FR2474700A1

FR2474700A1 - Diagraphie de polarisation induite

Info

Publication number: FR2474700A1
Application number: FR8101214A
Authority: FR
Inventors: Harold J Vinegar; Monroe Herbert Waxman
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1981-01-23
Publication date: 1981-07-31
Also published as: CA1161901A; US4359687A; NO810232L; NO156265B; NO156265C; GB2068563A; GB2068563B; FR2474700B1

Abstract

APPAREIL ET PROCEDE POUR LA MESURE DANS UN TROU DE SONDE DE LA POLARISATION INDUITE DES FORMATIONS TERRESTRES. L'APPAREIL COMPORTE UNE SONDE DE DIAGRAPHIE DE POLARISATION INDUITE QUI COMPORTE DEUX ELECTRODES 11, 12 RACCORDEES A UNE SOURCE DE COURANT ALTERNATIF 10, UNE RESISTANCE DE REFERENCE 16 EN SERIE AVEC LA SOURCE, DEUX ELECTRODES DE DETECTION 13, 14 RACCORDEES A UN AMPLIFICATEUR 15 DONT LE SIGNAL DE SORTIE EST APPLIQUE, AINSI QUE LA TENSION AUX BORNES DE LA RESISTANCE, A UN DETECTEUR DE PHASE 17 QUI PERMET DE MESURER LES CONDUCTIVITES EN PHASE ET EN QUADRATURE DE LA FORMATION, CES VALEURS ETANT UTILISEES POUR DETERMINER LA CAPACITE D'ECHANGE DE CATIONS PAR UNITE DE VOLUME DE PORES, LA CONDUCTIVITE DE LA SAUMURE ET LES SATURATIONS EN EAU ET EN HUILE DE SABLES SCHISTEUX. APPLICATION A LA DETERMINATION IN SITU DE LA SATURATION EN HYDROCARBURES.

Description

I La présente invention concerne un appareil

et un procédé qui utilisent une diagraphie de résisti-

vité électrique et, plus particulièrement, une diagra-

phie de polarisation induite pour déterminer certaines quantités présentant de l'intérêt dans des sables ar-

gileux. L'expression "diagraphie de polarisation indui-

te" est utilisée pour décrire un procédé de diagraphie suivant lequel un courant électrique est induit dans

la formation et la tension déphasée résultante est en-

suite mesurées Plus particulièrement, une diagraphie de polarisation induite sert à mesurer la composante en

quadrature ou composante réactive de l'impédance élec-

trique de la formation.

La diagraphie de résistivité électrique est l'un des outils fondamentaux de l'industrie pétrolière

pour la détermination 'lin situ" de la saturation en hy-

drocarbure. Depuis 1942, on utilise des relations empi-

riques, dites relations d'Archie, pour calculer les sa-

turations en huile (et en eau) dans des sables propres.

Dans les sables schisteux, les ions d'échanges opposés

associés aux minéraux argileux accroissent la conducti-

vité de la roche par rapport à un sable propre ou exempt d'argile et les relations simples d'Archie ne sont plus valables. Dans le cas des sables schisteux, l'équation

de Waxman-Smits a permis de tenir compte de la conduc-

tance supplémentaire due à la présence d'argile et a

permis, par conséquent, d'effectuer l'évaluation quan-

titative des saturations en hydrocarbures (et en eau)

dans ces formations. Les relations et équations ci-

dessus mentionnées sont connues des spécialistes et de

ce fait, on ne les décrira pas en détail.

L'équation de Waxman-Smits pour des sables schisteux saturés d'eau à 10î> est la suivante: cI - so.v) (1) ci (Cw +QV formule dans laquelle:

Ci - conductivité en phase (en mho-cm-1) de la for-

mation complètement saturée d'eau F* = facteur de résistivité de la formation, tel que défini par Waxman-Smits

Cw = conductivité de la solution saturée (en mho-

cm-1) contenue dans la roche de la formation Qv = facteur de schistosité de Waxman-Smits, défini comme étant la capacité d'échange de cations du sable schisteux par unité de volume de pores

du sable (en meq-ml-1 ou équivalent gramme-

litre 1) B = conductance équivalente des cations d'échange

associés aux minéraux argileux dans la forma-

tion sableuse (en mho-cm2-meq 1). B est expri-

mé par Waxman-Smits en tant que fonction de Cw.

F* est, selon Waxman-Smits, décrit par la relation F* = 0 m (2) dans laquelle 0 est la porosité de la roche et m* est

le facteur de cimentation qui est compris habituelle-

ment entre environ 1,5 et 2,2.

L'équation de Waxman-Smits pour la conduc-

tivité en phase d'un sable schisteux partiellement sa-

turé de saumure est la suivante: CIn BQ, w ci'- W = ±._ (3)

W

formule dans laquelle: CI = conductivité en phase (en mho-cm-) du sable schisteux partielleLent saturé d'huile n* = exposant de saturation défini par Waxman-Smite S = fraction du volume de pores du sable remplie d'eau ou saturation en eau. On notera que w = (1-So) formule dans laquelle So est la fraction du volume de pores du sable remplie

d'huile ou saturation en huile.

A partir des équations qui décrivent les conductivités CIet CI', l'expression qui donne l'indice de résistivité I, selon Waxman-Smits, est la suivante: 1I= = S CW +Bn4 cI CW+BQV SW

Les mesures de laboratoire ainsi que l'em-

ploi effectif dans l'industrie ont confirmé la validité

des équations de Waxman-Smits qui définissent les va-

leurs CI, CI' et I qui ont été reproduites ci-dessus. La variation de la conductance équivalente B en fonction de

la température a été également donnée.

Telle qu'elle est actuellement utilisée par l'industrie, l'équation de Waxman-Smits nécessite une mesure indépendante de paramètres pétrophysiques et, notamment, de la capacité d'échange de cations de la

roche par unité de volume de pores (Qv). Avec les tech-

niques connues, il n'a pas été possible de mesurer cette

quantité in situ.

La détermination des valeurs Qv nécessite

habituellement l'emploi de coûteux échantillons de ro-

che des formations presentant de l'intérêt obtenus soit

à partir de carottes centrales soit à partir de carot-

tes latérales. De tels échantillons de roches ne sont pas habituellement disponibles. Un autre inconvénient

que présente le calcul des valeurs Q7 à partir d'échan-

tillons carottés réside en ce que l'échantillon peut

ne pas être représentatif de la formation dans son en-

semble. En outre, même si les valeurs Q7 sont connues

pour les profondeurs spécifiques auxquelles des échan-

tillons ont été prélevés, les calculs des saturations

en huile sont susceptibles de présenter des erreurs im-

portantes si les eaux 'lin situ" sont fraîches, c'est-à-

dire si elles ne contiennent que de faibles concentra-

tions d'électrolytes solubles.

Un appareil connu pour obtenir un diagramme

de polarisation électrique induite d'une formation ter-

restre comprend des moyens pour induire une polarisa-

tion électrique d'une formation terrestre d'une manière telle que chacune des polarisations successives est dans une direction opposée à celle de la polarisation

précédente. Un circuit de mesure commandé par un cir-

cuit logique de chronologie mesure la différence de po-

tentiel électrique induite entre deux emplacements pen-

dant deux autres intervalles de temps au cours de cha-

que cycle de fonctionnement. Les signaux mesurés sont appliqués à un amplificateur différentiel qui produit

un signal de différence et, pendant l'un des deux inter-

valles de temps de mesure de chaque cycle le signal de

différence est inversé. Le signal non inversé et le si-

gnal inversé sont intégrés pour produire un signal de

sortie qui est une mesure de la décroissance de la dif-

férence de potentiel. On peut voir, à la lecture de la

brève description qui précède, que cet appareil appli-

que une impulsion de courant continu à la formation puis

mesure le signal de décroissance pour déterminer la po-

larisation induite de la formation. Le signal de décrois-

sance est, naturellement, le résultat de la composante réactive de la polarisation induite et est fonction de celle-cio

Un autre procédé pour déterminer la résis-

tivité électrique de formations schisteuses consiste à calculer la constante diélectrique de la formation à partir de la valeur de décroissance de la tension. Des corrélations préalablement déterminées entre les

constantes diélectriques et les paramètres de conducti-

vité d'échantillons de terre sont utilisées pour déter-

miner l'effet de la schistosité sur la résistivité.

Comme déjà indiqué ci-dessus, ces techniques connues

ne conviennent pas pour mesurer la quantité Qv in situ.

La présente invention a maintenant réalisé un procédé et un appareil utilisant une diagraphie de

résistivité électrique et, en particulier, une diagra-

phie de polarisation induite pour déterminer la valeur de Qv in situ et les saturations en huile et en eau SO

et Sw dans des sables argileux.

L'un des buts de l'invention est, ainsi, de réaliser un procédé et un appareil pour mesurer la

conductivité en quadrature de la formation à des fré-

quences discrètes et de réaliser des moyens pour obte-

nir la valeur du facteur Qv au fond du trou de sonde, sans échantillon de terre. Les avantages que présente la mesure de la conductivité à des fréquences discrète plutôt qu'à partir de la décroissance de la tension à la suite d'une impulsion apparaîtront à la lecture de

la description détaillée qui va suivre. Un autre but de

la présente invention est d'essayer de dlfinir la satu-

ration en huile de la formation, ce qui est naturelle-

ment l'information la plus importante que l'on obtient

à partir des mesures de diagraphie.

La présente invention a, par conséquent,

pour objet un procédé pour déterminer la capacité d'é-

change de caticns par unité de volume de pores, Q4v et la conductivité, de l'électrolyte Cw, de formations de sables schisteux qui consiste: - à induire un courant électrique dans la formation; - à mesurer à la fois la conductivité en phase et la conductivité en quadrature de la formation en réponse au courant induit; et - à déterminer les valeurs Qv et Cw à partir des équations:

CI = S* (CW + B QV

I * Q = F* eff 9

L'invention a également pour objet un appa-

reil de diagraphie de polarisation induite qui comprend: un bottier de sonde, ce bottier étant fabriqué en une

matière non métallique et conçu pour pouvoir être descen-

du dans un trou de sonde; au moins une première paire et une seconde paire d'électrodes montées sur la sonde; une source de courant alternatif, cette source étant

couplée à la première paire d'électrodes; une résis-

tance de référence montée en série avec la source de

courant alternatif et disposée dans la sonde; un ampli-

ficateur à forte impédance d'entrée, cet amplificateur

étant couplé à la seconde paire d'électrodes; un dé-

tecteur de phase, la résistance série et l'amplifica-

teur étant tous deux couplés au détecteur de phase, le détecteur de phase comparant la tension aux bornes de 3O la résistance série au signal de l'amplificateur pour déterminer les signaux en phase et en quadrature dans le signal de l'amplificateur, ce détecteur de phase

étant disposé dans la sonde.

Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'appareil peut comporter un câble volant qui comporte à la fois un organe de traction et une série de conducteurs, l'une des extrémités de l'organe de traction du câble volant étant fixée à la sonde et l'autre extrémité de l'organe de traction étant fixée à une tête d'accouplement à un câble de diagraphie de puits, la sortie de l'amplificateur étant couplée à

au moins certains des conducteurs du câble et la sur-

face extérieure du câble volant étant électriquement isolés; un câble de diagraphie, ce câble de diagraphie étant couplé à la tête d'accouplement; et des moyens d'enregistrement, ces moyens d'enregistrement étant

disposés à la surface et couplés au câble de diagraphie.

Conformément aux enseignements de la pré-

sente invention, un courant électrique sinusoïdal est engendré dans la formation à une fréquence discrète et les tensions en phase et en quadrature indutes dans la formation à cette fréquence en réponse audit courant

sont mesurées. L'appareil de la présente invention com-

porte une sonde non métallique qui contient une paire d'électrodes de courant et une paire d'électrodes de tension du type non polarisable. La sonde contient un amplificateur différentiel à forte impédance d'entrée,

une résistance de référence et un détecteur de phase.

Ces éléments ont une configuration appropriée pour évi-

ter les déphasages parasites dûs à la polarisation des électrodes et à la capacité entre les fils dans le câble

de diagraphie.

Les mesures de tension peuvent être effec-

tuées dans le domaine des fréquences. On obtient soit les conductivités en phase et en quadrature, CI et CQ,

soit la valeur CI et l'angle de phase e = CQ/CI à par-

tir des mesures de tension et on les corrige pour tenir compte des effets du diamètre fini du trou de sonde, de l'invasion de boue et de l'épaisseur finie du lit. Les

valeurs corrigées de CIet CQ sont utilisées en combi-

naison avec une mesure de la porosité au fond du trou de sonde dans les équations: c = I (C + BQv)

Q FF*

OQ =1,,ieff Qv pour déterminer la capacité d'échange de cations par unité de volume de pores, Qv, et la conductivité de la saumure, Cw, dans un sable schisteux saturé de saumure

à 10Oc. Le paramètre A eff est la conductivité équiva-

lente en quadrature (en mho-cm2-meq -1) pour des sables

schisteux. Dans un sable schisteux contenant de l'hui-

le, la saturation en huile, So, peut, en outre, être déterminée à partir des équations:

F B

SJn*-1 OQ' = 'effúv

dans laquelle So =1-Sw.

On décrira maintenant l'invention de maniè-

re plus détaillée en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation sous forme d'un schéma-bloc de l'outil de diagraphie de la présente invention; - la figure 2 est une vue en élévation de

l'outil de diagraphie construit conformément à la pré-

sente invention - la figure 3 est un exemple d'une courbe

de correction des effets du trou de sonde pour un ré-

seau de normales de 40,64 cm dans trou de sonde de 20,32 cm, à une fréquence de 1 Hz; - la figure 4 est un exemple d'une courbe

de correction des effets du trou de sonde pour un ré-

seau de normales de 40,64 cm dans trou de sonde de 20, 32 cm, à une fréquence de 10 Hz; - la figure 5 représente les valeurs du paramètre ?Neff requis pour établir la relation entre les conductivités en quadrature des sables schisteux et leurs facteurs de schistosité respectifs, Q, en fonction de la concentration en chlorure de sodium

présente dans la phase aqueuse de la formation sédimen-

taire à 25 0 i

- la figure 6 est un graphique qui repré-

sente la conductivité en quadrature, C4, d'un sable contenant de l'huile caractéristique, en fonction de

sa saturation en huile.

Sur la figure 1 à laquelle on se référera

maintenant, on a représenté, sous forme d'un schéma-

bloc, un instrument de diagraphie qui est capable

d'effectuer une mesure précise à la fois de la compo-

sante en phase et de la composante en quadrature du

signal de polarisation induite à une fréquence discrète.

Plus particulièrement, on a représenté une source 10 de courant alternatif qui est couplée à deux électrodes 11 et 12 disposées dans un trou de sonde. Le courant doit avoir une fréquence comprise entre 1 Hz et 100 kHz, et de préférence, entre 0,1 et 10 Hz. Le signal induit

dans la formation par l'application du courant est me-

suré au moyen de deux électrodes 13 et 14 et amplifié par un amplificateur différentiel 15 à forte impédance d'entrée. Le signal de l'amplificateur différentiel est

appliqué à un détecteur de phase 17 qui reçoit égale-

ment une tension de référence proportionnelle au cou-

rant alternatif aux bornes d'une résistance série 16.

Le détecteur de phase mesure les composantes en phase et en quadrature VI et VQ ou d'une manière équivalen- Q te, le module V 3vV + V-' et l'angle de phase

e = VQ/Vi du signal de l'amplificateur 15 en le compa-

rant au signal de référence produit aux bornes de la résistance 16. Les signaux de sortie en phase et en

quadrature du détecteur sont alors transmis à la sur-

face pour être enregistrés sur un enregistreur à bande ou appliqués à des moyens calculateurs appropriés,

non représentés. Il est à la portée des spécialistes.

de la technique d'utiliser les signaux et de programmer un ordinateur universel de façon qu'il produise des

signaux de sortie numériques, si désiré.

Bien que, dans l'appareil de la présente invention qui a été représenté, le détecteur de phase 17 et la résistance de référence 16 soient situés dans l'outil de diagraphie, l'homme du métier pourrait, sans

difficulté, réaliser un appareil dans lequel le détec-

teur de phase et la résistance de référence seraient situés à la surface. Dans un tel agencement, le signal de l'amplificateur serait transmis du fond du trou à

la surface. Cependant, cet agencement ne serait satis-

faisant que si l'on utilisait de courtes longueurs de câbles de diagraphie du fait que le couplage capacitif

dans le câble provoquerait des déphasages qui ne se-

raient pas dés à la polarisation de la formation. Il est également évident que la résistance de référence 16

pourrait être située dans l'outil tandis que le détec-

teur de phase 17 serait disposé à la surface. Dans cet agencement, le signal de l'amplificateur 15 et le signal de la résistance de référence 16 seraient transmis du

fond du puits jusqu'à la surface. Cet agencement présen-

terait l'avantage que le signal de référence et le si-

gnal de l'amplificateur seraient tous deux soumis au même déphasage provoqué par la capacité du câble et

qu'il n'y aurait, par conséquent, pas de déphasage re-

latif. Etant donné que le déphasage relatif entre le courant et la tension est la quantité importante dans les mesures de polarisation induite, cet agencement

serait satisfaisant avec de longs câbles de diagraphie.

Encore un autre mode de réalisation possible de la pré-

sente invention consisterait à positionner le détecteur de phase 17 à la surface, à convertir en numérique le signal de l'amplificateur 15 à l'intérieur de l'outil

de diagraphie, à transmettre le signal converti en nu-

mérique à la surface, à reconvertir le signal sous une forme analogique et à appliquer ce signal analogique au détecteur de phase 17. Dans cet agencement, il n'y aurait pas de déphasage provoqué par la capacité du

câble étant donné que seuls des signaux numériques se-

raient transmis à la surface. Cet agencement serait sa-

tisfaisant quelle que soit lalongueur du câble. Il est expressément entendu que ces modes de réalisation de

l'invention ne doivent pas être interprétés comme défi-

nissant les limites de l'invention.

L'appareil représenté sur la figure 1 pré-

sente plusieurs avantages par rapport à la technique

existante relative aux outils de diagraphie de polari-

sation induite. Par rapport aux outils connus de dia-

graphie, à domaine des temps, la source de courant si-

nusoidal à domaine de fréquences utilisé dans la pré-

sente invention améliore le rapport signal-bruit du

fait que le détecteur de phase élimine le bruit à tou-

tes les fréquences sauf dans une bande étroite à la

fréquence de la source. En outre, il n'est pas néces-

saire d'effectuer une compensation des potentiels spon-

tanés du fait que ces potentiels varient à des fréquen-

ces différentes de la fréquence de la source.

Encore un autre avantage de la présente

invention réside en ce que l'amplificateur à forte im-

pédance d'entrée contenu dans la sonde empêche la po-

larisation des électrodes de tension par des courants

couplés aux conducteurs de tension à partir de la sour-

ce de courant alternatif. Encore un autre avantage ré-

side en ce que le couplage capacitif entre les conduc-

teurs du câble n'introduit pas des déphasages parasites 1i qui masqueraient la polarisation induite réelle de la formation. La grandeur du déphasage e dans les roches

sédimentaires est typiquement inférieure à 30 millira-

dians. Par conséquent, de petits effets instrumentaux

que l'on ne peut pas distinguer de la polarisation in-

duite réelle de la formation doivent être éliminés dans

l'outil de diagraphie. On décrira ci-après les condi-

tions supplémentaires grâce auxquelles des résultats de

polarisation induite valable sont obtenus.

Sur la figure 2 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté une vue en élévation d'un

outil de diagraphie approprié pour l'exécution des me-

sures de la présente invention. Plus particulièrement, on a représenté une sonde 30 qui est fabriquée en une

matière non conductrice, par exemple en fibres de ver-

re, en caoutchouc ou en matière plastique. L'extérieur de l'outil de diagraphie doit être non métallique pour éviter une polarisation électrique du bottier par le

courant qui s'écoule dans le trou de sonde.

La sonde est raccordée à un câble volant 31 qui a une longueur d'au moins 15 m et, de préférence, de l'ordre de 30 m ou plus. En outre, le câble volant a

sa surface extérieure électriquement isolée pour évi-

* ter une polarisation électrique par le courant du trou de sonde. L'extrémité supérieure du câble volant est munie d'une tête de câble 32 qui s'adapte à une tête de câble 34 d'un câble classique 32 de diagraphie de puits. L'expression "câble classicue de diagraphie de puits" est utilisée pour désigner un câble qui comporte un conducteur électrique central entouré de six autres conducteurs 6électriques qui sont maintenus dans leur disposition relative par une matière isolante souple appropriée, les conducteurs étant entourés d'une armure en acier qui sert à la fois d'organe de traction pour soulever et abaisser les instruments de diagraphie dans O10 un trou de sonde et de conducteur de retour à la masse pour le câble. úi l'on essayait de raccorder ce type de câble de diagraphie directement à la sonde, l'armure

extérieure en acier déformerait toutes les mesures ef-

fectuées. La sonde est munie d'une série d'électrodes dont quztre, désignées par les références 40 à 43, ont été représentées. Sur la figure 2, les électrodes de courant ont -té désignées A et B et les électrodes de tension ont été désignées M et N. La disposition des électrodes détermine la profondeur d'investigation dans

la formation et la réponse du dispositif face à de min-

ces lits. Bien qu'on ait représenté quatre électrodes, on peut en utiliser un nombre supplémentaire quelconque désiré, ces électrodes supplémentaires étant disposées

à tous emplacements et à tous espacements désirés. Ce-

pendant, les électrodes doivent comporter au moins une paire d'électrodes de courant et une paire d'électrodes de tension séparées pour éviter la polarisation des électrodes de tension qui se produirait si le courant 3o était conduit par ces él1Ctrodes. Ceci constitue une

caractéristique essentielle de la présente invention.

Un outil de diagraphie à deux électrodes, qui est en soi connu, ne peut effectuer des mesures valables de la

polarisation induite par suite des effets de la polari-

sation des électrodes.

En outre, d'autres précautions doivent

être prises pour empêcher ou réduire au minimum le phé-

nomène de polarisation des électrodes. Ceci peut être effectué en utilisant un revêtement de noir de platine poreux sur des électrodes en plomb ou en utilisant des électrodes de tension non polarisables, telles que des électrodes en argent/chlorure d'argent ou en cuivre/

sulfate de cuivre.

On décrira maintenant un procédé pour inter-

prêter les mesures de l'outil de diagraphie ci-dessus décrit. On calcule tout d'abord les valeurs apparentes de CI et de CQ à partir des tensions en phase et en quadrature mesurées (I)apparente KiO/VI (5) (CQ)apparente = K1O/yQ (6) formules dans lesquelles I0 est l'amplitude maximale du courant sinusoïdal, I = Io sin (t et K est un facteur géométrique qui dépend de l'agencement des électrodes

sur l'outil de diagraphie.

K=1 - 1L (7)

_ = a -

4 IrAM EN AN 3E Dans cette formule XAM représente la distance entre l'électrode de courant A et l'électrode de tension M, BN représente la distance entre l'électrode de courant

B et l'électrode de tension N, etc...

L'angle de phase apparent est calculé à partir de la formule: / ta aente (G)apparent tan e = VQ/VI = Q(Capparente (CI)apparente (8)

cette approximation étant valable pour les petites va-

leurs de l'angle de phase telles que celles qui existent

dans les roches sédimentaires.

On corrige ensuite les valeurs de (Ci)appa-

rente (CQ)apparente et (e)apparente pour tenir compte des effets du trou de sonde sur la mesure, en utilisant des courbes de correction des effets du trou de sonde

pour la configuration d'électrodes particulière utili-

sée et pour la fréquence de l'outil de diagraphie. Le procédé de préparation des courbes de correction pour déterminer les valeurs réelles de Ci, CQ et O est bien connu des spécialistes de la technique. Sur la figure 3 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté un exemple d'une courbe de correction des effets du trou de sonde à un Hz pour un ensemble d'électrodes dans lequel A = 40,64 cm, AI = 6,096 m, S = 21,03 m, = 26,82 m, calculée pour un trou de sonde de 30,32cm contenant une boue de forage ayant une résistivité de I ohm-mètre. L'axe horizontal représente l'angle de phase apparent (e)apparent (en milliradians) tandis

que l'axe vertical r représente la résistivité apparen-

te PA (entA-m). Le procédé utilisé pour établir la courbe de la figure 3 est connu en soi. Sur la figure 4, on a représenté une courbe de correction pour les mêmes conditions que celles utilisées pour la figure 3, à cette différence près que la fréquence de la source est de 10 Hz. L'axe horizontal représente l'angle de pa.r, Lese apparent. apparent (en milliradians) tandis que l'axe vertical représente la résistivité apparente

A (en l-m).

La figure 4 diffère de la figure 3 du fait que le couplage inductif dans la formation est plus

important à la fréquence plus élevée.

Après que les vraies valeurs de Ci, CQ et

G ont été obtenues, on détermine les paramètres pétro-

physiques Qv' Cw et Sw à partir des équations et con-

formément au procédé que l'on décrira maintenant et qui

font partie de la présente invention.

La présente invention enseigne que la con-

ductivité en quadrature (ou déphasée) dans des sables

schisteux est provoquée par-des gradients de concentra-

tion ionique induits dans les sites argileux du grès,

résultant du champ électrique appliqué. Un modèle physi-

que conduit & une équation générale pour la conductivi-

té en quadrature dans des sables complètement saturés d'eau. (9) CQ = F* Aeff Qv

formule dans laquelle CQ est la conductivité en quadra-

ture (en mho-cm-1) du sable schisteux aquifère, ?\eff est la conductivité en quadrature équivalente (en mho-cm2-meq-1) et tous les autres paramètres (F*, Qv)

sont tels que définis par Waxman-Smits. La présente in-

vention démontre que pour une salinité particulière de l'eau, la valeur de leff est essentiellement constante et est valable sans équivoque possible pour les sables schisteux en général, indépendamment des formations terrestres différentes dans lesquelles on trouve les roches. En tant que l'un des éléments de la présente invention, la figure 5 montre les valeurs spécifiques

de >eff (en 10- mho-cm2-meq 1) (en ordonnée) en fonc-

tion de diverses concentrations en chlorure de sodium

à 25 C (en abscisse), ces dernières valeurs représen-

tant les saumures habituellement rencontrées dans les formations terrestres. Les crochets de marge d'erreur représentés sur la figure 5 représentent les limites de confiance à 95% à chaque valeur de salinité etont été calculés à partir de très nombreuses mesures effec- tuées en utilisant vingt échantillons de grès prélevés

dans onze formations terrestres différentes. Ces échan-

tillons représentent de larges variations, tant en ce

qui concerne les types de minéraux argileux que la ré-

partition des argiles dans les roches; les valeurs Qv

pour ces échantillons couvrent également un large in-

tervalle allant de 0,03 à 0,95 meq/ml. On a donné dans

le Tableau I ci-après les valeurs de Xeff pour un élec-

trolyte à base de NaCl à des températures allant jus-

qu'à 100 C. Les valeurs de 'eff indiquées dans le Tableau I peuvent être incorporées à divers programmes

d'ordinateur comme décrit dans la présente invention.

Les valeurs indiquées de)eff' telles que

représentées sur la figure 5 et énoncées dans le Ta-

bleau I, sont valables sur un large intervalle de fré-

quences allant de O,uOl Hz à 100 kHz, comme démontré par des mesures expérimentales directes effectuées en

utilisant le groupe d'échantillons ci-dessus mentionné.

Ces valeurs de Xeff doivent être utilisées avec toutes

les équations citées et leurs combinaisons et conjointe-

ment avec l'outil de diagraphie de polarisation induite

au fond du puits qui fait également partie de la présen-

te invention, ce qui permet d'effectuer les détermina-

tions in situ du facteur de schistosité, Qv' de la con-

ductivité de la saumure, Cw, et des saturations d'huile

et d'eau des sables schisteux.

Etant donné que les valeurs de paramètre de eff sont données dans le Tableau I, les mesures in situ de la conductivité en quadrature (ou déphasée),

CQ, fournissent un moyen nouveau et original pour ef-

fectuer des mesures directes et continues du facteur de

schistosité, Q4. En outre, étant donné qu'il est dé-

montré que ? eff n'est que légèrement dépendant de la concentration de la solution en chlorure de sodium, les déterminations de la valeur Qv du trou de sonde peu- vent être effectuées avec seulement de faibles erreurs même si la concentration en électrolyte in situ n'est

pas bien connue.

La présente invention montre également que la conductivité en quadrature pour un sable schisteux partiellement pétrolifère (Sw z 1) est: C = 1 A eff Qv sw * (10)

CQ F*

formule dans laquelle C' est la conductivité en quadra-

Q -

ture d'un sable partiellement pétrolifère (en mho-cm)

et F*, 2eff' Qv et n* sont tels que précédemment définis.

L'équation ci-dessus qui définit la valeur CI a été confirmée par des mesures expérimentales directes sur des échantillons de laboratoire de sables schisteux

dans lesquels on a fait varier systématiquement la satu-

ration en huile dans des conditions d'équilibre capil-

laire. Un exemple typique des mesures expérimentales

a été représenté sur la figure 6 sur laquelle l'axe ho-

rizontal représente la saturation en saumure, Sw, tandis que l'axe vertical représente la quantité: C'

CQ

Il est à la portée de tous les spécialistes de la technique d'écrire un programme d'ordinateur pour résoudre les équations (1, 3, 9, 10) pour l'ensemble suivant de paramètres pétrophysiques: Qv)sable saturé e saumure, (Ov)sale pétrolifère, Cw Sw13 à partir des mesures in situ de fC, CQ, C'1i, C et de la porosité} On peut utiliser diverses combinaisons de données du trou de sonde obtenues au moyen du diagramme de polarisation induite, tel que décrit dans la présente

invention, et d'outils de mesure de la porosité habi-

tuellement disponibles (diagramme de densité compensée, diagramme acoustique) et au moyen de diagrammes de

résistivité/conductivité pour obtenir des mesures conti-

nues du facteur de schistosité, %v, et de la saturation en huile, SO, au fond du trou dans les formations qui

présentent de l'intérêt. On notera que des mesures ef-

fectuées sur des carottes sont maintenaet inutiles du fait que la valeur eff telle que donnée dans le Tableau I ci-dessus et sur la figure 5, est la même pour tous

les sables schisteux.

TEMPERATUPE

Normalité (NaCl) 250C 50C 75C 100C

2,0 2,55 4,34 6,27 7,96

1,0 4,37 7,43 10,75 13,63

0,5 5,36 9,11 13,19 16,72

0,25 5,09 8,65 12,52 15,88

3,90 6,63 9,59 12,17

0,05 3,12 5,30 7,68 9,73

0,025 2,60 4,42 6,40 8,11

0,010 2,25 3,83 5,54 7,02

0,005 2,12 3,60 5,22 6,61

0,0025 2,05 3,49 5,04 6,40

0,0010 2900 3,40 4,92 6,24;

TABLEAU I - Conductivité en quadrature équivalente en

fonction de la température et de la salini-

r -4 2 I1 té \eff x (10- mho-cm -meq-f)

Des exemples de l'emploi de telles combi-

naisons sont donnés ci-dessous. A titre d'exemple, on notera que la mesure au fond du trou de CI et de CQ dans une formation saturée à 100o de saumure lorsqu' on la combine à une mesure de la porosité conduit à l'évaluation du paramètre de schistosité, Qv, et de la conductivité de l'eau, Cw, au moyen des équations 1 et 9. L'emploi des relationorécédemment citées définissant Ci, C'I, CQ et C' conduit aux équations Q simples suivantes pour les angles de phase: =e:i.CeffQv (11) ci (.- BQV) QI _ 3-A c C (% a +B%) 2tCw +BQv CI' w + +(12) Sw

En résolvant ce groupe d'équations par rap-

port à Sw, on obtient: Sw = Il (1 +B) v Q qui est valide lorsque 930 Cw"B CQ@Cw>BQv (13) 3o w On notera que la mesure des angles de phase g et G' permet de déterminer les saturations en huile et en eau au moyen de l'équation 13 sans qu'il

soit nécessaire que l'on connaisse l'exposant de satu-

ration de Zaxman-Smits, n*, si l'on admet que seul Sw

varie entre la zone remplie de saumure et la zone pé-

trolifère. Suivant un autre exemple, considérons un sable schisteux complètement aquifère adjacent et relié aè un sable similaire contenant des hydrocarbures. Pour les sables p'étrolifères, il est de pratique courante

d'admettre que la conductivité de la saumure intersti-

cielle, Cw, est la même que pour le sable aquifère à

1O0D/. Cependant, dans les champs pétrolifères non ex-

ploitâs, les paramètres Qv et Cw pour le sable aquifère sont tous deux inconnus. Une manipulation des équations 1 et 9 donne l'équation: Cw = F* (I B CQ) (14) 2eff L'équation ci-dessus peut également être réécrite sous la forme log(CI) = m* log log+log Cw (15) 'eff La quantité B/ eff est très faiblement

fonction de Cw de sorte qu'on peut admettre par hypo-

thèse une valeur raisonnable de B/ leff' c'est-à-dire la valeur à la salinité d'une solution décinormale de NaCl. La fonction log (CI BCQ) est tracée par Reff rapport à log 0 en utilisant les valeurs calculées à partir du diagramme du fond du trou de sonde, pour CI,

CQ et la porosité, prises à un certain nombre de pro-

fondeurs à l'intérieur du sable aquifère. Une ligne de régression passant par ces points aura la pente m* et le segment intercepté (log Cw). On peut utiliser cette valeur de Cw pour améliorer l'estimation de B/ eff au cours d'une seconde itération de ce mode opératoire. Lorsqu'on a obtenu la valeur correcte de

la conductivité de la saumure, Cw, par le procédé ci-

dessus, on calcule le paramètre de s.chistosité, Qv' pour la zone aquifère en utilisant soit l'équation 1

soit l'équation 9 et les réponses appropriées du dia-

gramme du fond du trou. On peut alors calculo la satu-

ration en huile, So, de sable pétrolifère ainsi que la valeur Qv pour le sable pétrolifère en utilisant les

équations 3 et 10. On notera que l'emploi de ce procé-

dé exige seulement que Cw, et non Qv, ait la même va-

leur dans le sable aquifère que dans le sable pétroli-

fère.

REVEINDICATIONS

1) Un procédé pour déterminer la capacité d'échange de cations par unité de volume de pores,

Qv' et la conductivité de l'électrolyte, Cw, de forma-

tions de sables schisteux caractérisé en ce qu'il s'agit d'un procédé dans lequel: on induit un courant électrique dans la formati on; on mesure à la fois la conductivité en phase

et la conductivitê en quadrature de la formation en ré-

ponse au courant induit; et on détermine les valeurs Qv et Cw à partir des équations: C = (Cw + B) CI CQ - 1 'eff Qv F*

2) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'on mesure les conductivités en phase

et en quadrature dans le domaine des fréquences.

3) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'on mesure le module de la conductivité

et l'angle de phase dans le domaine des fréquences.

4) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que le courant électrique a une fréquence

inférieure à 100 kHz.

5) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'il comporte, en outre, l'étape qui con-

siste à déterminer la saturation en huile d'une forma-

tion de sables schisteux en utilisant les équations: CI: q*(C

CI (O BQ)

CQ eF*f Swn * BQv. OI ': F* (aw + Sw Bn*-1

Q ''= '

* eff V

6) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'il comporte, en-outre, l'étape qui con-

siste à déterminer la saturation-en huile d'une forma-

tion de sable schisteux en déterminant, en premier lieu, la conductivité, Cw de l'eau de la formation face à une

formation exempte d'huile puis en mesurant les conducti-

vités en phase et en quadrature face à la formation pétrolifère et en déterminant la saturation en huile à partir des équations suivantes: I:(Cw + F* Sw sj*-I CQ 'Xf eff Qv

7) Procédé selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'on engendre le courant dans la forma-

tion en utilisant une première paire d'électrodes espa-

cées, en ce qu'on mesure la tension en phase et la ten-

sion en quadrature entre une seconde paire d'électrodes espacées et en ce qu'on détermine les conductivités en phase et en quadrature à partir du courant précité et

des tensions précitées.

8) Un appareil de diagraphie de polarisa-

tion induite caractérisé en ce qu'il comprend: un bol- tier de sonde (30), ce bottier étant fabriqué en une

matière non métallique et conçu pour pouvoir être des-

cendu dans un trou de sonde; au moins une première paire et une seconde paire d'électrodes (11, 12 et 13, 14) montées sur la sonde; une source (10) de courant alternatif, cette source étant couplée à la première

paire d'électrodes (11, 12); une résistance de référen-

ce (16) montée en série avec la source de courant al-

ternatif et disposée dans la sonde; un amplificateur (15) à forte impédance d'entrée, cet amplificateur étant couplé à la seconde paire d'électrodes (13, 14); un détecteur ce phase (17), la résistance série et l'amplificateur étant tous deux couplés au détecteur de phase, le détecteur de phase comparant la tension aux

bornes de la résistance série au signal de l'amplifica-

teur pour déterminer les signaux en phase et en quadra-

ture dans le signal de l'amplificateur, ce détecteur de

phase étant disposé dans la sonde.

9) Appareil selon la revendication 8, carac-

térisé en ce qu'il comporte un câble volant (31) qui comporte à la fois un organe de traction et une série de conducteurs, l'une des extrémités de l'organe de

traction du câble étant fixée à la sonde et l'autre ex-

trémité de l'organe de traction étant fixée à une tête O30 d'accouplement (32) à un câble de diagraphie de puits, la sortie de l'amplificateur étant couplée à au moins

certains des conducteurs du câble et la surface extérieu-

re du câble volant étant électriquement isolée; un câble de diagraphie (33), ce câble de diagraphie étant

couplé à la tête d'accouplement; et des moyens d'en-

registrement (20), ces moyens d'enregistrement étant

disposés à la surface et couplés au câble de diagra-

phie.

10) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que des électrodes supplémen-

taires sont montées sur la sonde et en ce que l'agence-

ment des électrodes est modifié pour obtenir différen-

tes profondeurs d'investigation dans la formation ter-

restre.

11) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que les électrodes sont for-

mées par plusieurs spires de fil de plomb disposé sur

la surface extérieure de la sonde.

12) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que les électrodes sont des

électrodes en argot/chlorure d'argent ou autres élec-

trodes non polarisables.

13) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que la source de courant al-

ternatif est disposée dans la sonde. -

14) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que le signal de l'amplifica-

teur (15) est converti en numérique dans la sonde et

transmis à la surface sous forme d'une information numé-

rique.

) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que le détecteur de phase est

disposé à la surface.

16) Appareil selon l'une des revendications

8 et 9, caractérisé en ce que la résistance de référen-

ce est disposée à la surface.