FR2513387A1 - Procede et dispositif de diagraphie nucleaire pour determiner une caracteristique corrigee des formations - Google Patents
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Abstract
CE PROCEDE PERMET DE DETERMINER PAR EXEMPLE LA POROSITE DES FORMATIONS TRAVERSEES PAR UN SONDAGE. UN APPAREIL DE DIAGRAPHIE NEUTRON EST DEPLACE DANS LE SONDAGE EN IRRADIANT DE NEUTRONS LES FORMATIONS. CET APPAREIL COMPREND UNE SOURCE DE NEUTRONS ET DEUX DETECTEURS DISPOSES A DES DISTANCES DIFFERENTES DE LA SOURCE. LES NEUTRONS PROVENANT DES FORMATIONS SONT DETECTES ET L'ON ELABORE DES SIGNAUX FONCTION DES TAUX DE COMPTAGE DES DETECTEURS. EN REPONSE A CES SIGNAUX, ON PRODUIT UNE INDICATION DE LA POROSITE SENSIBLEMENT INDEPENDANTE DES ERREURS DUES A L'ECARTEMENT DE L'APPAREIL PAR RAPPORT A LA PAROI DU SONDAGE. ON ELABORE AUSSI DES VALEURS DE CET ECARTEMENT. CES VALEURS D'ECARTEMENT SONT FILTREES POUR REDUIRE LES VARIATIONS STATISTIQUES, PUIS UTILISEES POUR ELABORER DES INDICATIONS CORRIGEES DE LA POROSITE.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE DIAGRAPHIE NUCLEAIRE
POUR DETERMINER UNE CARA Cr ERISTIQUE CORRIGEE DES FORMATIONS 1 L'invention se rapporte aux procédés et dispositifs de diagraphie pour déterminer les caractéristiques des formations traversées par un sondage en irradiant ces formations par des neutrons et en mesurant la distribution spatiale des neutrons dans les formations Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une technique permettant d'éliminer sensiblement les imp récisions de cette détermination qui résultent de l'écartement de la paroi du
sondage et d'autres effets de l'environnement dans le sondage.
La connaissance de la porosité des formations traversées par un sondage est d'une extrême importance pour l'industrie pétrolière Des déterminations précises de cette porosité sont nécessaires, non seulement pour identifier des réservoirs possibles de pétrole ou de gaz, mais aussi pour calculer d'autres paramètres importants camme l'index de production maximum de pétrole d'une formation spécifique Dans une technique classique décrite dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NI 3 566 117 (M P TIXIER), on peut comparer la porosité (appelée "porosité neutron") provenant d'un appareil de diagraphie nucléaire neutron-neutron, à la valeur de porosité (appelée "porosité de densité") provenant d'un appareil de diagraphie nucléaire gamma-gammfa du type décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique NI 3 321 625 (J S WAHL), dans le but de
détecter la présence de gaz dans les formations.
Les mesures de porosité sont généralement effectuées au moyen d'un appareil de diagraphie neutron à deux détecteurs et une source de neutrons qui irradie les formations étudiées L'appareil est généralement appuyé contre la paroi du sondage par des excentreurs La population de neutrons qui en résulte est échantillonnée par les détecteurs disposés à des distances -2- 1 différentes de la source Un tel appareil est décrit plus en détail dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N 03 483 376 (S LOC Ke Si la mesure est faite à une distance suffisante de la source, les effets du sondage et de l'écartement de la paroi sont minimisés en prenant le rapport des taux de comptage Un convertisseur de fonction, ou un système équivalent, convertit ce rapport en un signal qui représente la porosité sans autre correction Cette porosité obtenue par le rapport des taux de comptage peut être influ Sncée par divers effets provenant de l'environnement de la mesure, comme par exemple l'écartement de la paroi, le diamètre du sondage, l'épaisseur de cake de boue, la salinité de la boue, la salinité de l'eau de formation, la densité de boue, etc Ordinairement, la correction de ces effets est effectuée par la suite, au cours d'une opération distincte, en référence à une pluralité de graphiques d'interprétation De telles opérations sont
une gêne à l'interprétation sur le site des résultats de diagraphie.
Il serait souhaitable de disposer d'une technique qui effectue ces corrections "dans la foulée" de façon à obtenir, sur le site, une
interprétation continue des diagraphies.
Malheureusement, en pratique, on ne peut réaliser un très grand espacement source-détecteurs Si les détecteurs sont disposés à une distance importante de la source, les taux de comptage deviennent trop faibles Par suite, on utilise un espacement source-détecteur plus faible que la distance idéale On obtient alors une réponse ayant des effets de sondage et d'écartement réduits mais non pas éliminés en totalité L'expérience a montré que des essais pour diminuer l'espacement source- détecteur afin d'obtenir des taux de comptage plus élevés ont pour résultat une influence beaucoup plus élevée de l'environnement sur le détecteur éloigné que sur le détecteur proche Par conséquent, la porosité dérivée du rapport des taux de comptage n'est pas délivrée, des
effets de l'environnement du sondage.
On a essayé de remédier à l'inconvénient de ces effets d'environnement dans les diagraphies neutron-neutron en mesurant effectivement les facteurs d'environnement responsables de ces effets et en faisant des corrections spécifiques Les brevets des Etats Unis d'Amérique N O 4 047 027 et NI 4 035 639 décrivent des
exemples de techniques qui utilisent ces mesures et ces corrections.
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1 Elles ont I' inconvénient de nécessiter un appareil supplémentaire pour mesurer l'écartement de la paroi Les appareils commerciaux actuels ne peuvent donc profiter de ces techniques à moins de consentir un effort spécial pour les équipes d'un détecteur d'écartement De plus, la porosité ainsi obtenue aura forcément une source d'incertitude supplémentaire due aux erreurs de mesure de l'écartement. Parmi tous les effets nuisibles de l'environnement, l'écartement de l'appareil de la paroi est sans doute le plus significatif Pour réduire le temps passé à prélever les mesures de diagraphie dans un sondage, on combine souvent deux ou plusieurs appareils Cette pratique de mesures avec une suite d'appareils augmente la probabilité, pour l'appareil de porosité neutron, de ne pas suivre la paroi du sondage, mais au contraire de s'en décoller au niveau des irrégularités créées par le forage, produisant ainsi
des écartements épisodiques et imprévisibles.
Jusqu'à présent, la plupart des opérations neutron-neutron à deux détecteurs ont été effectuées avec des détecteurs de neutrons thermiques qui permettent d'obtenir des statistiques raisonnables sur les taux de comptage avec des espacements source-détecteurs donnant des valeurs de porosité sans trop de dégradation par les effets de sondage 'Ibutefois, comme la mesure de porosité est basée sur la détection des neutrons thermiques, la présence dans les formations ou le sondage d'éléments qui absorbent ces neutrons thermiques complique l'interprétation des résultats De tels éléments sont souvent contenus dans l'argile ou l'eau salée On sait comment obtenir des informations sur les types d'argiles au moyen
d'appareils de diagraphie qui détectent la radioactivité naturelle.
Malheureusement, les éléments responsables de la radioactivité naturelle de l'argile ne sont pas les mêmes que ceux qui absorbent les neutrons thermiques et qui affectent l'appareil de diagraphie à neutron. L' importance de l'influence des éléments absorbants apparait clairement lorsqu'on se rend compte que la comparaison mentionnée précédemment entre la "porosité de densité" et la "porosité neutron"' devient suspecte dès qu'il existe de tels éléments N -3- -4- l Par conséquent, il serait très intéressant de disposer d'une détection de neutrons épithermiques insensible à la présence de ces éléments absorbants Toutefois, une telle technique n'est pas évidente, par suite de la réduction de taux de comptage et de la perte de précision due aux statistiques qui en résulte, inconvénients inhérents à la détection des neutrons épithermiques
par opposition à la détection des neutrons thermiques.
Des essais pour améliorer les taux de comptage et, par conséquent, les statistiques, en rapprochant les détecteurs de la source, se sont avérés inutiles du fait de la détérioration du signal de porosité obtenu par la technique du rapport des taux de comptage, cette détermination provenant de l'augmentation d'influence des effets d'environnement comme l'écartement de la
paroi et le diamètre du sondage.
Dans un sondage tubé, la porosité relative du tubage et du ciment, de même que la position de la sonde dans le tubage, ont un effet appréciable sur la détermination de porosité neutron des formations Il est très difficile de corriger cet effet car la géométrie exacte du tubage et du ciment est rarement connue Il est
donc souhaitable de disposer d'un appareil de diagraphie neutron-
neutron dans lequel la détermination des formations derrière le
tubage n'est pas faussée par les changements du tubage ou du ciment.
La réduction des taux de comptage, et la perte de précision provenant des statistiques sont des facteurs significatifs de limitation de la vitesse de la sonde, ce qui augmente le temps de mesure Des vitesses plus élevées seraient possibles en rapprochant les détecteurs de la source, si l'on pouvait trouver une technique pour pallier à la dégradation de la détermination de porosité par l'augmentation des effets d'environnement provenant de ce
rapprochement.
Comme mentionné précédemment, l'appareil neutron-neutron à deux détecteurs est normalement opéré dans une position excentrée pour minimiser les effets d'écartement de la paroi De ce fait, il ne peut être combiné qu'avec d'autres appareils utilisés dans une position excentrée Un appareil neutron indépendant des effets d'écartement de la paroi aurait l'avantage de pouvoir être combiné avec d'autres appareils fonctionnant normalement en position centrée, comme le pendagemàtre et les appareils de diagraphies acoustiques. 1 Enfin, dans certains puits en production qui ont tendance à s'ensabler, une technique classique consiste à utiliser un manchon de gravier (gravel pack) Un tel manchon filtre les fluides produits et empêche les particules de sable de pénétrer dans la colonne de production Il serait intéressant de disposer d'une technique de diagraphie permettant de déterminer l'emplacement et la hauteur de ce manchon afin de s'assurer que la zone de sable est convenablement recouverte. Ces améliorations peuvent être atteintes grâce à l'invention qui permet de réduire énormément et facilement les effets d'environnement Le principe sur lequel se base l'invention s'inspire de la constatation selon laquelle la réponse de l'appareil neutron-neutron est telle que pour une variation affectant uniquement la porosité des formations (toutes les conditions d'environnement, telles que l'écartement de la paroi etc restant les mêmes), le taux de comptage du détecteur proche et celui du détecteur éloigné varient tous les deux selon une réponse unique ou idéale Par contre, lorsque toutes les conditions, y compris la porosité des formations, varient à l'exception par exemple de l'écartement de la paroi, du diamètre du sondage, de l'épaisseur de tubage ou de ciment, ou de la qualité du manchon de gravier, le taux de comptage du détecteur proche et celui du détecteur éloigné varient tous les deux selon une réponse unique tout à fait différente de la réponse idéale De plus, on a trouvé que, si l'on représente les taux de comptage l'un en fonction de l'autre avec une échelle logarithmique, la courbe obtenue, dans le cas de variations d'écartement de la paroi, est une droite sur une plage importante de valeurs d'écartement, avec la caractéristique intéressante suivant laquelle la famille des droites obtenues pour des porosités
différentes convergent en un seul point.
Cette propriété a été utilisée dans l'invention pour convertir les taux de comptage des détecteurs proches et éloignés en une détermination de porosité corrigée automatiquement, sur le site, pour un ou plusieurs effets d'environnement comme l'écartement de la paroi ou la dimension du sondage Cette correction est différente de la technique du, rapport des taux de comptage qui fournit une
porosité affectée par ces effets d'environnement.
1 L' invention permet les perfectionnements décrits ci-dessus, en ce qui concerne la détection des neutrons épithermiques, la détermination et la correction des effets d'écartement de la paroi, la détermination de la qualité d'un manchon de gravier, l'amélioration de la vitesse de prise des mesures, et la correction automatique pour le tubage et le ciment dans un sondage tubé sans déterminer explicitement les détails de telles conditions De plus, cette technique permet de modifier un appareil de diagraphie classique en rapprochant les détecteurs de la source pour améliorer les statistiques, en utilisant une source d'intensité moindre, ou en combinant cet appareil avec d'autres fonctionnant normalement en
position centrée dans le sondage.
Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, un procédé pour étudier la porosité des formations traversées par un sondage comprend l'étape consistant à introduire un appareil de diagraphie neutron dans le sondage pour irradier les formations de neutrons et détecter les neutrons par deux détecteurs l'un proche et l'autre éloigné, de la source de neutrons On élabore des signaux représentatifs des taux de comptage du détecteur proche et du détecteur éloigné Selon une loi de réponse de l'appareil obtenue empiriquement ou mathématiquement, en fonction uniquement des variations de l'écartement de la paroi et/ou du diamètre du sondage, on compare les logarithmes des taux de comptage à une autre loi de réponse de l'appareil obtenue empiriquement ou mathématiquement, en fonction uniquement des variations de porosité On élabore, comme résultat, une représentation tangible de la porosité des formations corrigée pour les effets d'écartement de la paroi et/ou de diaffètre
du sondage.
Selon une autre mise en oeuvre de l' invention, on détermine l'écartement de la paroi du sondage, l'épaisseur effective du ciment/tubage, ou la qualité d'un manchon de gravier de la relation entre les logarithoes des taux de comptage et les lois de réponse sans mesure réelle dans le sondage Cette détermination peut ensuite être filtrée en réponse à une détermination de diamètre du sondage, et utilisée pour redéterminer une porosité améliorée ayant moins de
bruit statistique.
-7- 1 Selon encore une autre mise en oeuvre de l'invention, on peut déterminer une loi de réponse idéale de l'appareil en fonction seulement de la porosité, pour différentes dimensions de sondage ou de tubage Chacune de ces lois de réponse idéales est associée à une famille de loi de réponse en fonction seulement des variations d'écartement de la paroi ou d'autres effets d'environnement Si l'on connaît la dimension du sondage ou du tubage, on peut choisir la loi de réponse idéale et sa famille associée de lois de réponse, en fonction des variations d'écartement de la paroi (ou un autre effet
d'environnement) de façon à appliquer le procédé de l'invention.
Les caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront plus clairement de la description qui va suivre donnée
à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est un diagraume de la réponse de l'appareil neutron-neutron pour différentes porosité et différents écartements de la paroi dans un sondage usuel; La figure 3 est un diagramme de la réponse de l'appareil neutron-neutron pour différentes porosités et différents écartements de la paroi et pour plusieurs dimensions usuelles de sondage; La figure 4 est un organigramme des différentes étapes d'un procédé selon l'invention; et La figure 5 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation
de l'invention.
En référence à la figure 1, la sonde ou appareil de diagraphie 10 comprend une enveloppe 12 résistant à la pression suspendue à l'extrémité d'un cable 14 dans un sondage 16 Le câble 14 a des conducteurs isolés qui relient électriquement les équipements situés à l'intérieur de l'enveloppe 12 à un système de traitement 18 disposé en surface Ce système 18 peut comprendre un ordinateur numérique comme par exemple un PDP 11/34 commercialisé par la Société Digital Bquipment Corp et spécialement adapté, notamment par des instructions introduites en mémoire, pour mettre en oeuvre l'invention Un treuil (non représenté) situé en surface, est utilisé pour déplacer l'appareil 10 dans le sondage 16 au
travers des formations 20.
1 Le sondage 16 est généralement rempli de boue de forage 22; Pendant le forage, la partie liquide de cette boue pénètre dans les formations poreuses 20 en laissant un dép 6 t de matériaux solides sous forme d'un cake de boue 24 Pour diminuer l'influence de la boue 22 sur la réponse de l'appareil 10, un mécanisme d'excentration 26 repousse cet appareil contre une paroi de sondage pour empêcher
la boue de s'intercaler entre l'appareil et les formations 20.
Parfois, le sondage 16 peut présenter des caves ou des irrégularités, si bien que l'appareil ne peut pas être repoussé au contact des formations 20, un certain écartement de la paroi étant ainsi produit comme représenté Le mécanisme d'excentration 26 comprend un bras 28 articulé sur l'envelcppe 12 et actionné par un
ressort, et un capteur 30 donnant une mesure de diamètre du sondage.
Une source de neutrons 32, émettant 4 x 107 neutrons par seconde, est disposée à la partie inférieure de l'appareil 10 D'une façon classique, la source 32 est une source chimique, par exemple un mélange de plutonium et de béryllium ou d'américium et de béryllium La source 32 pourrait aussi être un générateur de neutrons à accélérateur d'ions comme décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N O 3 775 216 (A H FRENMROP) Chacune de ces sources est isotrope et émet des neutrons avec une égale probabilité dans
toutes les directions.
Les neutrons émis par la source 32 diffusent dans les formations 20 et sont détectés par un détecteur rapproché 34 de neutrons et par un détecteur éloigné 36 de neutrons thermiques En général, chacun de ces détecteurs comprend une cathode cylindrique creuse remplie d'un gaz sensible aux neutrons comme l'helium 3 ou le trifluorure de bore Un fil d'anode (non représenté), situé au centre du cylindre, crée un gradient de tension, au travers du gaz, qui permet aux particules nucléaires ionisées produites par l'absorption de neutrons par les noyaux de gaz, de produire des impulsions électriques sur les électrodes du détecteur Le détecteur éloigné 36, dont le volume est beaucoup plus élevé que le détecteur proche 34, est rempli de gaz He 3 à une pression supérieure pour augmenter sa sensibilité aux neutrons Cet arrangement de détecteurs de sensibilités différentes co Empense la diminution exponentielle de
la population de neutrons en fonction de la distance à la source 32.
-8- -9- 1 Un écran 42 est placé de façon classique entre le détecteur proche 34 et la source 32 pour réduire l'irradiation directe de ce détecteur par les neutrons de la source, et pour augmenter la
sensibilité de l'appareil à la porosité.
Les détecteurs 34 et 36 peuvent aussi être adaptés à la détection des populations de neutrons épithermiques au lieu des neutrons thermiques Dans ce cas, les détecteurs par ailleurs similaires aux précédents, comprennent un manchon en cadmium ou en un autre matériau absorbant les neutrons, de façon à absorber de préférence les neutrons d'énergie inférieure à un seuil caractéristique du matériau De plus, par suite de la diminution des taux de comptage qui se produit dans la détection des neutrons épithermiques, les détecteurs 34 et 36 peuvent être disposés à des distances optimales différentes par rapport à la source (généralement plus proches que les détecteurs de neutrons thermiques et peuvent être maintenus à une presion plus élevée que les
détecteurs de neutrons thermiques.
Les impulsions des détecteurs 34 et 36 sont comptées dans un circuit approprié (non représenté) de façon à engendrer des signaux de taux de comptage représentatifs du nombre, par seconde, de neutrons détectés par chacun des deux détecteurs Dans une variante, les détecteurs 34 et 36 et leurs circuits associés peuvent élaborer des signaux représentatifs de l'énergie totale reçue dans les détecteurs respectifs, laquelle est fonction du taux de coeptage Par souci de simplification, les signaux élaborés par les détecteurs 34 et 36 seront appelés taux de comptage, l'invention n'étant toutefois pas limitée à de tels signaux Ces signaux sont transmis de façon connue par le câble 14 à l'instrumentation de surface, après différents traitements dépendant de l'équipement de
télétransmission utilisé dans l'appareil de fond et en surface.
Lorsque l'appareil est déplacé le long du sondage, un appareil de mesure de profondeur 44, sensible au mouvement du câble, fournit une indication de la profondeur dans le sondage Les signaux des détecteurs 34 et 36, après transmission en surface, sont convertis, selon les principes de la présente invention, en représentations tangibles de la porosité sous forme d'une courbe, ou
trace, avec une échelle de profondeur.
-10- l Dans le mode de réalisation de la figure 1, les signaux des détecteurs 34 et 36 proche et éloigné subissent un certain nombre de corrections Les corrections généralement appliquées aux signaux par l'élément 46 sont des étalonnages des taux de comptage et des corrections de temps morts On sait que l'appareil de diagraphie doit être étalonné par rapport à des conditions standards Un tel étalonnage est normalement effectué en plaçant l'appareil dans une formation étalon en surface et en enregistrant les taux de comptage des détecteurs que l'on obtient Par conséquent, les corrections d'étalonnage appliquées par l'élément 46 aux taux de comptage provenant des formations tiennent compte de tout changement dans le comportement de l'appareil tel qu'une diminution de la sensibilité
de détection.
L'autre correction appliquée par l'élément 46 est une correction pour les pertes dues aux temps morts électroniques, du fait que l'équipement électronique utilisé pour compter et transmettre les impulsions élaborées par les détecteurs en réponse aux neutrons détectés n'est pas parfait On peut estimer les pertes de taux de comptage dues à ces défauts électroniques Après avoir été quantifiées (en surface dans des conditions connues) ces pertes dues aux temps morts peuvent être utilisées pour corriger les signaux de taux de comptage transmis aux circuits de traitement 18 depuis l'appareil de fond Ces corrections ne seront pas expliquées en détail car elles sont bien connues et ne sont pas une partie
essentielle de l'invention.
Une autre correction appliquée par l'élément 46 est une correction de diamètre du sondage Comme indiqué précédemment, le diamètre du sondage n'est pas uniforme mais peut différer du diamètre du trépan pour diverses raisons Malheureusement, la réponse de l'appareil dépend du diamètre du sondage par suite de
l'influernce de la boue sur la population de neutrons.
Dans ce premier mode de mise en oeuvre de l'invention, les signaux de taux de comptage sont corrigés, au fur et mesure, pour les effets de sondage, de la manière suivante: Des taux de comptage sont obtenus en plaçant l'appareil de diagraphie dans des formations de différentes porosités pour plusieurs sondages de diamètre différents Chaque ensemble de taux -11- 1 de comptage, pour un certain diamètre de sondage, forme une loi de réponse qui peut être représentée par une droite si l'on utilise cormmne coordonnées le logarithme des taux de comptage en fonction de la porosité ( O) élevée à une puissance de valeur sensiblement égale à 0,5 sélectionnée pour obtenir une droite Si l'on représente à la fois toutes les données, on remarque que chaque ensemble de taux de comptage passe par un point d'intersection Y avec l'axe des ordonnées (représentant le logarithme du taux de comptage du détecteur pour une formation de porosité nulle) et que toutes les courbes passent sensiblement par le même point (point d'eau ou la porosité est de 100 %) Si l'on représente l'intersection Y de ces ensembles de données en fonction du diam'tre du sondage, on obtient une courbe de réponse qui peut être exprimée sous forme quadratique par l'expression Yd = A + d B ( 1) Yd =a+d-c dans laquelle Y est l'intersection décrite ci-dessus, d est le diamètre du sondage, A, B et C sont des constantes qui correspondent généralement au logarithme du taux de comptage pour une porosité zéro et un diamètre de sondage infini, à la sensibilité de l'appareil au diamètre du sondage et au diamètre approximatif de l'appareil. On peut alors déterminer une relation qui représente un simple dchangement d'échelle, pour convertir le logarithme du taux de comptage pour un détecteur donné situé dans un sondage de diamètre d tel que mesuré par le diamétreur 30, en un autre logarithme du taux de comptage que fournirait le détecteur s'il était placé dans un sondage étalon de diamètre standard ( 20 cm par exemple) Ainsi, l'élément 46 convertit les signaux de taux de comptage déjà corrigés pour l'étalonnage et les temps morts selon la relation suivante: CRC = C Ro = (CR C Ro) (Yo -C Ro) ( 2) dans laquelle: C Rc est le logarithme du taux de comptage du détecteur (proche ou éloigné) converti pour un sondage standard de 20 cm; C Ro est le logarithme du taux de comptage du détecteur pour % de porosité et un sondage de 20 cm; CR est le logarithme du taux de comptage du détecteur dans un sondage de diamètre d tel que mesuré par le diamitreur 30; -12- 1 Y est le logarithme du taux de comptage du détecteur dans un sondage standard de 20 cm et pour une porosité nulle; Yd est le logarithme du taux de comptage du détecteur dans un sondage de diamètre d et pour une porosité nulle, cette valeur pouvant être obtenue par l'équation ( 1). Après correction des taux de comptage par l'élément 46, les signaux corrigés (Nc et Fd) sont utilisés dans l'élément 48 pour déterminer une valeur de la porosité délivrée des effets de l'écartement de la paroi du sondage Cette détermination s'effectue
sans avoir à mesurer expressément la valeur de cet écartement.
On a trouvé que l'appareil neutron-neutron a une réponse dont les caractéristiques, une fois bien comprises, permettent cette détermination de porosité (ou d'une autre caractéristique des formations) Plus précisément, on peut déterminer une loi de réponse idéale de l'appareil en fonction des variations de porosité en termes de taux de comptage des détecteurs proche et éloigné Cette loi de réponse idéale est déterminée soit expérimentalement soit par des calculs statistiques, en gardant constants tous les éléments de l'environnement de la mesure comme la salinité de l'eau, le diam-tre du sondage, l'écartement de la paroi, l'épaisseur de cake de boue, la lithologie, l'épaisseur de tubage et de ciment dans le cas d'un sondage tubé etc En d'autres termes, lorsque tous les effets d'environnement sont maintenus constants, il existe, pour un appareil donné, une seule paire de valeurs des taux de comptage des détecteurs proche et éloigné pour chaque valeur de porosité On a représenté en 56 sur la figure 2 une telle loi de réponse idéale de l'appareil, en termes de logarithmes des taux de comptage, pour un sondage. On a aussi trouvé que, pour chaque valeur de porosité (ou d'autre caractéristique des formations), les deux valeurs des taux de comptage des détecteurs varient, en fonction des variations d'un effet d'un élément d'environnement comme l'écartement de la paroi, d'une façon qui définit une loi de réponse différente de l'appareil, des exemples étant représentés en 58, 58 ', 58 " et 58 "'' Comme on peut le voir, les lois de réponse aux effets d'environnement passent
toutes par un point de concours 60.
-13- 1 Cette propriété du comportement de l'appareil neutron-neutron est utilisé, selon l'invention, pour obtenir une valeur de porosité débarrassée des effets d'écartement de la paroi, même si les taux de comptage en sont affectés et bien qu'aucune mesure de cet écartement ne soit effectuée. En référence à la figure 2, on peut voir comment appliquer
ce phénomène pour obtenir une telle valeur corrigée de la porosité. Le point 62 représente des taux de comptage Nc et Fc du détecteur proche
et éloigné, tels qu'ils ont été obtenus au moyen de l'appareil neutronneutron dans une formation de porosité inconnue et avec un écartement de la paroi inconnu Les corrections de diamètre du sondage, d'étalonnage, et de temps morts ont déjà été effectuées de sorte que N et Fc sont des taux de comptage rapportés à un sondage standard de 20 cm de diaffàtre La loi de réponse idéale 56 et les coordonnées No, F O du point de concours des lois de réponse à l'environnement 58, ont été déterminées, comme expliqué précédemmrent, d'une part en faisant varier la porosité avec des écartements de la paroi constants, et d'une part en faisant varier l'écartement de la paroi pour des porosités constantes Graphiquement, la porosité corrigée (O) peut être cor déterminée en traçant une droite passant par les points 60 et 62 en déterminant le point 64 de coordonnées N et F o cette droite coupe la courbe de réponse idéale 56 Mathématiquement cette méthode graphique est équivalente à la résolution du système des deux équations suivantes définissant les deux courbes 56 et 58 ':
F = A'(N)2 + B'N + C' ( 3)
dans laquelle A', Bl et C' sont des constantes obtenues par une approximation quadratique de la courbe 56 de réponse idéale, et (c N-N) / (FC-F) = (N -N) /(F -F) ( 4) tous les taux de comptage étant exprimés sous la forme de leurs logarithmes. Après avoir déterminé N et F, on peut utiliser la loi de réponse idéale ci-dessus pour déterminer la porosité corrigée (c'est à dire débarrassée des effets d'écartement de la paroi) Une équation susceptible d'être utilisée est la relation habituelle du rapport des taux de comptage mentionnée précédemment lors de la discussion de l'art antérieur c =f (Ne) ( 5) cor -14- 1 On peut voir, que dans certains cas, du fait de la pente des courbes 58, une faible erreur sur le point 62 (Nc, V conduira à une erreur importante sur N, F et, par conséquent, sur la porosité corrigée d De telles erreurs sur les taux de cor comptage, et notamment sur F c, sont prévisibles du fait de la nature statistique de la physique de l'appareil neutron-neutron Il est donc souhaitable de prévoir un lissage, ou filtrage, de la
diagraphie résultants de porosité.
Ce filtrage s'effectue dans l'élément 50 Un sous-produit
de l'étape de filtrage est la détermination de l'écartement (S O).
Pour stabiliser, ou lisser, la diagraphie de porosité, on profite du fait que le détecteur proche, qui a un taux de comptage beaucoup plus élevé que le détecteur éloigné, est beaucoup moins influencé par la nature statistique de processus Par conséquent, l'incertitude ou erreur statistique introduite dans la détermination de if est due principalement au taux de comptage du détecteur éloigné Cependant, une valeur de porosité déterminée uniquement à partir du taux de comptage du détecteur proche serait très
influencée par l'écartement de la paroi.
De plus, on utilise la supposition selon laquelle les variations d'écartement en fonction de la profondeur devraient être faibles si les variations de diamètre du sondage sont faibles En d'autres termes, on suppose qu'il y a peu ou pas de variations d'écartement de la paroi si le sondage a un diamètre relativement
constant.
A partir de ces suppositions, une technique de lissage ou de filtrage peut être la suivante Tout d'abord, dans l'équation ( 3) on prend N* égal à N et l'on détermine FN, taux de c N comptage du détecteur éloigné qui correspondrait au taux de comptage NV avec un écartement nul de la paroi A partir du point 66 (Nc, FN) de la figure 2, on peut déterminer une valeur de porosité appelée porosité du détecteur proche -% en utilisant la relation ( 5) mentionnée précédemment fié=f (Nc/N) Ensuite, Xcor ou 4 W est déterminé Sur la figure 2, on constate que 4 f peut être lié à l'écartement de la paroi (S O) par une relation: S.o = g( 49, ") ( 7) -15-
1 qui peut être déterminée empiriquement pour l'appareil neutron-
neutron. De plus la relation inverse A/ = f (S O, ON) ( 6) peut aussi être déterminée empiriquement La connaissance de l'équation ( 6) et de la valeur de Et trouvée ci-dessus permet de déterminer une valeur de l'écartement de la paroi (S O) pour le
point considéré.
La supposition selon laquelle l'écartement de la paroi
change peu si le diamètre du sondage varie peu, entre alors en jeu.
L'élément 50 prend la dérivée de la lecture de diamètre par rapport à la profondeur Si cette dérivée a une valeur faible, l'écartement de la paroi (S O) déterminé pour plusieurs profondeurs sur un intervalle du sondage, est lissé sur un intervalle de profondeurs déterminé, de façon que cet écartement (S O) ne puisse pas varier rapidement L'agitation provoquée par les statistiques sur le taux de comptage du détecteur éloigné est éliminée par filtrage de cette façon D'autre part, si la dérivée a une valeur importante, l'écartement de la paroi n'est pas lissé aussi fortement, permettant ainsi des variations plus rapides de cet écartement comme on s'y
attend par suite des variations de diamètre de sondage.
Une technique de filtrage susceptible d'être utilisée avantageusement est une technique de moyenne modérée, les coefficients de pondération des points qui contribuent au calcul de cette moyenne étant obtenus, par la dérivée de la lecture de diamèetre Cette technique a l'avantage de la simplicité mais on peut utiliser de nombreux autres filtrages adaptifs avec autant ou plus de succès Un filtre adaptatif de Kalman pourrait être intéressant pour cette application bien qu'il soit plus complexe et plus difficile à mettre en oeuvre De toute façon, l'invention concerne
n'importe quel type de filtre convenable.
Après avoir déterminé une valeur lissée de l'écartement (S.O S), on utilise l'équation ( 7) de la fonction inverse pour déterminer une valeur filtrée de b 'r qui, ajoutée à la porosité I du détecteur proche, produit la valeur vraie de la porosité AT Cette porosité, qui dépend d'une valeur filtrée de l'écartement, comporte aussi des variations statistiques réduites et
correspond par conséquent à une valeur améliorée et lissée.
13387
-16- 1 La figure 4 représente, sous forme d'un organigramme, les
étapes précédemment décrites et leurs relations mutuelles.
Les taux de comptage N et F des détecteurs sont tout d'abord corrigés pour les pertes de temps morts dans le bloc 68, puis étalonnés dans le bloc 70 Ces taux de comptage sont ensuite corrigés pour les effets du diamètre du sondage dans le bloc 72 en réponse à la mesure provenant du diamètre Cette correction donne les valeurs N et Fc équivalentes aux taux de comptage effectifs
que l'on obtiendrait dans un sondage standard de 20 cm de diamètre.
Les valeurs Nôc et FC sont ensuite appliquées au bloc 74 dans lequel on résout le système d'équations impliquant les logarithmes des taux de comptage et représentant d'une part la loi de réponse idéale de l'appareil pour une porosité variable et, d'autre part, la loi de réponse de l'appareil pour un écartement variable de la paroi, afin de trouver les taux de comptage N et F situés sur la courbe de réponse idéale et corrigés pour les
effets d'écartement.
Le bloc 78 convertit ensuite les taux de comptage N et F en une valeur de porosité corrigée Jcor au moyen d'une relation déterminée empiriquement entre cette porosité corrigée et
* *
le rapport des taux de comptage N et F Parallèlement, le bloc 76 utilise la relation empirique qui exprime la loi de réponse idéale de l'appareil, pour déterminer un taux de comptage FN de détecteur éloigné que l'on obtiendrait pour un taux de comptage du détecteur proche égal à N et sans écartement de la paroi Dans le bloc 80, on convertit les taux de * comptage N et FN en une valeur de porosité 4 en utilisant c N N
la relation entre la porosité et le rapport des taux de comptage.
Dans le bloc 82, on soustrait la valeur corrigée de porosité Jcor obtenue dans le bloc 78 à la valeur O obtenue dans le bloc 80 afin d'obtenir leur différence W. Le bloc 86 utilise ensuite une relation entre l'écartement de la paroi et la porosité et, en réponse à la différence de porosité, donne une valeur effective (S O) de l'écartement de la paroi Cette relation peut être déterminée empiriquement en faisant fonctionner l'appareil dans les formations de porosité connues et
dans des conditions connues d'écartements de la paroi.
-17- 1 Les étapes ci-dessus sont effectuées pour un certain nombre
de profondeurs, et les résultats sont stockés dans une mémoire 88.
Ensuite, la dérivée de la mesure de diamètre fournie par le bloc 84 est utilisée comme entrée d'un processus de filtrage effectué dans le bloc 90 pour fournir une valeur lissée de l'écartement (S O S). Comme mentionné précédemment, la fonction de filtrage peut être un calcul de moyenne pondérée ou un autre calcul comme par exemple un
filtrage adaptatif de Kalman.
Les valeurs obtenues de l'écartement sont ensuite enregistrées dans l'enregistreur 54 pour obtenir une représentation tangible de cet écartement en fonction de la profondeur Les valeurs d'écartement sont aussi appliquées au bloc 92 dans lequel on utilise la fonction inverse entre l'écartement et l'écart de porosité pour obtenir les écarts de porosité lissés A< Cet écart A< est s s ensuite combiné (bloc 94) avec la porosité O provenant du bloc pour obtenir une indication qui représente la porosité vraie T de la formation Les valeurs de porosité vraie sont transmises à l'enregistreur 54 pour obtenir une représentation tangible de
cette porosité en fonction de la profondeur.
En référence maintenant aux figures 3 et 5, on va décrire un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention en ce qui concerne l'élément 48 ' La figure 5 représente le procédé de l'invention
appliqué à un sondage tubé comportant un tubage 40 et du ciment 38.
Dans ce deuxième mode de réalisation, on met à profit la possibilité de déterminer empiriquement une loi de réponse idéale de l'appareil pour chaque dimension de tubage ou de sondage de sorte qu' il n'est pas nécessaire d'effectuer les corrections décrites précédemment La figure 3 montre une famille de courbes de réponse idéales 56, 56 ', 56 " et 56 "' qui correspondent respectivement à des tubages ou
sondages de diamètre nominal égal à 20, 25, 15 et 10 cm.
Chaque courbe de réponse idéale a une famille correspondante de lois de réponse 58 aux effets d'environnement (par exemple l'écartement de la paroi) Pour simplifier la figure, seule a été représentée la famille de courbes correspondant à la réponse
idéale 56 ' c'est-à-dire pour un sondage ou tubage de 25 cm.
-18- 1 Dans l'élément 48 ', on utilise le diamètre interne connu du tubage, ou la mesure de diamètre du sondage ou tubage, pour sélectionner la réponse idéale qui convient, ainsi que sa famille de réponses aux effets d'environnement L' utilisation de cette réponse sélectionnée compense les variations de taux de comptage dues aux effets des différents tubages ou sondages Pour le reste, ou utilise la mêne procédure que celle précédemment décrite en référence aux figures 2 et 4, à l'exception des corrections d'effets du sondage ou du tubage Si le dianètreur indique une mesure de diamètre du sondage comprise entre deux des diamètres pour lesquels des courbes de réponse idéales ont été réalisées, on peut employer une technique
d'interpolation bien connue des spécialistes.
L'invention n'est, bien entendu, pas limitée aux modes de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits Notamment, la porosité n'est qu'un exemple d'une caractéristique des formations susceptible d'être déterminée De même, l'écartement de la paroi n'est qu'un
exemple d'un effet d'environnement susceptible d'être traité.
D'autres effets d'environnement peuvent être, notamment mais non exclusivement, l'épaisseur de cake de boue, l'épaisseur de tubage et de ciment, la qualité d'un manchon de gravier, et la salinité du fluide D'autre part, il est aussi possible d'utiliser l'invention pour des signaux provenant de détecteurs de rayons gamma ou sur des signaux représentatifs de l'énergie totale reçue par les détecteurs, pourvu que les particules détectées proviennent d'interactions entre les neutrons émis par la source et les noyaux des matériaux situés à proximité des détecteurs Ces neutrons peuvent être émis par une source chimique ou à accélérateur Enfin, les figures 2 et 3 et la
description ont mentionné, pour le traitement, les logarithmes des
taux de comptage qui n'ont rien de critique pour la mise en oeuvre de l' invention et ne doivent pas être considérés, par conséquent,
comme une limitation de cette mise en oeuvre.
-19 2513387
Claims (15)
1 Procédé pour déterminer une caractéristique des formations souterraines corrigée pour l'effet d'au moins un élément d'environnement lors de l'étude de ces formations dans un sondage qui les traverse, comprenant l'étape consistant à produire des premier et deuxième signaux respectivement représentatifs de la réponse de deux détecteurs à des interactions entre des neutrons émis et les noyaux des matériaux se trouvant autour et dans le sondage, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: prédéterminer une loi de réponse idéale non affectée par ledit effet d'environnement, en fonction de ladite caractéristique des formations, ladite loi de réponse étant exprimée en termes desdits premier et deuxième signaux et -en réponse auxdits premier et deuxième signaux et à ladite loi de réponse idéale, élaborer un signal représentatif de la caractéristique des formations corrigé pour au moins ledit effet d'environnement. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'élaboration du signal corrigé consiste à: prédéterminer une loi de réponse à ladite caractéristique, en fonction des variations dudit effet d'environnement, ladite loi étant exprinée en termes desdits premier et deuxième signaux; et en réponse auxdits premier et deuxième signaux, à ladite loi de réponse idéale, et à ladite loi de réponse en fonction des variations de l'effet d'environnement, élaborer un signal représentatif de la caractéristique des formations, corrigé pour au
moins ledit effet d'environnement.
3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que l'on produit un troisième signal représentatif du diamètre du sondage, et en ce que l'étape de predétermination d'une loi de réponse idéale est effectuée pour plusieurs valeurs de
diamètres de sondages.
-20- 1 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on produit un troisième signal représentatif du diamètre du sondage, et en ce que l'étape de predétermination de la loi de réponse en fonction de l'effet d'environnement est effectuée pour plusieurs valeurs de diamrètres de sondages.
Procédé selon l'un des revendications 1 à 4, caractérisé
en ce que ladite caractéristique des formations est la porosité.
6 Procédé selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que ledit élément d'environnement est l'écartement
des détecteurs par rapport à la paroi du sondage.
7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que ledit élément d'environnement est l'état du
ciment et du tubage dans le sondage.
8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que ledit élément d'environnement est le diamètre
du sondage.
9 Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à modifier lesdits premier et deuxième signaux en réponse audit troisième signal pour normaliser lesdits signaux à des conditions de diamètre de sondage équivalentes à celles pour lesquelles la loi de réponse
idéale est prédéterminée.
Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4,
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: produire un signal représentatif de la valeur effective de l'élément d'environnement; et filtrer ledit signal représentatif de la valeur effective de l'élément d'environnement pour élaborer un signal filtré en
réponse audit signal représentatif du diamètre du sondage.
1338 7
-21- 1 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de prédétermination de la caractéristique
des formations en réponse audit signal filtré.
12 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite étape de filtrage consiste a effectuer un filtrage adaptatif du signal représentatif de la valeur effective de l'élément d'environnement en réponse à la dérivée du signal
représentatif du diamètre du sondage.
13 Procédé selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième signaux sont représentatifs de l'énergie totale reçue respectivement
par les deux détecteurs.
14 Dispositif de prospection des formations souterraines traver es par un sondage, pour déterminer une caractéristique des formations corrigée pour l'effet d'au moins un élément d'environnement lors de l'étude des formations, comprenant un appareil de diagraphie neutron adapté à être déplacé dans le sondage pour irradier les formations de neutrons, ledit appareil comprenant une source de neutrons et deux détecteurs espacés de la source de distances différentes pour produire des premier et deuxième signaux représentatifs des interactions entre lesdits neutrons et les noyaux des matériaux au voisinage des détecteurs, caractérisé en ce qu' il comprend: des moyens de mémorisation pour garder en mémoire une loi de réponse idéale de l'appareil à ladite caractéristique, cette loi de réponse exprimée en termes desdits premier et deuxième signaux, étant indépendante dudit effet d'environnement; et des moyens sensibles auxdits premier et deuxième signaux et à ladite loi de réponse idéale, pour élaborer un signal représentatif de la caractéristique des formations corrigé pour
l'effet d'environnement.
-22- 1 15 Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens de mémorisation comprennent des moyens pour garder en m'moire une loi de réponse prédéterminée dudit appareil à ladite caractéristique, cette loi de réponse prédéterminée, exprimée en termes desdits premier et deuxième signaux, étant fonction des variations dudit élément d'environnement; lesdits moyens d'élaboration du signal corrigé étant aussi sensibles à ladite loi
de réponse prédéterminée fonction de l'environnement.
16 Dispositif selon l'une des revendications 14 ou 15,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour produire un troisième signal représentatif du diamntre du sondage; et en ce que lesdits moyens de mémorisation sont adaptés à stocker des lois de réponse idéales à ladite caractéristique; prédéterminées pour
plusieurs diamètres de sondages différents.
17 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour produire un troisième signal représentatif du diamètre du sondage; et en ce que lesdits moyens de mémorisation sont adaptés à stocker des lois de réponse prédéterminées fonction de l'effet d'environnement pour plusieurs
diamètres de sondages différents.
18 Dispositif selon le revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens pour déterminer le diamètre du sondage; et des moyens pour modifier lesdits premier et deuxième signaux en réponse au diamètre du sondage afin de normaliser lesdits signaux à un diamxtre de sondage standard équivalent à celui pour
lequel la loi de réponse idéale est déterminée.
19 Dispositif selon l'une des revendications 16, 17 ou 18,
caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens pour produire un signal représentatif de la valeur dudit élément d'environnement; et -23- 1 des moyens pour filtrer ledit signal d' élément d'environnement pour élaborer un signal filtré en réponse audit
signal représentatif du diamètre du sondage.
20 Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu' il comprend des moyens pour déterminer la caractéristique des
formations en réponse audit signal filtré.
21 Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage sont adaptés à effectuer un filtrage adaptatif dudit signal représentatif de la valeur de l'élément
d'environnement en réponse à la dérivée dudit troisiàme signal.
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