FR2562266A1

FR2562266A1 - APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING PARAMETERS OF TERRESTRIAL FORMATIONS DURING DRILLING

Info

Publication number: FR2562266A1
Application number: FR8504803A
Authority: FR
Inventors: Thomas W Buckman
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1985-10-04
Also published as: GB8504674D0; NO851152L; JPS60219581A; GB2156527A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA DIAGRAPHIE ELECTROMAGNETIQUE DES SONDAGES. ELLE SE RAPPORTE A UN PROCEDE ET UN APPAREIL QUI FORMENT UN CHAMP ELECTROMAGNETIQUE AYANT DES LOBES ETROITS ET BIEN DIRIGES, PENETRANT DANS LA FORMATION ENTOURANT LE SONDAGE. LA FREQUENCE DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE EST SUFFISAMMENT FAIBLE POUR QU'UN CHAMP MAGNETIQUE SOIT INDUIT DANS LA FORMATION, MAIS SUFFISAMMENT ELEVEE POUR QU'IL PERMETTE L'UTILISATION D'ANTENNES NON RESONNANTES. APPLICATION A LA MESURE DES CARACTERISTIQUES DES FORMATIONS SIMULTANEMENT A L'EXECUTION DES FORAGES, NOTAMMENT PETROLIERS.THE INVENTION CONCERNS THE ELECTROMAGNETIC DIAGRAPHY OF SURVEYS. IT RELATES TO A PROCESS AND AN APPARATUS WHICH FORMS AN ELECTROMAGNETIC FIELD WITH NARROW AND WELL DIRECTED LOBES, PENETRATES IN THE FORMATION SURROUNDING THE SURVEY. THE FREQUENCY OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD IS LOW ENOUGH FOR A MAGNETIC FIELD TO BE INDUCED IN THE FORMATION, BUT HIGH ENOUGH TO ALLOW THE USE OF NON-RESONANT ANTENNAS. APPLICATION TO THE MEASUREMENT OF THE CHARACTERISTICS OF TRAINING SIMULTANEOUSLY TO THE EXECUTION OF DRILLING, ESPECIALLY OIL.

Description

La présente invention concerne la mesure de différents paramètres deThe present invention relates to the measurement of various parameters of

formations terrestres au cours du forage d'un sondage et plus précisément elle concerne la mesure du pendage des formations par utilisation d'une antenne à ouverture. Pour de nombreuses raisons, il est souhaitable de transmettre des signaux électriques dans la terre qui constitue le milieu de propagation, et de les recevoir à un emplacement distant de l'émetteur. Un tel système de propagation de signaux est utilisé par exemple à la fois pour la détermination de divers paramètres associés au milieu propagateur et pour des communications. Ces systèmes sont souvent utilisés pour l'étude des conditions des milieux entourant un sondage et en particulier des formations terrestres qui l'entourent. Divers types de systèmes de diagraphie des sondages sont disponibles pour ces études. Une catégorie de tels systèmes met en oeuvre des phénomènes dus aux champs électromagnétiques pour l'obtention de données concernant les conditions formations during the drilling of a borehole and more precisely it relates to the measurement of the dip of formations using an aperture antenna. For many reasons, it is desirable to transmit electrical signals into the earth that constitutes the propagation medium, and to receive them at a location remote from the transmitter. Such a signal propagation system is used for example both for the determination of various parameters associated with the propagating medium and for communications. These systems are often used for the study of the conditions of the environments surrounding a sounding and in particular of the terrestrial formations which surround it. Various types of survey logging systems are available for these studies. A category of such systems uses electromagnetic field phenomena to obtain data concerning the conditions

régnant autour du sondage.prevailing around the poll.

Un premier type de diagraphie électromagnétique est la diagraphie électrique qui met en oeuvre un champ électrique, dans la formation environnante, pour la mise A first type of electromagnetic logging is the electrical logging which implements an electric field, in the surrounding formation, for the purpose of

en évidence et la mesure de la conductivité de la formation. highlighting and measuring the conductivity of the formation.

Une boue conductrice est nécessaire à une utilisation convenable d'un tel système, si bien que celui-ci ne convient pas aux boues à base huileuse. La diagraphie A conductive sludge is necessary for the proper use of such a system, so that it is unsuitable for oily sludge. Logging

par induction est un autre type de diagraphie électromagné- induction is another type of electromagnetic logging

tique qui met en oeuvre un champ -magnétique créé dans la formation pour la formation d'un courant électrique secondaire dans la formation. Ce courant secondaire crée un second champ magnétique qui induit un courant dans des bobines réceptrices placées dans le sondage. Le courant induit dans la bobine ou les bobines réceptrices est proportionnel au courant électrique secondaire dans la formation et il est donc proportionnel à la conductivité tick which implements a magnetic field created in the formation for the formation of a secondary electric current in the formation. This secondary current creates a second magnetic field that induces a current in receiving coils placed in the sounding. The induced current in the coil or receiver coils is proportional to the secondary electric current in the formation and is therefore proportional to the conductivity

ou inversement proportionnel à la résistivité de la forma- or inversely proportional to the resistivity of the forma-

tion qui l'entoure. La propagation des ondes électromagné- around him. The propagation of electromagnetic waves

tiques permet la mise en oeuvre d'un autre système de diagraphie pour l'étude des conditions régnant autour d'un sondage, ce système faisant l'objet de la présente invention. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 551 797 décrit un exemple de système de diagraphie électromagnétique du type provoquant la propagation d'ondes. Ce brevet décrit un système ayant un câble de forage qui porte un émetteur et une paire de récepteurs espacés axialement le long du sondage. L'émetteur transmet de l'énergie électromagnétique suivant un champ qui est uniformément réparti en direction azimutale autour du sondage, et le signal reçu par les deux antennes distantes axialement est analysé et donne des différences d'amplitude et de phase qui sont représentatives de la conductivité des ticks allows the implementation of another logging system for the study of the conditions prevailing around a sounding, this system subject of the present invention. U.S. Patent No. 3,551,797 describes an example of an electromagnetic logging system of the type causing wave propagation. This patent describes a system having a bored cable carrying an emitter and a pair of receivers spaced axially along the borehole. The transmitter transmits electromagnetic energy along a field which is uniformly distributed in the azimuthal direction around the borehole, and the signal received by the two antennas spaced axially is analyzed and gives amplitude and phase differences which are representative of the conductivity of

formations entourant le sondage.training surrounding the survey.

Des paramètres qui sont extrêmement utiles pour l'évaluation de la nature des formations souterraines dans lesquelles pénètre un sondage sont l'épaisseur des Parameters that are extremely useful for assessing the nature of the subterranean formations in which a sounding hole penetrates are the thickness of the

formations et leur pendage. Le pendage d'une strate géolo- formations and their dip. The dip of a geological stratum

gique est de façon général l'angle du plan dans lequel is generally the angle of the plane in which

se trouve la limite entre une formation d'un type particu- is the boundary between a formation of a particular type

lier et la formation contiguë, avec un plan horizontal de référence. Plus précisément, le pendage d'une formation est évalué par détermination de l'angle d'intersection des parois d'un sondage avec le plan de la frontière d'une formation. Ce problème de la détermination du pendage des formations est donc celui du positionnement de trois points dans une couche sédimentaire par rapport à un plan horizontal, le plan étant déterminé par les trois points, l'angle de pendage étant l'angle de ce plan avec bind and contiguous formation, with a horizontal reference plane. More precisely, the dip of a formation is evaluated by determining the angle of intersection of the walls of a sounding hole with the plane of the boundary of a formation. This problem of the determination of the dip of the formations is thus that of the positioning of three points in a sedimentary layer with respect to a horizontal plane, the plane being determined by the three points, the angle of dip being the angle of this plane with

le plan horizontal.the horizontal plane.

Les instruments connus mis en oeuvre avec un câble de forage qui ont été utilisés pour l'évaluation de l'orientation des strates des formations, doivent effectuer trois mesures. La première est une mesure du pendage de la formation par rapport au sondage, et elle Known instruments used with a drilling cable that have been used to evaluate the orientation of the formations' strata, must perform three measurements. The first is a measure of the dip of the formation relative to the sounding, and it

a été effectuée par enregistrement de trois relevés élec- was made by registering three electronic records

triques, de préférence distants et orientés en azimut dans le sondage et en particulier par incorporation de are preferably distant and azimuthally oriented in the sounding and in particular by incorporation of

trois jeux identiques d'électrodes espacées circonférentiel- three identical sets of circumferentially spaced electrodes-

lement à 120 autour d'un outil, se trouvant toutes dans un même plan perpendiculaire à l'axe de l'outil. La seconde 120 around a tool, all in the same plane perpendicular to the axis of the tool. The second

mesure est une mesure de la direction et de l'angle d'incli- measurement is a measure of the direction and inclination angle

naison du sondage, et la troisième est une mesure de l'orientation de l'axe du sondage par rapport au Nord survey, and the third is a measure of the direction of the survey axis relative to the North

magnétique.magnetic.

L'azimut et l'inclinaison du sondage sont mesurés The azimuth and inclination of the sounding are measured

de façon classique par des accéléromètres et/ou des magné- conventionally by accelerometers and / or magnets

tomètres qui utilisent les forces de gravité et magnétique de la Terre comme référentiels. Cependant, le pendage de la formation nécessite la mesure d'une caractéristique de la formation entourant le sondage avec une précision suffisante pour que l'emplacement auquel se termine une formation d'une première composition le long du sondage tometers that use Earth's gravity and magnetic forces as reference frames. However, the dip of the formation requires the measurement of a characteristic of the formation surrounding the sounding with sufficient accuracy so that the location at which ends a formation of a first composition along the sounding

et auquel une autre formation commence soit déterminé. and at which another formation begins to be determined.

Un premier type de pendagemètre connu met en oeuvre trois courbes de potentiel spontané pour l'obtention A first type of known dipmeter implements three spontaneous potential curves for obtaining

du pendage d'une formation par rapport à l'axe du sondage. dip of a formation with respect to the axis of the sounding.

Ces dispositifs nécessitent l'appui d'électrodes contre les parois latérales du sondage et la mesure de courants électriques minuscules ou de potentiels très faibles dans les formations par rapport à un potentiel de référence de surface. Une autre technique de mesure des paramètres de la formation, destinée à donner une information sur le pendage, est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 388 323 qui décrit un instrument destiné à être suspendu à un câble de forage et à exécuter une diagraphie par induction par transmission de l'énergie électromagnétique à une fréquence de l'ordre de 10 kHz dans la paroi du sondage et par mesure de la conductivité These devices require the support of electrodes against the sidewalls of the borehole and the measurement of tiny electrical currents or very low potentials in the formations with respect to a surface reference potential. Another technique for measuring formation parameters, intended to provide information on dip, is described in US Pat. No. 3,388,323 which discloses an instrument for suspending from a drill string and performing an induction log by transmitting electromagnetic energy at a frequency of the order of 10 kHz into the sounding wall and measuring the conductivity

électrique et de la susceptibilité magnétique de la forma- electrical and magnetic susceptibility of the forma-

tion. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 383 220 décrit un pendagemètre électromagnétique fonctionnant en hyperfréquences qui colporte un outil suspendu à un câble de forage et ayant plusieurs bras radiaux portant chacun un tampon qui est repoussé élastiquement en contact intime avec la paroi du sondage. Chaque tampon porte une antenne émettrice d'hyperfréquences et une antenne tion. U.S. Patent No. 4,383,220 discloses an electromagnetic microwave diverter which coats a tool suspended from a drill string and having a plurality of radial arms each bearing a pad which is resiliently pushed into intimate contact with the wall of the machine. survey. Each pad carries a microwave antenna and an antenna

réceptrice d'hyperfréquences. De l'énergie en hyperfré- Microwave receiver. From energy to hyperfrequency

quences,c'est-à-dire à une fréquence de l'ordre de 1 à 3 GHz; quences, that is to say at a frequency of the order of 1 to 3 GHz;

se propage dans la formation à partir des antennes émet- propagates in the formation from the transmitting antennas

trices et l'énergie reçue par les antennes réceptrices est représentative des caractéristiques de la formation si bien que les variations relatives le long du sondage, données par trois capteurs espacés en azimut, déterminent and the energy received by the receiving antennas is representative of the characteristics of the formation so that the relative variations along the sounding, given by three sensors spaced in azimuth, determine

le pendage de la formation.the dip of the formation.

Tous ces systèmes connus, destinés à la mesure des paramètres de la formation, tels que les électrodes conductrices destinées à mesurer un potentiel spontané, les systèmes par induction destinés à la mesure de la conductivité et de la susceptibilité ainsi que les systèmes suspendus mettant en oeuvre une propagation d'ondes en hyperfréquences,présentent certains inconvénients, notamment lors d'une utilisation dans des conditions de mesure en cours de forage. L'incorporation des instruments de mesure All these known systems for measuring formation parameters, such as conductive electrodes for measuring spontaneous potential, induction systems for measuring conductivity and susceptibility, and suspended systems using Microwave wave propagation has certain drawbacks, especially when used under measurement conditions during drilling. The incorporation of measuring instruments

dans un train de tiges lors du forage d'un sondage néces- in a drill string when drilling a survey required

site, dans le cas d'un système à électrodes, l'isolement de la masse-tige formée d'acier par rapport aux différentes électrodes émettrices et réceptrices du système. Ceci nécessite normalement l'utilisation d'un revêtement isolant spécial appliqué sur le train de tiges au voisinage des électrodes, ce revêtement étant coûteux et ayant une fiabilité réduite. Les systèmes de diagraphie par induction doivent normalement fonctionner à une fréquence de l'ordre de quelques dizaines de kHz et nécessitent en conséquence site, in the case of an electrode system, the insulation of the steel rod-rod relative to the different emitter and receiver electrodes of the system. This normally requires the use of a special insulating coating applied to the drill string in the vicinity of the electrodes, which coating is expensive and has reduced reliability. Inductive logging systems should normally operate at a frequency of the order of a few tens of kHz and therefore require

des bobines de grand diamètre pour que le couplage électro- coils of large diameter so that the electronic coupling

magnétique nécessaire avec la formation soit obtenu. Magnetic necessary with the training is obtained.

Dans une configuration de mesure en cours de forage, les bobines de diagraphie par induction doivent être montées dans la masse-tige ou autour de celle-ci, dans le train de tiges, et cette partie de la masse- tige ne doit pas être conductrice. La réalisation de masses-tiges non conductrices est difficile, avec conservation de l'intégrité et la résistance mécanique de la structure qui sont nécessaires à l'utilisation dans le train de tiges. Lorsque la taille des bobines est réduite, la fréquence de travail du système doit être augmentée afin' que le couplage nécessaire soit assuré entre les bobines distantes. Dans le cas d'une antenne de dimension fixe, comme la fréquence de travail est supérieure à quelques dizaines de kHz, la propagation des ondes devient le mécanisme prédéterminé de transfert d'énergie et les mesures classiques par induction avec les systèmes à In a measurement configuration being drilled, the induction logging coils must be mounted in or around the drill collar, in the drill string, and this part of the drill collar must not be conductive. . The realization of non-conductive drill collars is difficult, with preservation of the integrity and mechanical strength of the structure that are necessary for use in the drill string. When the size of the coils is reduced, the working frequency of the system must be increased so that the necessary coupling is ensured between the distant coils. In the case of a fixed-size antenna, as the working frequency is greater than a few tens of kHz, wave propagation becomes the predetermined mechanism of energy transfer and conventional induction measurements with

antennes classiques ne sont plus efficaces. Les pendage- conventional antennas are no longer effective. The dip

mètres mettant en oeuvre des dispositifs de propagation d'hyperfréquences suspendus à un câble, tel que décrit meters using microwave propagation devices suspended from a cable, as described

précédemment, n'utilisent pas un ensemble ayant une résis- previously, do not use a set having a resistance

tance mécanique et une intégrité suffisantes pour pouvoir être incorporés dans un train de tiges et en outre, ils nécessitent des accessoires dépassant radialement et destinés à venir au contact de parois latérales du sondage et à permettre la mesure des paramètres nécessaires, ces accessoires étant évidemment totalement inutilisables en pratique pour des mesures réalisées en même temps sufficient mechanical strength and integrity to be incorporated in a drill string and furthermore, they require accessories protruding radially and intended to come into contact with the side walls of the borehole and to allow the measurement of the necessary parameters, these accessories being obviously totally unusable in practice for measurements made at the same time

qu'un forage.than drilling.

Pratiquement toutes les structures à antennes Virtually all antenna structures

utilisées dans les instruments de mesure de sondage concer- used in sounding survey instruments

nent la création de champs électromagnétiques qui doivent the creation of electromagnetic fields which must

se propager dans le milieu environnant. La présente inven- spread in the surrounding environment. This invention

tion concerne cependant l'utilisation d'une antenne fendue However, it concerns the use of a split antenna

de petite dimension, travaillant à une fréquence suffisam- small, working at a sufficient frequency

ment faible pour qu'elle mette en oeuvre la composante inductive du champ mais à une fréquence suffisamment élevée pour qu'elle permette la focalisation de l'énergie d'une manière très directionnelle afin que la nature des formations entourant un sondage puisse être utilisée, c'est-adire que la fréquence se trouve dans la région low enough to implement the inductive component of the field but at a sufficiently high frequency that it allows the focusing of the energy in a very directional way so that the nature of the formations surrounding a sounding can be used, that is, the frequency is in the region

des hautes fréquences qui se trouvent au-dessus des fré- high frequencies that are above the frequency

quences de diagraphie par induction mais au-dessous des fréquences de diagraphie en hyperfréquences. Ces mesures donnent à l'opérateur du forage des valeurs de résistivité et de conductivité qui indiquent les changements de forma- induction logging but below microwave logging frequencies. These measurements give the drilling operator resistivity and conductivity values that indicate changes in

tion et en conséquence le pendage des couches. La caracté- tion and consequently the dipping of the layers. The characteristic

ristique essentielle d'un système assurant une mesure pendant le forage est de donner à un opérateur un flot continu de données utiles qui sont représentatives des conditions régnant dans le sondage. Ainsi, un opérateur peut prévoir des situations potentiellement dangereuses An essential requirement of a system providing measurement during drilling is to provide an operator with a continuous flow of useful data that is representative of the conditions prevailing in the survey. Thus, an operator can predict potentially dangerous situations

et les éviter et peut aussi connaître des données impor- and avoid them, and may also know important data.

tantes nécessaires à l'évaluation des formations dans lesquelles le sondage passe. Les structures ayant des antennes, utilisées dans le système selon l'invention, s'adaptent facilement aux appareils de diagraphie assurant necessary to evaluate the formations in which the survey passes. The structures having antennas, used in the system according to the invention, easily adapt to the logging devices ensuring

une mesure pendant le forage.a measurement during drilling.

Le système selon l'invention supprime les diffi- The system according to the invention eliminates the difficulties

cultés de systèmes connus par utilisation d'un système à antenne à ouverture incorporé à la structure d'une masse-tige, le système permettant la création d'énergie known systems by using an antenna system with an opening incorporated in the structure of a mass-rod, the system allowing the creation of energy

électromagnétique ayant un champ H intense perpendi- electromagnetic field with an intense H-field

culaire aux bords de l'ouverture et permettant une induction très directionnelle du champ dans la formation adjacente du sondage afin que les caractéristiques de cette formation at the edges of the aperture and allowing a highly directional induction of the field into the adjacent formation of the sounding so that the characteristics of this formation

puissent être évaluées.can be evaluated.

Plus précisément, l'invention concerne un système de mesure des caractéristiques des formations -terrestres More specifically, the invention relates to a system for measuring the characteristics of the formations -terrestres

souterraines, dans lesquelles pénètre un sondage. L'appa- underground, in which penetrates a sounding. The apparent

reil comporte un dispositif générateur d'énergie électro- The device comprises a device generating an electrical energy

magnétique qui contient un champ H intense, en champ proche, et ce dispositif assure alors la focalisation poussée de ce champ suivant une configuration étroite en azimut, et la direction du champ dans la formation afin que des informations relatives à la nature de la formation soient obtenues dans une direction azimutale particulière. Un outil de sondage est utilisé afin qu'il puisse être incorporé au train de tiges d'un appareil de forage et il comporte trois ensembles à antenne a ouverture répartis régulièrement en azimut autour de l'axe longitudinal de l'outil. Ce dernier comporte aussi un dispositif destiné à recevoir un signal, ayant des ensembles à antenne à ouverture analogues destinés à magnetic field which contains an intense field H in the near field, and this device then ensures the focussed focus of this field in a narrow azimuth configuration, and the direction of the field in the formation so that information relating to the nature of the formation is obtained in a particular azimuthal direction. A boring tool is used so that it can be incorporated into the drill string of a drill rig and has three aperture antenna assemblies regularly distributed in azimuth about the longitudinal axis of the tool. The latter also comprises a device for receiving a signal, having analogue aperture antenna assemblies for

l'évaluation de la nature de la formation. evaluation of the nature of the training.

L'invention concerne aussi un procédé et un appareil de mesure d'une caractéristique d'une formation terrestre adjacente à un sondage, par disposition d'une première antenne à ouverture dans le sondage afin que les parois de l'ouverture se trouvent dans un plan qui est parallèle à l'axe du sondage. Un champ électromagnétique est créé avec une composante H intense en champ proche et a une fréquence telle que les dimensions transversales de l'antenne à ouverture sont faibles par rapport au quart de la longueur d'onde. Le champ électromagnétique est divisé dans l'antenne à ouverture afin qu'ij] forme une composante étroite de champ induit non propagée et qui pénètre dans la paroi du sondage à une distance importante dans la formation environnante. Un signal électromagnétique est reçu et correspond à la pénétration de la formation par l'énergie électromagnétique dirigée par l'antenne à ouverture, sous forme d'une mesure de la caractéristique The invention also relates to a method and an apparatus for measuring a characteristic of a terrestrial formation adjacent to a sounding, by arranging a first opening antenna in the sounding so that the walls of the opening are in a hole. plan that is parallel to the survey axis. An electromagnetic field is created with an intense near-field H component and has a frequency such that the transverse dimensions of the aperture antenna are small relative to one quarter of the wavelength. The electromagnetic field is divided in the aperture antenna so that it forms a narrow, non-propagated, induced field component and penetrates the borehole wall at a substantial distance into the surrounding formation. An electromagnetic signal is received and corresponds to the penetration of the formation by the electromagnetic energy directed by the aperture antenna, in the form of a measurement of the characteristic

de la formation dans une direction azimutale particulière. of formation in a particular azimuthal direction.

L'invention concerne aussi un procédé et un appareil de mesure d'une caractéristique d'une formation terrestre près d'un sondage, par disposition d'une seconde antenne à ouverture dans le sondage, avec des parois latérales parallèles à la première antenne à ouverture, et à la réception du signal électromagnétique transmis par la formation dans la seconde antenne à ouverture The invention also relates to a method and an apparatus for measuring a characteristic of an earth formation near a borehole, by arranging a second aperture antenna in the borehole, with sidewalls parallel to the first opening, and on receiving the electromagnetic signal transmitted by the formation in the second aperture antenna

sous forme d'une mesure de la caractéristique de la forma- as a measure of the characteristic of the forma-

tion. En outre, l'invention concerne l'utilisation de deux antennes réceptrices à ouverture qui sont distantes, tion. In addition, the invention relates to the use of two remote receiver antennas which are distant,

la mesure de la difference de phase des signaux électroma- measurement of the phase difference of the electromagnetic signals

gnétiques reçus par les deux antennes constituant une mesure de la caractéristique, de la formation dans une direction azimutale particulière. En outre, l'invention concerne la mise en oeuvre de plusieurs paires d'antennes received by the two antennas constituting a measure of the characteristic, of formation in a particular azimuthal direction. In addition, the invention relates to the implementation of several pairs of antennas

à ouverture émettrices et réceptrices, espacées azimutale- with emitting and receiving apertures, spaced azimuthal-

ment les unes par rapport aux autres afin que des caracté- ristiques de la formation soient mesurées simultanément to each other so that training characteristics are measured simultaneously

dans différentes directions azimutales. in different azimuthal directions.

L'invention concerne aussi un procédé et un appareil de mesure d'une caractéristique d'une formation terrestre près d'un sondage, les parois latérales de l'antenne à ouverture étant rectangulaires, la plus grande dimension étant parallèle à l'axe du sondage, la fréquence du champ électromagnétique étant de l'ordre de 2 MHz, et les dimensions de l'antenne à ouverture étant comprises The invention also relates to a method and apparatus for measuring a characteristic of an earth formation near a borehole, the sidewalls of the aperture antenna being rectangular, the largest dimension being parallel to the axis of the antenna. sampling, the frequency of the electromagnetic field being of the order of 2 MHz, and the dimensions of the aperture antenna being included

entre 12 et 150 mm.between 12 and 150 mm.

L'invention concerne aussi un appareil de mesure du pendage et de l'épaisseur d'une couche dans une formation terrestre dans laquelle pénètre un sondage, dans des conditions de mesure simultanées à un forage, l'appareil The invention also relates to an apparatus for measuring the dip and the thickness of a layer in an earth formation in which a borehole penetrates, under conditions of measurement simultaneously with a borehole, the apparatus

comprenant un tronçon cylindrique conducteur d'une masse- comprising a cylindrical section conducting a mass

tige, ayant plusieurs premières cavités formées dans le corps de ce tronçon de masse-tige à des intervalles stem, having several first cavities formed in the body of this mass-stem section at intervals

espacés circonférentiellement autour du tronçon. La masse- circumferentially spaced around the section. The mass-

tige a aussi plusieurs premières antennes à ouverture formées dans la paroi externe du tronçon et communiquant rod also has several first aperture antennas formed in the outer wall of the section and communicating

avec des premières cavités respectives, avec des disposi- with respective first cavities, with

tifs montés dans chacune des premières cavités pour créer un champ électromagnétiaue,. le champ ayant une composante H intense et ayant une fréquence à laquelle la longueur d'ondeest grande par rapport aux dimensions des premières antennes à ouverture, afin qu'un lobe étroitement limité d'énergie électromagnétique induite soit dirigé par- les antennes à ouvertures dans les parois du sondage sur mounted in each of the first cavities to create an electromagnetic field ,. the field having an intense H component and having a frequency at which the wavelength is large relative to the dimensions of the first aperture antennas, so that a tightly limited lobe of induced electromagnetic energy is directed through the aperture antennas in the walls of the poll on

une distance importante.a significant distance.

La masse-tige a aussi plusieurs secondes cavités formées dans le corps du tronçon de masse-tige et alignées axialement sur les premieres cavités respectives, mais à une certaine distance axiale, et plusieurs secondes antennes à ouverture formées dans la paroi externe du The drill collar also has a plurality of second cavities formed in the body of the drill collar section and axially aligned with the respective first cavities, but at a certain axial distance, and a plurality of second aperture antennas formed in the outer wall of the drill pipe.

tronçon et communiquant avec les secondes cavités respec- section and communicating with the second cavities respec-

tives. L'appareil comporte un dispositif monté dans chacune des secondes cavités et destiné à recevoir l'énergie électromagnétique de la formation entourant le sondage, en fonction de l'énergie dirigée par les premières antennes à ouverture dans la formation, et un dispositif sensible à l'énergie reçue par les dispositifs de réception et destiné à mesurer des paramètres de la formation entourant le sondage le long de celui-ci, et à déterminer le pendage et l'épaisseur des couches des formations dans lesquelles tives. The apparatus includes a device mounted in each of the second cavities and for receiving the electromagnetic energy of the formation surrounding the borehole, as a function of the energy directed by the first aperture antennas in the formation, and a device responsive to the energy received by the receiving devices and for measuring parameters of the formation surrounding the borehole along it, and for determining the dip and the thickness of the layers of formations in which

pénètre le sondage.enters the survey.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- Other features and advantages of the invention

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre tion will emerge more clearly from the following description

faite en référence aux dessins, annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique en élévation with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic section in elevation;

latérale d'une installation de forage d'un sondage, illus- side of a drilling rig of a sounding

trant une étude électromagnétique des formations dans lesquelles pénètre le sondage; la figure 2 est une perspective partielle agrandie d'un train de tiges ayant une antenne à ouverture formée an electromagnetic study of the formations into which the sounding penetrates; FIG. 2 is an enlarged partial perspective of a drill string having a formed aperture antenna.

à l'intérieur et destinée à créer un champ électromagné- inside and intended to create an electromagnetic field

tique; la figure 3 est un schéma illustrant un procédé d'excitation d'une antenne à ouverture destinée à créer tick; FIG. 3 is a diagram illustrating a method of exciting an aperture antenna intended to create

de l'énergie électromagnétique ayant un champ H perpendicu- electromagnetic energy having a perpendicular H-field

laire aux bords de l'ouverture; la figure 4 est une vue en plan d'un arrangement d'antennes à ouverture montées dans une masse-tige, et elle indique le dessin du champ induit émis par chaque ouverture; et la figure 5 est une coupe longitudinale, avec des parties arrachées, d'un outil de mesure en cours de forage, destiné à déterminer le pendage des formations souterraines, le long d'un sondage, et comprenant le at the edges of the opening; Fig. 4 is a plan view of an arrangement of aperture antennas mounted in a drill collar, and indicates the pattern of the induced field emitted by each aperture; and FIG. 5 is a longitudinal section, with parts torn off, of a measuring tool being drilled, intended to determine the dip of the subterranean formations, along a borehole, and comprising the

système à antennesà ouverture selon l'invention. aperture antenna system according to the invention.

La figure 1 représente une installation 11 de forage placée au-dessus d'un sondage 12. Un premier mode de réalisation d'appareil 10 de mesure du pendage des formations souterraines en cours de forage est porté par un raccord 14 formant une partie d'une masse-tige et placé dans le sondage 12. L'appareil 10 est destiné à la mesure de paramètres dépendant de la composition FIG. 1 represents a drilling installation 11 placed above a borehole 12. A first embodiment of apparatus 10 for measuring the dip of the underground formations during drilling is carried by a connection 14 forming a part of a mass-rod and placed in the borehole 12. The apparatus 10 is intended for the measurement of parameters depending on the composition

géologiques des strates entourant le sondage et en consé- the strata surrounding the survey and, consequently,

quence du pendage des formations dans lesquelles passe the dip of the formations in which

le sondage, les mesures étant réalisées en cours de forage. the sounding, the measurements being carried out while drilling.

Comme l'indique la figure 1 un trépan 22 est monté à l'extrémité inférieure du train de tiges 18 et il creuse le sondage 12 dans les formations terrestres 24, pendant qu'une boue 26 de forage est pompée à partir As shown in FIG. 1, a bit 22 is mounted at the lower end of the drill string 18 and digs the borehole 12 in the earth formations 24, while a drilling mud 26 is pumped from

d'une tête de puits 28. Un tubage métallique 29 est repré- of a wellhead 28. A metal casing 29 is

sentée en position dans le sondage 12 au-dessus du trépan 22 afin que le sondage 12 garde son intégrité à proximité de la surface. Comme décrit dans la suite, l'invention permet une mesure précise du pendage des formations dans lesquelles passe le sondage, cette mesure étant effectuée pendant le forage. L'anneau 16 délimité entre le train de tiges 18 et la paroi 20 du sondage forme un trajet théoriquement fermé de retour du courant de boue. La boue est pompée à partir de la tête de puits 28 par un felt in position in the borehole 12 above the bit 22 so that the borehole 12 keeps its integrity close to the surface. As described in the following, the invention allows a precise measurement of the dip of formations in which the sounding, this measurement being performed during drilling. The ring 16 delimited between the drill string 18 and the wall 20 of the borehole forms a theoretically closed return path of the sludge stream. The sludge is pumped from the wellhead 28 by a

système 30 de pompage, par l'intermédiaire d'une canalisa- 30 pumping system, through a channeling

tion 31 d'alimentation en boue couplée au train de tiges 18. La boue de forage est ainsi chassée dans le passage axial central du train de tiges 18 et elle en sort au niveau du trépan 22 afin qu'elle entraîne les débris, notamment les morceaux de terre, de roche et de matières associées qui sont retirés par forage, du trépan vers la surface. Un conduit 32 est monté au niveau de la tête de puits afin qu'il transmette la boue du sondage 12 à une cuve 34 à boue. La boue de forage est par exemple manipulée et traitée par divers appareils (non représentés) tels que des ensembles de dégazage et les réservoirs i1 de circulation afin que la boue garde une viscosité et une consistance choisies. L'appareil logé dans le raccord 14 permet la direction réglée d'énergie électromagnétique à haute fréquence ayant une composante H intense dans le champ proche dans la formation entourant le sondage, et permet la mesure de la nature et de la composition de la formation environnante pendant le pompage du fluide The drilling mud is thus driven into the central axial passage of the drill string 18 and exits at the bit 22 to drive the debris, especially the pieces of soil, rock and associated materials that are removed by drilling from the bit to the surface. A conduit 32 is mounted at the wellhead to transmit the sludge from the borehole 12 to a sludge tank 34. The drilling mud is for example handled and treated by various apparatuses (not shown) such as degassing assemblies and circulation tanks so that the sludge maintains a chosen viscosity and consistency. The apparatus housed in the connector 14 allows the regulated direction of high frequency electromagnetic energy having an intense H component in the near field in the formation surrounding the sounding, and allows the measurement of the nature and composition of the surrounding formation. during the pumping of the fluid

de forage dans le train de tiges.drilling in the drill string.

La figure 1 indique aussi que le raccord 14 et la masse-tige 15 forment une partie de l'appareil selon l'invention, dans le sondage. L'appareil 10 est réalisé afin qu'il crée une série de signaux destinés à être transmis vers la tête de puits par télémétrie, ou qu'il enregistre, dans le sondage, des informations Figure 1 also indicates that the connector 14 and the drill collar 15 form part of the apparatus according to the invention, in the borehole. The apparatus 10 is constructed to create a series of signals to be transmitted to the wellhead by telemetry, or to record, in the survey, information

représentatives de la composition des formations adjacen- representative of the composition of adjacent formations

tes et du pendage des couches de la formation par rapport à l'axe du sondage. Ces informations sont obtenues à partir de l'appareillage et de l'antenne électromagnétique disposés dans le raccord 14 comme décrit plus en détail dans la suite du présent mémoire. Les dispositifs nécessaires de télémétrie et d'analyse peuvent être classiques et and dipping of the formation layers with respect to the borehole axis. This information is obtained from the apparatus and the electromagnetic antenna disposed in the connector 14 as described in more detail later in this specification. The necessary telemetry and analysis devices may be conventional and

on ne les décrit donc pas en détail. Le procédé et l'appa- they are not described in detail. The process and the

reil d'évaluation des paramètres de la formation sont assessment of the training parameters are

cependant décrits en détail dans la suite de la description however described in detail in the following description

et constituent l'objet de l'invention. and constitute the object of the invention.

L'appareil selon l'invention a pour caractéris- The apparatus according to the invention is characterized

tique essentielle l'incorporation d'une structure couramment appelée "antenne à fente". Les antennes à fentes sont habituellement réalisées de manière que L = Nk/2. Ainsi, la longueur de l'antenne est un multiple entier de la moitié de la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique essential to incorporate a structure commonly referred to as a "slot antenna". Slotted antennas are usually made in such a way that L = Nk / 2. Thus, the length of the antenna is an integer multiple of half the wavelength of the electromagnetic radiation

qui doit être transmis par l'antenne. En outre, une consi- which must be transmitted by the antenna. In addition, a

dération essentielle est habituellement la puissance qui est rayonnée et propagée vers le champ lointain par essential deformation is usually the power that is radiated and propagated to the far field by

de tels dispositifs à antennes. Cependant, dans les appli- such antenna devices. However, in

cations de mesure en cours de forage, il est tout à fait impossible en pratique de réaliser des structures d'antenne ayant des dimensions qui correspondent avec précision measurement measurements during drilling, it is quite impossible in practice to realize antenna structures having dimensions that correspond precisely

à la moitié de la longueur d'onde compte tenu des condi- at half the wavelength given the conditions

tions de travail. Ainsi, comme un outil de mesure utilisé dans un sondage travaille dans des formations terrestres dans lesquelles les paramètres constitutifs du milieu de transmission peuvent varier avec des variations de working conditions. Thus, as a measurement tool used in a survey works in terrestrial formations in which the constitutive parameters of the transmission medium may vary with variations in

la longueur d'onde, la distance qui constitue la demi- the wavelength, the distance that constitutes the half

longueur d'onde peut aussi beaucoup varier. Il est donc impossible de faire travailler une antenne à fente à wavelength can also vary a lot. It is therefore impossible to make a slot antenna work at

la résonance dans des milieux divers et changeants. resonance in diverse and changing environments.

L'exécution efficace de mesure déterminée en azimut avec un rayonnement électromagnétique nécessite la réalisation d'une antenne à ouverture qui crée un The effective execution of measurement determined in azimuth with electromagnetic radiation requires the realization of an aperture antenna which creates a

champ H très directionnel et intense en champ proche. H field very directional and intense in the near field.

Dans le présent mémoire, l'expression "champ H intense" indique que l'amplitude du vecteur du champ H représentatif du rayonnement électromagnétique est grande par rapport In this specification, the term "intense H-field" indicates that the magnitude of the representative H-field vector of electromagnetic radiation is large relative to

à l'amplitude vectorielle du champ E à une distance spéci- the vector amplitude of the E field at a specific distance

fiée de l'antenne. De même, un champ local E intense indique que l'amplitude vectorielle du champ E est grande par rapport à l'amplitude vectorielle du champ H. Un champ local H intense est souhaitable car on considère que les antennes qui créent des champs locaux H intenses sont bien plus efficaces pour l'induction de courants from the antenna. Similarly, an intense local field E indicates that the vector amplitude of the field E is large relative to the vector amplitude of the field H. An intense local field H is desirable because we consider that the antennas that create local intense fields H are much more effective for inducing currents

en des points distants du sondage, sans sensibilité exces- at points distant from the sounding, without excessive sensitivity

sive à la configuration géométrique du sondage et aux the geometrical configuration of the survey and the

conditions locales de constitution, par rapport aux anten- local conditions of incorporation, in relation to the antennas

nes qui créent des champs locaux E intenses. creating intense local E fields.

La possibilité de l'induction de courants dans une formation terrestre est essentielle pour qu'un signal créé par ces courants induits, proportionnel aux paramètres The possibility of inducing currents in a terrestrial formation is essential for a signal created by these induced currents, proportional to the parameters

constituant la formation, puisse être ensuite mesuré. constituting the formation, can then be measured.

En outre, la possibilité d'induire des courants à une certaine distance du sondage, au-delà des régions ayant des gâteaux de boue et des zones envahies, est nécessaire pour la détermination des paramètres constitutifs des formations non perturbées. Ainsi, l'invention met en oeuvre un procédé d'excitation d'une antenne à ouverture de manière qu'elle crée un champ local H'intense et permette donc la création efficace de courants induits dans une In addition, the possibility of inducing currents at a certain distance from the borehole, beyond the regions having mud cakes and invaded areas, is necessary for the determination of the constituent parameters of undisturbed formations. Thus, the invention implements a method of exciting an aperture antenna so that it creates a local H 'intense field and thus allows the efficient creation of currents induced in a

formation distante.remote formation.

Comme l'indique la figure 2 à titre illustratif, une ouverture qui peut être utilisée dans un tel appareil de mesure peut avoir une configuration très variable et ne doit pas nécessairement comprendre une fente de configuration particulière. Comme l'indique la figure 2, une paroi d'une masse-tige 41 a une ouverture 42 dont As shown in Figure 2 for illustrative purposes, an opening that can be used in such a meter can have a very variable configuration and need not include a particular configuration slot. As indicated in FIG. 2, a wall of a drill collar 41 has an opening 42 with

les paramètres externes délimitent une périphérie irrégu- external parameters delimit an irregular periphery

lière 43. A l'intérieur de la masse du train de tiges 41, un champ électromagnétique est excité et crée un 43. Inside the mass of the drill string 41, an electromagnetic field is excited and creates a

champ H dans la direction de la flèche 44, perpendiculaire- H field in the direction of the arrow 44, perpendicular-

ment aux bords de l'ouverture 43 de l'orifice 42. Lorsque le champ H a une telle orientation, un courant est induit autour des bords de l'ouverture et de l'énergie est émise dans l'environnement, en direction perpendiculaire aux at the edges of the opening 43 of the orifice 42. When the field H has such an orientation, a current is induced around the edges of the opening and energy is emitted into the environment, in a direction perpendicular to the

bords de l'ouverture 43.edges of the opening 43.

On se réfère maintenant à la figure 3 qui indique qu'une ouverture rectangulaire 45 ayant des parois latérales rectilignes 46 est formée dans les parois d'une masse-tige 47. A proximité de l'ouverture 45, à l'intérieur de la masse-tige, une antenne en forme de boucle peut comprendre une ou plusieurs spires d'un fil 48 et elle est excitée par de l'énergie à haute fréquence si bien que des courants circulent dans l'antenne dans le sens de la flèche 49 et produisent un champ local H intense dans la direction de la flèche 50. Il est préférable, pour la création du champ H voulu dirigé radialement, que l'ouverture ou fente 45 soit excitée par l'énergie à une fréquence pour laquelle les dimensions des parois latérales 46 de l'ouverture 45 sont faibles par rapport à la longueur Referring now to Figure 3 which indicates that a rectangular opening 45 having rectilinear sidewalls 46 is formed in the walls of a drill collar 47. Close to the opening 45, within the mass a loop-shaped antenna may comprise one or more turns of a wire 48 and is excited by high frequency energy so that currents flow in the antenna in the direction of the arrow 49 and produce a strong local field H in the direction of the arrow 50. It is preferable, for the creation of the desired radially directed field H, that the opening or slot 45 is excited by the energy at a frequency for which the dimensions of the walls 46 of the opening 45 are small compared to the length

d'onde. Ainsi, on note que l'antenne à fente ou à ouver- wave. Thus, it is noted that the slot or open antenna

ture selon l'invention ne travaille pas à sa fréquence de résonance ou à son voisinage afin qu'elle propage de l'énergie dans la formation environnante mais au contraire travaille à une fréquence nettement inférieure à sa fréquence de résonance et crée un champ d'induction à haute fréquence ayant une composante H intense en champ According to the invention, the invention does not work at or near its resonant frequency so that it propagates energy in the surrounding formation but, on the contrary, works at a frequency much lower than its resonance frequency and creates a field of resonance. high frequency induction with an intense H component in the field

proche, dirigée radialement à partir de l'ouverture 45. near, radially directed from the opening 45.

Comme l'indique la figure 4, les antennes à ouverture ou à fente utilisées selon l'invention ont une construction et une fréquence d'utilisation choisies de manière que l'énergie soit dirigée dans la formation As shown in FIG. 4, the aperture or slot antennas used according to the invention have a construction and frequency of use chosen so that the energy is directed into the formation.

d'une manière très sélective. Comme représenté, une masse- in a very selective way. As shown, a mass

tige 51 a plusieurs fentes 52 décalées à 90 les unes par rapport aux autres et se trouvant toutes dans un plan commun transversal par rapportàl'axe central de la masse-tige 51. Les fentes ou ouvertures 52 sont excitées par de l'énergie à haute fréquence et donnent un effet de focalisation ou de collimation dans le plan horizontal, représenté par un diagramme 53 en champ proche pénétrant dans la formation 54. Il faut noter qu'un effet vertical analogue de focalisation est nécessaire à l'obtention de la résolution verticale voulue afin que les relevés -20 de la formation permettant la détermination du pendage soient de bonne qualité. Les diverses ouvertures 52 formées à la périphérie de la masse- tige permettent d'effectuer simultanément plusieurs mesures. Cependant, il faut noter qu'une seule ouverture ou qu'un seul arrangement rod 51 has several slots 52 offset at 90 relative to each other and all located in a common plane transverse to the central axis of the drill collar 51. The slots or openings 52 are excited by high energy frequency and give a focus or collimation effect in the horizontal plane, represented by a near-field diagram 53 penetrating into the formation 54. It should be noted that a similar vertical focusing effect is necessary to obtain the vertical resolution to ensure that the -20 training readings for the dip determination are of good quality. The various openings 52 formed at the periphery of the drill collar make it possible to carry out several measurements simultaneously. However, it should be noted that only one opening or one arrangement

peuvent être utilisés pour la mesure dans plusieurs direc- can be used for measurement in several direc-

tions différentes, avec un dispositif de contrôle de position en azimut afin que le pendage de la formation puisse être déterminé. Il est clair qu'une séquence de mesure d'informations en azimut est répétée lorsque le train de tiges descend dans le sondage passant dans la formation afin aue toutes lesinformations nécessaires à la détermination du pendage de la formation ainsi que de different, with an azimuth position control device so that the dip of the formation can be determined. It is clear that an azimuth information measurement sequence is repeated when the drill string descends into the borehole passing through the formation in order to have all the information necessary to determine the dip of the formation as well as to

l'épaisseur du lit so.ien.t..obtenues. The thickness of the bed was obtained.

Il faut aussi noter que l'antenne à fente ou à ouverture utilisée à des fréquences inférieures à la fréquence de résonance peut aussi être utilisée sous forme de pairesémettrices,comme dans d'autres configurations It should also be noted that the slot or aperture antenna used at frequencies below the resonant frequency can also be used as emitter pairs, as in other configurations.

d'arrangements à fente qui donnent un diagramme de rayonne- of slot arrangements that give a ray pattern of

ment qui est dirigé dans le sondage. which is directed in the survey.

La relation entre les paramètres électriques et la constitution physique des formations adjacentes à un sondage est connue de manière certaine si bien que le pendage d'une couche d'une formation peut être déterminé d'après un jeu de paramètres électriques mesurés d'une manière bien définie. Ainsi, la caractéristique essentielle de l'invention est essentiellement la manière dont son évalués les paramètres électriques de la formation afin que l'emplacement axial et azimutal dans le sondage, auquel ces paramètres changent, soit évalué comme indication de la région de transition entre une formation et la The relationship between the electrical parameters and the physical constitution of formations adjacent to a sounding is certainly known so that the dip of a layer of a formation can be determined from a set of electrical parameters measured in a manner. well defined. Thus, the essential feature of the invention is essentially the way in which its evaluated the electrical parameters of the formation so that the axial and azimuth location in the borehole, at which these parameters change, is evaluated as an indication of the transition region between a training and

formation contiguë suivante.next contiguous formation.

La figure 5 est une coupe schématique avec des parties arrachées du raccord 14 qui porte l'appareil réalisé selon l'invention. Le raccord 14 est de préférence une masse-tige montée entre des tronçons du train de tiges 18, placés dans le sondage 12. Ce dernier traverse les formations terrestres 24 qui peuvent comprendre, à titre illustratif, une strate de schiste argileux 6],et une strate d'argile 62, ayant une limite repérée par la référence 63. Le procédé et l'appareil selon l'invention peuvent avoir pour fonction la détermination des points, le long de la paroi du sondage, auxquels la couche limite 63 recoupe le sondage 12 afin que le pendage de la limite des formations soit évalué. Il faut aussi noter que la présentation de la relation entre les couches 61 et 62 et la limite 63 est purement illustrative. En réalité, la transition des constructions géologiques peut être beaucoup plus progressive que cette définition très nette Figure 5 is a schematic section with torn parts of the connector 14 which carries the apparatus according to the invention. The connector 14 is preferably a drill collar mounted between sections of the drill string 18 placed in the borehole 12. The latter passes through the land formations 24 which may include, for illustrative purposes, a shale layer 6], and a clay layer 62, having a limit marked with the reference 63. The method and the apparatus according to the invention may have as a function the determination of the points, along the borehole wall, to which the boundary layer 63 intersects the survey 12 so that the dip of the formation limit is evaluated. It should also be noted that the presentation of the relationship between the layers 61 and 62 and the boundary 63 is purely illustrative. In reality, the transition of geological constructions can be much more progressive than this very clear definition.

de la région représentée.from the region represented.

Le raccord 14 comporte un corps cylindrique The connector 14 comprises a cylindrical body

71 d'acier ayant une passage axial 72 qui y est formé. 71 of steel having an axial passage 72 formed therein.

Le trou ou passage 72 permet la circulation des fluides de forage qui descendent dans le train de tiges et sortent par le trépan 22 avant de remonter vers la surface dans la région annulaire 16 délimitée entre les côtés du raccord 14 et les parois du sondage 12. La région annulaire 16 est ainsi remplie de fluide conducteur de forage. Une région 73 à gradin qui forme un compartiment 74 de logement d'instrument, est formée près d'une extrémité de la masse- tige 71, près du passage 72. Le- compartiment 74 est fermé de manière étanche afin que le fluide de forage ne puisse pas pénétrer par un élément cylindrique rapporté 75 dont le diamètre interne est égal au diamètre interne du passage 72 et qui a une partie supérieure 76 qui s'évase radialement The hole or passage 72 allows the flow of the drilling fluids that descend into the drill string and exit through the bit 22 before rising to the surface in the annular region 16 delimited between the sides of the connector 14 and the walls of the borehole 12. The annular region 16 is thus filled with conductive drilling fluid. A stepped region 73 which forms an instrument housing compartment 74, is formed near one end of the collar 71, near the passage 72. The compartment 74 is sealed so that the drilling fluid can not penetrate through a cylindrical insert 75 whose inner diameter is equal to the internal diameter of the passage 72 and which has an upper portion 76 which radially flares

afin que le compartiment 74 soit fermé. so that the compartment 74 is closed.

Le compartiment 74 contient à la fois des émet- Compartment 74 contains both

teurs et des récepteurs à haute fréquence ainsi que des alimentations et d'autres instruments d'enregistrement et/ou de préparation des données avant transmission vers radio frequency receivers and receivers as well as power supplies and other recording and / or data

la surface, par des dispositifs non représentés. the surface, by devices not shown.

Le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 5 comporte trois paires d'antennes à ouverture ou à fente montées à 120 les unes des autres en direction azimutale. Les fentes d'émetteur 81 ont une configuration rectangulaire, leur longueur étant parallèle à l'axe de la masse-tige. Les fentes d'émetteurs peuvent par exemple avoir une largeur de l'ordre de 12 mm et une longueur de l'ordre de 100 à 150 mm. Chaque fente 81 est disposée radialement vers l'extérieur dans la masse-tige, à partir d'une cavité 82 de montage d'antenne dans laquelle est placée une antenne émettrice 83 sous forme d'une boucle ovale dont la longueur correspond à la longueur de la fente 81. Chaque boucle 83 peut comporter une ou The embodiment of the invention shown in FIG. 5 comprises three pairs of aperture or slot antennas mounted at 120 from each other in an azimuthal direction. The emitter slots 81 have a rectangular configuration, their length being parallel to the axis of the drill collar. The emitter slots may for example have a width of the order of 12 mm and a length of the order of 100 to 150 mm. Each slot 81 is disposed radially outwardly in the drill collar from an antenna mounting cavity 82 into which is placed an emitter antenna 83 in the form of an oval loop whose length corresponds to the length of the slot 81. Each loop 83 may comprise one or

plusieurs spires d'un conducteur électrique, les extrémités. several turns of an electrical conductor, the ends.

du fil passant dans un conduit tubulaire 84 formé entre la cavité 82 de montage de l'antenne et la cavité 74 des instruments, dans le corps d'acier de la masse-tige 81, les fils étant alors connectés à la sortie d'un émetteur wire passing through a tubular conduit 84 formed between the mounting cavity 82 of the antenna and the cavity 74 of the instruments, in the steel body of the drill collar 81, the wires being then connected to the output of a transmitter

à haute fréquence. De même, des premières antennes récep- at high frequency. Likewise, the first antennas

trices à fente ou ouverture identiques 91 sont placées juste au-dessous des antennes émettrices 81, des premières cavités 92 de montage d'antenne réceptrice étant disposées radialement vers l'intérieur de ces antehnes. Les premières antennes réceptrices 91 sont placées à une distance de Likewise, identical slit or slot circuits 91 are placed just below the transmitting antennas 81, with first receiving antenna mounting cavities 92 disposed radially inwardly of these antennas. The first receiving antennas 91 are placed at a distance of

quelques centimètres des antennes émettrices 81, en direc- a few centimeters from the transmitting antennas 81,

tion axiale, et sont alignées axialement sur ces dernières. Une premiere antenne réceptrice 93 en forme de boucle ovale est montée dans chaque cavité 92 et comporte une ou plusieurs spires de fil conducteur dont les parties d'extrémités sont transmises par le guide tubulaire 94 afin que les extrémités soient reliées à un récepteur axial, and are axially aligned with them. A first receiving antenna 93 in the form of an oval loop is mounted in each cavity 92 and has one or more turns of conductive wire whose end portions are transmitted by the tubular guide 94 so that the ends are connected to a receiver

placé dans la cavité 74.placed in the cavity 74.

L'outil selon l'invention comporte aussi un arrangement de secondes antennes à ouverture 101, espacées circonférentiellement et placées juste au-dessous des premières antennes réceptrices 91, en étant alignées axialement sur ces dernières. Les secondes antennes à ouverture réceptrices 101 sont aussi placées à une distance de l'ordre de quelques centimètres des premières antennes réceptrices en direction axiale. Chacune des secondes antennes 101 communique avec une seconde cavité de montage 102. Une seconde antenne réceptrice 103 sous forme d'une boucle ovale est montée dans chaque cavité 102 et comporte aussi une ou plusieurs spires d'un fil conducteur, les extrémités étant transmises par un guide tubulaire 104 afin qu'elles soient connectées à un récepteur placé dans The tool according to the invention also comprises an arrangement of second aperture antennas 101 circumferentially spaced and placed just below the first receiving antennas 91, being axially aligned therewith. The second receiving aperture antennas 101 are also placed at a distance of a few centimeters from the first receiving antennas in the axial direction. Each of the second antennas 101 communicates with a second mounting cavity 102. A second receiving antenna 103 in the form of an oval loop is mounted in each cavity 102 and also comprises one or more turns of a conductive wire, the ends being transmitted by a tubular guide 104 so that they are connected to a receiver placed in

la cavité 74 des instruments.the cavity 74 of the instruments.

L'intérieur des cavités de montage d'antenne et des antennes à ouverture ou à fente est rempli d'un matériau isolant élastique et tenace afin que les antennes émettrices et réceptrices soient suspendues et soient protégées contre les conditions difficiles régnant dans le sondage pendant le forage, la périphérie externe de la masse-tige étant aussi fermée et empêchant la pénétration The interior of the antenna mounting cavities and aperture or slot antennas is filled with resilient and resilient insulating material so that the transmitting and receiving antennas are suspended and protected against the harsh conditions of the sounding during the test. drilling, the outer periphery of the drill collar being also closed and preventing penetration

des fluides tout en formant une surface externe continue. fluids while forming a continuous outer surface.

Comme décrit précédemment, les antennes émettrices 83 sont pilotée à une haute fréquence de l'ordre de 2 MHz, les dimensions des antennes à fente ou ouverture étant considérablement inférieures au quart ou à la moitié As described above, the transmitting antennas 83 are driven at a high frequency of the order of 2 MHz, the dimensions of the slot or aperture antennas being considerably less than a quarter or half

de la longueur d'onde à cette fréquence. Ainsi, les anten- of the wavelength at this frequency. Thus, antennas

nes à fente, au lieu de jouer le r8le de résonateur qui rayonne de l'énergie électromagnétique dans la formation environnante, joue le rô]e de "dispositif de redressement" créant un champ électromagnétique induit dans la formation dans des régions étroitement délimitées verticalement' et horizontalement. Les antennes 83 à boucle fonctionnent Instead of playing the role of resonator which radiates electromagnetic energy into the surrounding formation, it plays the role of "rectifying device" creating an electromagnetic field induced in formation in vertically narrowly defined regions. and horizontally. Loop antennas 83 work

dans un mode dans lequel le diagramme du champ électroma- in a mode in which the electromagnetic field diagram

gnétique induit contient une composante très intense du champ H, en champ proche, afin que la pénétration et la délimitation du champ dans la formation soient maximales. De même, les antennes réceptrices à fente ou ouverture 91 sont destinées à délimiter un diagramme étroit qui est utilisé pour l'excitation des antennes réceptrices 93 à boucle ovale sous l'action du signal reçu, créé par la conductivité de la formation sous l'action induced genetics contain a very intense component of the field H, in the near field, so that the penetration and the delimitation of the field in the formation are maximum. Likewise, slit or aperture receiving antennas 91 are intended to delimit a narrow pattern which is used for the excitation of oval loop receiving antennas 93 under the action of the received signal, created by the conductivity of the formation under the action

du champ induit.induced field.

Ainsi, lorsque les trois antennes émettrices 81 sont espacées circonférentiellement autour de la masse-tige et sont excitées simultanément par un signal à haute fréquence ayant une composante intense de champ H dans le champ proche, et si les antennes réceptrices à fente 91 sont chacune échantillonnées simultanément, les signaux reçus sont représentatifs de la conductivité de la formation Thus, when the three transmitting antennas 81 are circumferentially spaced around the drill collar and are excited simultaneously by a high frequency signal having an intense field component H in the near field, and if the slot receiving antennas 91 are each sampled simultaneously, the signals received are representative of the conductivity of the formation

près de chacune des fentes des antennes réceptrices 91. near each of the slots of the receiving antennas 91.

Ensuite, lorsque le train de tiges 18 est déplacé axialement afin qu'il descende dans le sondage et qu'une transmission ultérieure est assurée par chacune des trois antennes émettrices 81 à fente espacées circonférentiellement, le signal reçu à chacune des trois antennes réceptrices à fente 91 espacées circonférentiellement étant alors Then, when the drill string 18 is moved axially so that it descends into the borehole and subsequent transmission is ensured by each of the three circumferentially spaced slot-emitter antennas 81, the signal received at each of the three slot-receiving antennas 91 spaced circumferentially then being

comparé à la lecture précédente, une indication du change- compared to the previous reading, an indication of the change

ment de la formation entourant le sondage avec la distance le long de celui-ci est donnée. Plus précisément, ce changement de l'information de conductivité en fonction à la fois de la distance longitudinale et de l'azimut, The training surrounding the survey with the distance along it is given. More precisely, this change of the conductivity information as a function of both the longitudinal distance and the azimuth,

dans le sondage, peut être traité par des logiciels clas- in the survey, can be processed by standard software

siques pour l'obtention d'une indication du pendage des to obtain an indication of the dip of

formations dans lesquelles passe le sondage. formations in which the survey passes.

Dans un autre mode de réalisation le signal induit dans la formation par les antennes émettrices 81 est reçu à la fois par l'arrangement des premières antennes réceptrices 91 et l'arrangement des secondes antennes réceptrices 101. La différence de phase entre les signaux reçus par les premières antennes 91 et les secondes 101 est représentative d'une caractéristique de la formation adjacente au sondage. Cette différence de phase est mesurée entre les deux signaux reçus, par un comparateur de phases placé dans la cavité 74, avec les récepteurs. Le déplacement de l'outil qui descend dans le sondage, pour plusieurs valeurs mesurées de la différence de phase, permet l'évaluation du pendage de In another embodiment the signal induced in the formation by the transmitting antennas 81 is received both by the arrangement of the first receiving antennas 91 and the arrangement of the second receiving antennas 101. The phase difference between the received signals by the first antennas 91 and the seconds 101 is representative of a characteristic of the formation adjacent to the sounding. This phase difference is measured between the two received signals, by a phase comparator placed in the cavity 74, with the receivers. The displacement of the tool which goes down in the sounding, for several measured values of the phase difference, allows the evaluation of the dip of

la formation et de l'épaisseur des couches par des techni- the formation and thickness of the layers by

ques classiques d'analyse des signaux. classical methods of signal analysis.

Il faut noter qu'une caractéristique essentielle de l'invention est l'utilisation d'une antenne à fente It should be noted that an essential feature of the invention is the use of a slot antenna

ou ouverture, avec des composantes d'énergie électromagné- or opening, with electromagnetic energy components

tique formant un champ qui ne se propage pas, ayant une fréquence de l'ordre de 2 MHz, c'est-à-dire en présence d'un champ d'induction, afin que, dans la région des fréquences inférieures à la fréquence de résonance de a field that does not propagate, having a frequency of the order of 2 MHz, that is to say in the presence of an induction field, so that in the region of frequencies below the frequency resonance

l'antenne, un champ H de grande amplitude et très direction- the antenna, a field H of great amplitude and very direction-

nel, qui ne se propage pas, soit créé et pénètre dans which does not spread, is created and enters into

la formation entourant la paroi du sondage sur une profon- the formation surrounding the wall of the sounding on a deep

deur notable. Le champ induit par le signal d'excitation peut pénétrer plus profondément hors de, la paroi du sondage que dans le cas d'un signal en hyperfréquence noticeable. The field induced by the excitation signal can penetrate more deeply out of the sounding wall than in the case of a microwave signal.

qui se propage à la résonance selon les techniques connues. which propagates to resonance according to known techniques.

Comme l'indique la description qui précède, As the above description indicates,

l'appareil et le procédé selon l'invention permettent une détermination précise des valeurs des paramètres de la formation, dans le sondage, la précision étant obtenue à la fois verticalement et en azimut, dans un the apparatus and the method according to the invention allow a precise determination of the values of the parameters of the formation, in the sounding, the precision being obtained both vertically and in azimuth, in a

système qui assure une mesure en même temps que le forage. system that ensures measurement at the same time as drilling.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir It is understood that the invention has been described and shown only as a preferred example and that we can bring any technical equivalence in its constituent elements without leaving out

de son cadre.of its frame.

Claims

Apparatus for measuring a characteristic of a formation adjacent to a borehole, characterized in that it comprises: a conductive cylindrical housing (71), a cavity (82) formed inside the housing, a opening (81) formed in the outer wall of the housing in communication with the annular space defined between the housing and the borehole wall and the cavity, a device (83) mounted in the cavity and intended to create an electromagnetic field, this field having an intense H component and having a frequency at which the wavelength is large relative to the dimensions of the aperture antenna so that a well-delineated narrow beam of induced electromagnetic energy is directed into the borehole walls on a significant distance, a device% (93), also mounted in the cavity (82) and intended to receive energy from the formation surrounding the borehole wall, in response to the energy emitted, and a device (14) ) responsive to the energy received and for determining a characteristic of the formation

including the sounding wall.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the aperture antenna (81) is rectangular, and the dimensions of the aperture are much smaller than the high fractions of the wavelength of the energy

created electromagnetic.

An apparatus according to claim 1, characterized in that it has: a second cavity (92) formed in the housing, and a second aperture antenna (91) formed in the housing and in communication with the second cavity, the device receiving signals being arranged in

the second cavity.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the first and second aperture antenna (81, 91) both have a rectangular shape, their lengths being aligned and parallel to the central axis of the casing, the two antennas being spaced vertically relative to each other.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that it also comprises a device for controlling the azimuth position of the aperture antennas when

the measurements are made.

6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electromagnetic field has a frequency of the order of 2 MHz and the dimensions of the antenna to

opening are between 12 and 150 mm.

7. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cavity and the aperture antenna are filled

of an insulating material.

8. Apparatus for measuring the dip and the thickness of the layers of an earth formation in which a borehole penetrates, under conditions of measurement simultaneous with a borehole, characterized in that it comprises: a cylindrical section conducting a mass-rod (71), a plurality of first cavities (82) formed in

the body of the mass-rod section at irregular intervals

ferentially spaced around said section, several first aperture antennas (81) formed in the outer wall of the section and communicating with the respective first cavities, a device (83) mounted in each of the first cavities and intended to create an electromagnetic field, this field having an intense H component and having a frequency at which the wavelength is large relative to the dimensions of the first aperture antennas

so that a narrow, well-defined lobe of electromagnetic energy

induced gnetic is directed by the aperture antennas in the borehole walls, over a significant distance, several second cavities (92) formed in the body of the section, in the axial alignment of the first cavities but at an axial distance from the first cavities respectively , a plurality of second aperture antennas (91) formed in the outer wall of said section and communicating with the respective second cavities, a device (93) mounted in each second

cavities and intended to receive electromagnetic energy

of the formation surrounding the sounding, under the action of the energy directed by the first aperture antennas in the formation, and a device (74) sensitive to the energy received by

the receiving device and intended to measure

meters of the formation over a certain length of the sounding and to determine the dip and the thickness of the layers

formations in which penetrates the survey.

Apparatus according to claim 8, characterized

in that the first and second antennas to open

ture (81, 91) have rectangular sections whose

length is parallel to the axis of the mass-rod section.

10. Apparatus according to claim 8, characterized in that the first and second cavities (82, 92) and first and second aperture antennas (81, 91) are filled with an elastic and durable insulating material, so that the drill collar has a surface

external continuous and closed.

Apparatus according to claim 8, characterized

in that the device generating the electromagnetic field

that (83) has antennas at. loops lying in a plane substantially parallel to the plane of the antennas

opening, and a transmitter connected to these antennas.

12. Apparatus according to claim 8, characterized in that the electromagnetic field has a frequency of the order of 2 MHz and the dimensions of the aperture antennas are between 12 and 150 mm, the antennas

operating in non-resonant mode.

13. Apparatus according to claim 8, characterized in that it further comprises: a plurality of third cavities (102) formed in the body of the mass-rod section at circumferentially spaced intervals around the section, a plurality of third aperture antennas (101). ) formed in the outer wall of the section and communicating with respective third cavities, and

a device (103) mounted in each of the three

cavities and intended to receive electro-

magnetic waveform of the formation surrounding the sounding under the action of the energy directed by the first aperture antennas in the formation, and the received energy-sensitive device comprises a device for comparing the phase-shifts of the signals

received by the second and third antennas to open

to measure parameters of training

surrounding the survey.

14. Method of measuring a characteristic

of a terrestrial formation adjacent to a sounding

in that it comprises: disposing a first aperture antenna (81) in the borehole so that the sides of the aperture are in a plane that is substantially parallel to the axis of the sounding, the creation of an electromagnetic field having an intense H component in the near field and having a frequency such that the transverse dimensions of the aperture antenna are small compared to a quarter of the wavelength, the direction of the electromagnetic field by the antenna at opening so that a narrow, non-propagating induced component is formed and penetrates the borehole wall a significant distance into the surrounding formation, and receiving an electromagnetic signal which depends on the penetration of the formation by the electromagnetic energy directed by the aperture antenna, under

form of a measure of the characteristic of the formation.

15. The method of claim 14, characterized

characterized in that the receiving operation comprises: disposing a second aperture antenna (91) in the borehole, with sides parallel to those of the first aperture antenna, and

the reception of the electromagnetic signal returned

by training in the second aperture antenna

as a measure of the characteristic of the forma-

tion.

Method according to claim 14, characterized

in that the sides of the aperture antenna are rectangular

their length being parallel to the axis of the sounding.

17. The method of claim 14, characterized in that the frequency of the electromagnetic field is of the order of 2 MHz and the dimensions of the antennas to

opening are between 12 and 150 mm.

18. Apparatus for measuring a characteristic

of a terrestrial formation adjacent to a sounding

characterized in that it comprises: a device (71) for positioning a first aperture antenna (81) in the borehole so that the sides of the aperture are in a plane which is substantially parallel to the axis the survey,

a device (83) generating an electronic field

magnetic having an intense H component in the near field

and having a frequency such that the transverse dimensions

Dirty antennas are weak compared to a quarter of the wavelength,

a device for directing the electronic field

in the aperture antenna so that a component

narrow beam of the induced field, not propagating, is delimited and crosses the borehole wall and penetrates a significant distance in the surrounding formation, and a device (93) for receiving an electromagnetic signal which depends on the penetration into the formation electromagnetic energy directed by the aperture antenna, as a measure of the

characteristic of the formation.

Apparatus according to claim 18, characterized

characterized in that the receiving device comprises: a device (71) for positioning a second aperture antenna (92) in the borehole, with. sides parallel to the first aperture antenna, and

a device for receiving the electronic signal

magnetic return from the formation by the second aperture antenna, as a measure of the characteristic

of training.

Apparatus according to claim 18, characterized

in that the sides of the aperture antenna delimit

a rectangle whose length is parallel to the axis

of the survey.

Apparatus according to claim 18, characterized

rised in that the frequency of the electromagnetic field is of the order of 2 MHz, and the dimensions of the antennas

with opening are between 12 and 150 mm.