit d'après la relation: (A) = arc Cos = Cos(8) Cos(I)sin( A) sin(I) cos() ou bien d'après la relation tan2(A) = cos2( r)sin2( 8) - [cos()sin(e)-cos(I)]2 cos2( ")[sin2(I)-sin2()]+[cos( e)sin(;)-cos(I)]1 1 Le procédé de la présente invention est conçu pour être mis en oeuvre en combinaison avec le fonctionne- ment industriel normal d'un système et d'un appareil MWD connus de Teleco Oilfield Services Inc. (le demandeur du présent brevet), qui a été en fonctionnement industriel depuis plusieurs années. Ce système connu est offert par Teleco pour les mesures MWD sous forme de son système CDS (Computerized Directional System) et ce système comprend notamment un magnétomètre triaxial, un accéléromètre tri- axial, des dispositifs électroniques de contrôle, de détection et de traitement et un appareil de télémétrie à impulsions dans la boue, qui Eont tous situés au fond du trou de forage, dans un segment à collet de forage rotatif de la colonne de forage. Cet appareil connu est en mesure de déterminer les composantes Gx, Gy et Gz du champ total de la pesanteur Go, les composantes Hx, Hy et Hz du champ magnétique total Ho et de déterminer l'angle de la face de l'outil et l'angle de pendage (l'angle entre l'horizontale et la direction du champ magnétique). L'appareil de traitement au fond du trou propre à ce système connu permet de déterminer l'angle d'azimut (A) et l'angle d'inclinaison (I) d'une manière déjà connue, en partant de différents paramètres. Voir, par exemple, l'article "Hand-Held Calculator Assists in Directional Drilling Control" par J.L. Marsh, Petroleum engineer international, juillet et septembre 1982. Si l'on examine maintenant la figure 1, on y voit un diagramme de bloc du système connu CDS de Teleco. Ce systZme CDS est disposé au fond du trou, dans la colonne de forage, dans un collet de forage près de l'outil de coupe. Ce système CDS comprend un accéléromtre à trois axes 10 et un magnétomètre à trois axes 12. L'axe x de l'accéléromètre et du magnétomètre correspond à l'axe de la colonne de forage. Pour décrire,de manière sommaire et générale, le fonctionnement de ce système, il 1 suffit de dire que l'accéléromètre 10 détermine les composantes Gx, Gy et Gz du champ de la pesanteur au fond du trou et fournit des signaux analogiques proportionnels à celles-ci a un multiplexeur 14. D'une manière analogue, le magnétomètre 12 détermine les composantes Hx, Hy et Hz du champ magnétique au fond du trou. Un détecteur de température 16 mesure la température de l'accéléromètre et du magnétomètre au fond du trou et envoie un système de compensation de température au multiplexeur 14. Le systèmne comprend également une unité à microprocesseur programmé 18, des minuteries 20 et un adapteur d'interface périphé- rique 22. Toutes les données de commandes,de calculs de programmes et de calibrage de détecteurs sont stockées dans une mémoire EPROM 23. Le microprocesseur 18 provoque le multiplexage des signaux analogiques envoyés au multiplexeur 14 en direction du convertissseur analogique/numérique 24. Les mots de données numériques sortant du convertisseur A/N 24 sont ensuite transmis par un adapteur d'interface périphérique 22 vers le microprocesseur 18, o ils sont stockés dans une mémoire vivante RAM 26 pour les opérations de calcul. Une unité de traitement arithmétique (APU) 28 effectue hors-ligne des opérations arithmétiques compliquées et une gamme d'opérations trigonométriques,afin d'améliorer la puissance et la vitesse du traitement des données.Les données numériques pour chacune des composantes Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz font l'objet d'un calcul de moyennes dans l'unité de traitement arithmétique 24 et les données sont utilisées pour calculer les angles d'azimut et d'inclinaison dans le microprocesseur 18. Ces données d'angles sont ensuite envoyées par un circuit à retard 30, qui actionne un excitateur de courant 32, lequel actionne à son tour un émetteur d'impulsions dans la boue 34 tel que décrit, par exemple, dans le brevet US 4,013,945. Dans le fonctionnement du système CDS propre à 1 la technique normale connue-antérieurement, les mesures de l'accéléromètre et du magnétomètre sont effectuées pendant des périodes de non-rotation de la colonne de forage. Une simple lecture peut nécessiter jusqu'à 2.000 mesures de chacune des composantes Gx, Gy, Gz, Hx, Hy et Hz et ces mesures sont soumises à un calcul de moyennes dans l'APU 26, afin d'obtenir des valeurs moyennes pour chaque composante. On a également utilisé antérieurement une méthode pour déterminer l'inclinaison 1 lorsque la o colonne de forage est en rotation. Cette méthode consiste à déterminer la composante Gz du champ de la pesanteur d'après la moyenne des mesures obtenues pendant la rotation, tandis que l'angle d'inclinaison 1 est déterminé d'après la relation simple tan(I) V GO2 G z2 (1) Gz o l'on admet que Go est égal à 1G (c'est-à-dire la valeur nominale de la pesanteur). Ce système est acceptable pour mesurer l'inclinaison pendant la rotation, parce que la composante Gz suivant l'axe z n'est pas modifiée par la rotation. Conformément à la présente invention, le paramètre de l'angle d'azimut (A) est également obtenu maintenant pendant la rotation. Avant de décrire les détails de la technique de mesure de l'azimut;il convient d'examiner les figures 2A et 2B pour une étude préalable de certains des angles en question et du procédé utilisé par la présente invention. Si l'on examine tout d'abord la figure 2A, on voit que les directions orthogonales est (E), nord (N) et vers le bas (D) (ou verticale) y sont représentées. L'axe du trou de forage et de 1' outil dans ce trou de forage est indiqué par Z. L'angle d'inclinaison I est l'angle compris entre l'axe Z et l'axe D. Toutefois, si l'on ne connaît pas l'azimut, la direction de I est indéterminée; tout ce que l'on sait à propos de l'angle 1 d'inclinaison mesuré I est que cet angle a une certaine grandeur et que sa direction peut être située n'importe o à la surface d'un c6ne circulaire droit imaginaire ayant un demi-angle (I) autour de la direction D.Ce c8ne imaginaire est désigné par C1. L'angle de pendage (c'est- à-dire l'angle que fait la direction du champ magnétique Ho avec l'horizontale) peut être déterminé d'après les paramètres mesurés (voir équation 6 ci-dessous). Un angle qui est l'angle entre la direction de Ho et l'axe Z, est défini par la présente invention. L'angle O n'a pas encore été utilisé jusqu'à présent pour déterminer l'azimut. Un second cône imaginaire C est défini comme étant le c6ne circulaire droit de demi-angle O autour de la direction de Ho. Le c6ne C2 et le cône C1 sont sécants suivant deux lignes S1 et S21 qui représentent deux solutions de l'équation finale (équations 7 et 8) utilisée pour le procédé de la présente invention. La figure 2B représente les cônes C1 et C2 de la figure 1 projetés sur le plan horizontal. Comme on le voit à la figure 2B, le c8ne C1 se projette sous forme d'un cercle autour de l'axe D (sur le plan du papier, au centre de C1), tandis que le cône C2 est projeté sous forme d'une ellips. e autour de l'axe nord (N) avec intersection avec C1 aux deux points S1 et S2. La figure 2A permet de voir qu'il existe les relations suivantes: Gz = Go Cos(I); ou Cos(I) = Gz (2) Go Hz = Ho CS0(e);ou Cos(é) = Hz (3) Ho Dans le procédé de la présente invention, les mesures de Gx, Gy et Gz et de Hx, Hy et Hz sont effectuées pendant chaque période de non-rotation et l'ensemble le plus récent de ces mesures est mis en mémoire dans la RAM 26. Si l'on souhaite obtenir une mesure d'azimut pendant 1 la rotation, le microprocesseur 18 réalise la déter- rination de Go et de Ho qrâce aux relations Go = GxZ + GyZ + GzZ (4) (4) and Ho = V Hx2 + Hyz + Hz2 (5) o Gx, Gy, Gz, Hx, Hy et Hz ont les valeurs les plus récentes pendant l'absence de rotation qui ont été stockées dans la mémoire RAM 26. Ensuite, on effectue des lectures en temps réel de Gz et de Hz pendant la rotation. Tout comme en l'absence de rotation, on effectue un grand nombre de mesures instantanées (normalement, de 2000 à 4000) en environ 10 secondes et ces valeurs sont soumises à un calcul de moyennes, pour obtenir des valeurs en temps réel de Gz et Hz. Pour Gz, le calcul de la moyenne réduit ou élimine les effets des vibrations axiales sur chaque mesure instantanée de Gz. Ces valeurs en temps réel sont ensuite envoyées au microprocesseur 18, o l'inclinaison(I)est déterminée d'après l'équation (2): Cos(I) = Gzr Go o Gzr est la valeur de Gz mesurée pendant la rotation et o Go est déterminée d'après l'équation (4), sur base des valeurs les plus r6centes de Gx, Gy et Gz mesurées en l'absence de rotation et mises en mémoire. En variante, on peut déterminer (I) d'après l'équation (1) tan(I) -.__ Gzr D'autre part, l'angle est déterminé par le micropro- cesseur 18 d'après l'équation (3) cos(G) = Hzr Ho o Hzr est la valeur de Hz mesurée pendant la rotation et 1 o Ho est déterminée par l'équation (5) d'après les valeurs de Hx, Hy et Hz les plus récentes, prises en l'absence de rotation et mises en mémoire. L'angle 0 peut également être déterminé d'après l'équation tan(é) =VHo2 Izr 3(A) Hzr L'angle de pendage () est également calculé par le microprocesseur 18, d'après la relation = arc sin Gx Hx + Gy Hy + Gz Hz (6) Go Ho ou Gx, Gy, Gz, Hx, Hy et Hz ont les valeurs les plus récentes mesurées en l'absence de rotation et mises en mémoire, tandis que Go et Ho sont déterminées respective- ment d'après les équations (4) et (5). Ensuite, le procédé comporte le calcul de l'angle d'azimut (A) par le microprocesseur 18, d'après la relation (A) = arc Cos = Cos(0) - Cos(I) sin(A) (7) sin(I) cos() Les valeurs en temps réel de l'angle d'inclinaison (I) et de l'angle d'azimut (A) sont transmises à la surface par le transmetteur 30, afin que celles-ci soient utilisées et traitées à la surface par l'opérateur du forage ou d'autres personnes. Vu que cos ()=Bz et que cos (I) = Gz Go l'équation 7 peut également être écrite sous la forme A = arc Cos GoBz - BoGz fin G7(A) Bo cos (Go, - Gz') 1/2 Plutôt que de calculer l'angle de pendage d'après l'équation 56), on peut déterminer la valeur de A d'après des graphiques appropriés et mettre cette valeur en mémoire. D'autre part, bien que le procédé de la présente invention 1 ait été décrit en se référant à des calculs au fond du trou de forage basés sur les données mesurées, il est bien entendu qu'il est également possible que les données mesurées Gx, Gy, Gz, Hx, Hy, Hz soient transmises à la surfaceo les calculs sont ensuite effectués. Il est également bien entendu que toutes les phases et les calculs du procédé peuvent être effectués sous le contrôle du microprocesseur 18, au moyen de tout programme approprié déjà utilisé dans ce domaine technique, ou en modifiant un programme déjà existant pour faire fonctionner le système CDS, toutes ces modifications entrant dans le cadre de la technique ordinaire. La détermination de l'angle d'azimut (A) d'après l'équation (7) peut être remplacée en variante par une détermination basée sur la relation cos2(U?) sin2(G) - [cos(9)sin(î)-cos(I)]2 tan2(A) - ( cos2(;)[sin2(i)-sin2( e)]+ [cos(P)sin(q)-cos(I)]2 Dans les deux équations (7) et (8), la valeur de (I) peut être soit la valeur déterminée d'après les mesures les plus récentes effectuées en l'absence de rotation, soit la valeur en temps réel mesurée pendant la rotation. Dans les cas de conditions de forage diffi- ciles (par exemple, avec des vibrations axiales importan- tes),o l'accéléromètre de l'axe z peut être saturé, la valeur de (I), déterminée d'après les mesures les plus récenteâ en l'absence de rotation devrait être utilisée de préférence, sinon il est préférable d'utiliser la valeur en temps réel déterminée pendant la rotation. Il convient de noter qu'il existe deux solutions àchacunedes équations (7) et (8). On possède suffisamment d'informations pour déterminer la grandeur de l'angle d'azimut, mais non son signe. Dans la plupart des cas, ceci ne constitue pas une difficulté, vu que l'angle ne se 1 1 modifie que légèrement par rapport à sa valeur la plus récente obtenue en l'absence de rotation. Une ambiguïté de signe ne peut donc se produire que lorsque le forage est orienté très près du nord ou du sud. 1 REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage d'une tour de forage par des instruments situés au fond du trou dans la colonne de forage,comprenant les phases suivantes: mesurer avec un accéléromètre pendant une période de non-rotation de la colonne de forage, les composantes Gx, Gy et Gz du champ total de la pesanteur Go à l'emplacement de l'instrument; - mesurer avec un magnêtomètre pendant une période de non-rotation de la colonne de forage les composantes Hx, Hy et Hz du champ magnétique total Ho à l'emplacement de l'instrument; les composantes Gz et Hz étant parallèles - l'axe de la colonne de forage, tandis que les composantes Gx et les composantes Gy sont orthogonales à Gz et que les composantes Hx et Hy sont orthogonales à Hz; faire tourner ledit magnétomètre avec la colonne de forage et déterminer le paramètre Hzr qui est la composante Hz du champ magnétique à l'emplacement de l'ins- trument au cours de la rotation de la colonne de forage; déterminer Ho d'après les valeurs Hx, Hy et Hz mesurées pendant l'absence de rotation de la colonne de forage; déterminer l'angle d'inclinaison de la colonne de forage; déterminer l'angle de pendage t du champ magnétique; déterminer l'angle entre la direction du champ magnétique et l'axe de la colonne de forage à l'emplacement de l'outil d'après Ho et Hzr; et déterminer l'angle d'azimut (A), soit d'après la relation: (A) = arc Cos = Cos() Cos(I)sin() sin(I) cos() ou bien d'après la relation tan2(A) = cos2( mesurées en l'absence de rotation. 4. Procédé selon la revendication 3 comprenant: 20.la détermination de Go d'après les valeurs de Gx, Gy et Gz détectées en l'absence de rotation, et la détermination de l'angle d'inclinaison d'après la relation I - arc Cos Gzr Go o Gzr est la composante Gz du champ de la pesanteur à l'emplacement des instrumentB pendant la rotation de la colonne de forage. 5. Procédé selon la revendication 1,comprenant: la détermination de Go d'après les valeurs de Gx, Gy et Gz détectées en l'absence de rotation, et la détermination de l'angle d'inclinaison d'après la relation I - arc Cos Gzr Go 1 oU Gzr est la composante Gz du champ de la pesanteur à l'emplacement des instruments au cours de la rotation de la colonne de forage. 6. Procédé pour déterminer l'angle d'azimut d'un trou de forage en cours de forage au moyen d'instruments situés au fond du trou, dans la colonne de forage, et comprenant les phases de: déterminer au moyen d'un accéléromètre, pendant une période de non-rotation de la colonne de forage le champ total de la pesanteur Go à l'emplacement de l'instrument; déterminer avec un magnétomètre, pendant une période sans rotation de la colonne de forage, le champ magnétique total Ho à l'emplacement de l'instrument; faire tourner ledit magnétomètre avec la colonne de forage et obtenir le paramètre Hzr qui est la composante du champ magnétique suivant l'axe d'un cône de forage à l'emplacement de l'instrument pendant la rotation de la colonne de forage; déterminer l'angle d'inclinaison de la colonne de forage; déterminer l'angle de pendage X du champ magnétique; déterminer l'angle ô entre la direction du champ magnétique et l'axe de la colonne de forage à l'emplace- ment de l'instrument; et déterminer l'angle d'azimut (A), soit d'après la relation (A) = arc Cos = Cos(e) - Cos(I)sin(à) sin(I) cos() ou bien d'après la relation. tan2(A) = cos2()sin2( ] +[cos( 8)sin(î)-cos(I)]2 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel: l'angle ô est déterminé soit-d'après la relation cos() = Hzr Ho soit d'après la relation tan(") =VHoz - Hzrz Hzr *8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel: Ho est déterminée d'après les valeurs de Hx, Hy et Hz mesurées en l'absence de rotation. 9. Procédé selon la revendication-8,comprenant: la détermination de Go d'après les valeurs de Gx, Gy et Gz mesurées en l'absence de rotation et la détermination de l'angle d'inclinaison, d'après la relation I = arc Cos Gzr Go o Gzr est la composante Gz du champ de la pesanteur à l'emplacement de l'instrument pendant la rotation de la colonne de forage. 10. Procédé selon la revendication 1,comprenant: la détermination de Go d'après la valeur de Gx, Gy et Gz mesurées en l'absence de rotation, et la détermination de l'angle d'inclinaison d'après la relation I = arc Cos Gzr Go o Gzr est la composante Gz du champ de la pesanteur à l'emplacement de l'instrument au cours de la rotation de la colonne de forage.