FR2752622A1

FR2752622A1 - Methode et appareil de suppression des courants de foucault dans l'exploitation petroliere

Info

Publication number: FR2752622A1
Application number: FR9703583A
Authority: FR
Inventors: Gersh Taicher; Arcady Reiderman
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-02-27
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: NO970875L; GB9703090D0; GB2311139A; IL120332A; CA2199755C; US5710511A; GB2311139B; ID16243A; NO20034406L; CA2199755A1; FR2752622B1; NO970875D0; IL120332A0; NO20034406D0

Abstract

L'invention a pour objet un appareil de diagraphie électromagnétique (32) pour puits de forage. Cet appareil comprend une sonde (42) allongée, adaptée pour être enfoncée dans un puits de forage, une source de courant alternatif à laquelle est reliée une antenne (67, 70) à laquelle elle-même est relié un circuit récepteur procurant une sortie correspondant aux signaux électromagnétiques induits par l'antenne (67, 70), et un insert (100) isolant disposé dans un intervalle annulaire entre l'extérieur (43) de la sonde et la paroi (22) du puits de forage, l'insert s'étendant dans une direction propre à segmenter des trajets de courants de Foucault (J) qui autrement circuleraient dans l'intervalle annulaire (34). Application au forage de puits.

Description

La présente invention est du domaine des appareils de diagraphie

électromagnétique des puits Plus spécifiquement, la présente invention a trait aux méthodes et appareils pour réduire l'effet des courants de Foucault dans le puits de forage par des mesures faites par différents types d'appareils de diagraphie électromagnétique. Les appareils de diagraphie électromagnétique peuvent généralement être décrits comme des types d'instruments qui induisent des champs électromagnétiques alternatifs dans les formations géologiques entourant les puits de forage, et mesurent différents phénomènes qui résultent de l'interaction des champs

électromagnétiques alternatifs avec les formations géologiques entourant le puits de forage.

Ces différents phénomènes sont en relation avec des propriétés pertinentes des formations géologiques. Un type d'appareil de diagraphie électromagnétique est un appareil à résistivité d'induction. Un appareil à résistivité d'induction est décrit, par exemple dans le brevet U.S. n 5.452.761 délivré à Beard et al. Cet appareil à résistivité d"induction comprend une source de courants alternatif (AC) qui traverse un transmetteur de l'instrument. Le courant alternatif traversant le transmetteur induit des champs électromagnétiques alternatifs dans le puits de forage et dans les formations géologiques entourant l'appareil. Les champs électromagnétiques alternatifs induisent à leur tour des courants de Foucault dans le puits de forage et dans les formations géologiques. Les courants de Foucault ont généralement une intensité proportionnelle à la conductivité du milieu dans lequel ils sont induits. Les courants de Foucault peuvent induire des tensions dans différents récepteurs de l'appareil. Les tensions correspondent généralement à

l'amplitude des courants de Foucault.

Un problème particulier avec les appareils à résistivité d'induction survient lorsqu'un fluide connu comme "boue de forage" remplissant le puits de forage au cours de l'exécution de celui-ci, est fortement électroconducteur. La forte conductivité de la boue de forage résulte de la présence d'importantes concentrations, entre autres, de chlorures de sodium, de calcium, et/ou de potassium incorporés dans la boue de forage. Ces produits chimiques sont ordinairement ajoutés à la boue de forage afin de réduire l'interaction chimique entre certaines formations géologiques et la boue. Les importantes concentrations de ces sels dans la boue de forage sont utiles pour réduire les effets de "déchaussement" ou de lixivation de certaines formations géologiques, mais la forte conductivité en résultant permet à des courants de Foucault importants de circuler à l'intérieur du puits de forage lorsque des champs électromagnétiques alternatifs sont induits par un appareil de diagraphie à induction. Les courants de Foucault élevés circulant dans le

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puits de forage peut empêcher de distinguer dans les récepteurs de l'appareil à induction, les signaux qui proviennent des seuls courants de Foucault circulant à l'intérieur des formations géologiques. La résolution des signaux d'une formation géologique est particulièrement

difficile lorsque la formation n'a pas une forte électroconductivité.

Un autre type d'instrument de diagraphie électromagnétique qui subit les effets nuisibles de la boue de forage conductrice est l'appareil à résonance magnétique nucléaire (RMN). Un appareil RMN est décrit par exemple, dans le brevet U.S. n 4.710.713 délivré à Taicher et al. Un autre type d'instrument RMN est décrit dans le brevet U.S. n 4. 350.955 délivré à Jackson et al. A la fois l'appareil de Taicher et al '713 et celui de Jackson et al '955 comprennent une antenne à travers laquelle les impulsions d'énergie de fréquence radio (RF) sont transmises. L'énergie RF conduite par l'intermédiaire de l'antenne induit un champ magnétique RF dans le puits de forage et dans les formations géologiques entourant l'instrument. L'énergie RF, étant bien sûr un sous-ensemble du courants alternatif (AC) tel qu'utilisé dans le transmetteur de l'appareil à induction et seulement avec l'appareil à induction, induit, lorsqu'elle passe dans l'antenne de l'appareil RMN, des courants de Foucault dans le puits de forage et dans la

formation géologique entourant l'instrument RMN.

Dans le brevet Jackson et al '955, par exemple, l'antenne agit, en première approximation, comme un dipôle tridimensionnel. La direction d'un champ magnétique généré par l'antenne est généralement alignée dans la direction du dipôle parallèle à son axe longitudinal. Ce type d'antenne est généralement assimilé à un dipôle longitudinal. L'antenne induit un champ magnétique RF dans le puits de forage et dans les formations géologiques entourant l'appareil, qui décroît en amplitude comme la troisième puissance de la distance radiale depuis l'axe du centre de l'appareil. Donc, induire un champ magnétique RF dans les formations géologiques ayant suffisamment d'amplitude pour rendre utilisables les mesures, nécessite que l'antenne génère dans le puits de forage un champ magnétique très intense. Si la boue de forage est électroconductrice, des pertes

significatives en puissance RF se produiront.

L'appareil divulgué dans le brevet Taicher et al.'713 comprend un ensemble d'aimant permanent substantiellement cylindrique qui est aimanté perpendiculairement à son axe longitudinal. L'aimant peut être considéré, dans le cadre de la présente discussion, comme un dipôle bi- dimensionnel infiniment long. L'aimant induit un champ magnétique statique dans le puits de forage et dans les formations, qui a une intensité substantiellement uniforme à l'intérieur d'un volume cylindrique annulaire mince autour de l'axe de l'aimant. L'appareil de Taicher et al '713 comprend aussi une antenne pour générer le champ magnétique RF et pour recevoir les signaux RMN. L'antenne peut être considérée, dans cette discussion, comme un dipôle bi-dimensionnel infiniment long. La direction du champ magnétique généré par cette antenne est généralement perpendiculaire à son axe longitudinal; ce type d'antenne est généralement assimilée à une antenne en dipôle

transversal. Le dipôle de l'aimant permanent est coaxial et orthogonal au, dipôle RF.

L'appareil divulgué dans le brevet Taicher '713 est sujet à plusieurs inconvénients. Notamment, l'antenne induit un champ magnétique RF dans les formations entourant l'appareil, qui décroît en intensité comme le carré de la distance radiale depuis l'axe de l'aimant. Donc, pour induire un champ magnétique dans les formations géologiques, ayant une amplitude suffisante à l'intérieur de la zone sensible, l'antenne doit générer un champ magnétique RF très intense dans le puits. Puisque la boue

de forage est électro-conductrice, des pertes significatives de puissance RF se produisent.

Le problème est semblable à celui auquel fait face l'appareil du brevet de Jackson et al. '955.

Pour parler de manière générale, les inconvénients des instruments de diagraphie électromagnétiques lorsqu'utilisés dans les puits de forage à boue de forage électroconductrice, peuvent être décrits comme il suit: premièrement la boue de forage peut avoir une conductivité variable par suite de différences de concentrations en sel et de différences de températures. La conductivité variable peut conduire à une variabilité extrême des pertes des courants de Foucault. En conséquence le chargement et l'impédance de l'antenne de l'appareil RMN, ou du transmetteur et des récepteurs de l'appareil à induction, peuvent varier sur un grand intervalle. Dans de tels cas, radaptation optimale à un circuit transmetteur et à un circuit récepteur est difficile. L'adaptation au transmetteur de l'appareil RMN est la plus problématique parce qu'une valeur prédéterminée de la puissance RF doit être générée à l'intérieur de la zone sensible de façon à rendre correctes les mesures par RMN. En outre, lorsque l'antenne et le transmetteur sont désaccordés, une partie de la puissance RF est réfléchie depuis l'antenne et échauffe le circuit transmetteur. Il est connu qu'à des valeurs faibles de résistivité de la boue de forage, les appareils RMN connus de l'art

ne sont pas fonctionnels.

En second lieu, la boue de forage conductrice réduit non seulement la puissance électromagnétique transmise, mals atténue aussi le signal reçu à un degré inconnu et variable. Faire face à ce problème particulier peut nécessiter une

procédure d'étalonnage coûteuse et compliquée.

En troisième lieu, la quantité de puissance qui peut effectivement être passée à travers le transmetteur peut être limitée, en particulier dans les appareils de diagraphie RMN. En général, plus grande est la pointe de puissance requise, plus élevées sont les tensions qui doivent être appliquées à l'antenne. Dans certains cas, la tension requise pourrait excéder les limites de certains composants électroniques de

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l'appareil. Une puissance moyenne importante du transmetteur peut avoir pour résultat son chauffage excessif Pour des appareils de diagraphie RMN il peut être difficile de générer plus de 100 cycles de mesure (connus comme échos de spin) dans des puits de forage

conducteurs, sans surchauffe du transmetteur.

En quatrième lieu, la stabilité de la réponse de l'instrument, en particulier la réponse des appareils RMN, peut être affectée de façon défavorable. Une variabilité de l'amplitude de champ magnétique RF, variabilité dans l'atténuation du signal reçu RMN et la variabilité du coefficient Q du récepteur lorqu'il est

en réception, peut occasionner des difficultés dans l'étalonnage du récepteur.

En cinquième lieu, pour des appareils de diagraphie RMN, la largeur de bande de la fréquence d'excitation du champ magnétique RF est proportionnelle à l'amplitude d'impulsion de puissance RF (impulsions courtes). En outre, pour des appareils RMN tels que celui décrit dans le brevet de Taicher et al. '713 utilisant un champ magnétique statique ayant un gradient d'amplitude, l'épaisseur de la zone excitée (volume sensible) est proportionnelle à la largeur de bande de la fréquence d'excitation. Les

problèmes du mouvement de l'appareil sont donc réduits lorsque l'amplitude RF est élevée.

Des courants de Foucault importants circulant dans le puits de forage font qu'il est difficile

d'atteindre une amplitude élevée du champ magnétique RF dans les formations géologiques.

Finalement le rapport signal/bruit (S/N) des instruments de diagraphie électromagnétiques, en particulier des appareils RMN, est généralement plus grand pour des valeurs les plus élevées du coefficient Q d'antenne. Le rapport S/N eu égard au Q de l'antenne est un élément primordial de la géométrie spécifique de l'appareil. Les intensité élevées des courants de Foucault circulant dans le puits de forage limitent le Q de

l'antenne, en limitant par là la géométrie utile de l'instrument.

En conséquence, la présente invention a pour objet de proposer un appareil et une méthode de réduction des effets nuisibles des courants de

Foucault sur un appareil de diagraphie électromagnétique.

L'invention a pour objet un appareil de diagraphie électromagnétique comprenant une sonde allongée adaptée pour être introduite dans un puits de forage, une source de courant alternatif, une antenne reliée à la source de courant alternatif, et un circuit récepteur relié à l'antenne. Le circuit récepteur délivre une sortie correspondant aux signaux électromagnétiques induits dans l'antenne. L'invention comprend en outre au moins un insert isolant disposé dans un intervalle annulaire entre l'extérieur de la sonde et la paroi du puits de forage. L'insert s'étend dans une direction telle que soient interrompus les trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient dans l'intervalle annulaire.

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Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, l'appareil de diagraphie comprend un appareil de résonance magnétique nucléaire avec une antenne en dipôle longitudinale. Les inserts isolants s'étendent le long de l'axe longitudinal de l'appareil de façon à segmenter les trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'appareil. Une autre forme de réalisation de l'invention comprend un appareil d'induction électromagnétique à résistivité, ayant une bobine transmettrice et une bobine réceptrice axialement espacées de part et d'autre du transmetteur le long de la sonde. Les inserts s'étendent substantiellement parallèlement à l'axe de la sonde pour segmenter les trajets des courants de Foucault qui autrement ciculeraient

perpendiculairement à l'axe de la sonde.

La figure 1 représente un appareil de diagraphie à résonance magnétique nucléaire RMN, dans un puits de forage s'enfonçant dans des

formations géologiques.

La figure 2 représente des inserts de suppression des courants de Foucault utilisables avec une antenne longitudinale de l'appareil RMN de la

figure 1.

La figure 3 représente des inserts de suppression des courants de Foucault utilisables avec une antenne transversale de l'appareil RMN de la figure 1 La figure 4A illustre schématiquement des lignes de courants de Foucault avant insertion d'un insert d'élimination des courants de Foucault,

pour une antenne longitudinale infiniment longue.

La figure 4B illustre les lignes des courants de Foucault après insertion d'un insert de suppression des courants de Foucault, pour une antenne

longitudinale infiniment longue.

Les figures 5 (5A,5B) illustrent les lignes des courants de Foucault avant et après l'insertion des inserts de suppression des courants de Foucault,

de l'appareil RMN de la figure 2.

Les figures 6 (6A,6B) illustrent les lignes des courants de Foucault avant et après l'insertion des inserts de suppression des courants de Foucault,

de l'appareil RMN de la figure 3.

La description de l'invention comprend ici à la fois celle

de l'appareil de diagraphie à induction électromagnétique, et celle de l'appareil de diagraphie à résonance magnétique nucléaire (RMN). Tandis que la terminologie de l'antenne connue de l'art relativement à l'appareil d'induction, et à l'appareil de RMN est quelque peu

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différente, les principes physiques affectant leur mise en oeuvre sont substantiellement les mêmes. En particulier, l'appareil de diagraphie par induction comprend des ainsi nommés "transmetteurs" et "récepteurs" qui remplissent en substance la même fonction que l'antenne telle que décrite à propos de l'appareil RMN. Plus particulièrement, l'appareil de diagraphie à induction incorpore typiquement des bobines transmettrices et des bobines réceptrices qui peuvent être configurées pour fonctionner soit comme antennes en dipôle longitudinales

soit comme des antennes en dipôle transversales. En conséquence, la présente description

est applicable à un appareil de diagraphie d'induction ayant le type d'antenne correspondant.

La figure 1 représente un appareil de diagraphie disposé dans un puits de forage 22 pénétrant dans les formations géologiques pour y effectuer des mesures des propriétés de ces formations. Le puits de forage 22 de la figure 1 est typiquement rempli d'un fluide 34 connu de l'art comme "boue de forage". Cest une pratique commune d'utiliser entre autres, des concentrations substantielles de chlorure de sodium, de calcium et/ou de potassium, dans la boue de forage 34. Ces composés sont typiquement ajoutés à la boue de forage 34 en vue de réduire l'interaction chimique entre la

boue de forage 34 et certaines formations géologiques, telles que les "argiles schisteuses".

D'importantes concentrations de ces composés dans la boue de forage 34 peuvent être utiles pour diminuer les effets de "déchaussement (ou érosion)" ou de "lixivation" des

argiles schisteuses.

D'importantes concentrations de ces composés dans la boue de forage 34, lorsqu'elles sont combinées avec l'effet des températures élevées dans les parties les plus profondes du puits de forage 22, ont pour résultat le fait que la boue de forage ait une faible résistivité (haute conductivité). La signification de la forte conductivité

de la boue de forage 34 sera expliquée dans ce qui suit.

Un train d'appareils de diagraphie 32, qui peut comprendre un appareil de diagraphie à résonance magnétique nucléaire (RMN), ou alternativement, un appareil de diagraphie à induction électromagnétique, est typiquement

descendu dans le puits de forage 22 au moyen d'un câble électrique armé 30.

La présente invention sera expliquée, pour la commodité, en tant qu'application de l'appareil de diagraphie RMN. A travers cette

description, on devrait se rappeler que la' description prévue ici est également applicable à

l'appareil de diagraphie à induction. Une sonde 42 RMN peut être incluse dans le train d'appareils 32. Lorsque la sonde RMN 42 est incluse, le train d'appareils 32 est de préférence centré à rintérieur du puits de forage 22 au moyen d'un centreur de sommet 56 et d'un centreur de fond 57 reliés au train d'appareil 32 en des intervalles espacés axialement de part et d'autre. Les centreurs 56, 57 peuvent être de types connus de l'art tels que les

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ressorts en arceaux. D'autres capteurs de diagraphie (non représentés séparément pour la clareté de l'illustration sur la figure 1) peuvent participer au câble d'appareil 32. Une sonde RMN qui peut peut être utilisée dans la présente invention est décrite, par exemple, dans le brevet U.S. n 4.350.955 délivré à Jackson et al. L'appareil divulgué dans le brevet Jackson et al '955 est décrit ici seulement pour montrer la structure d'une sonde RMN ayant une configuration d'antenne qui pourra fonctionner avec une forme de réalisation de la présente invention. La sonde divulguée dans le brevet Jackson et al '955 n'est en aucune façon significative d'une représentation exclusive de l'appareil RMN qui fonctionnera avec la présente invention, et en, conséquence ne sera pas interprétée comme une limitation de l'invention. La sonde RMN du brevet Jackson et al '955 comprend une bobine de fil qui agit

comme une antenne en dipôle longitudinale.

La figure 2 représente schématiquement la sonde RMN 42, comprenant une forme de réalisation des inserts isolants 100 de suppression des courants de Foucault, conformes à la présente invention. La sonde RMN 42 de la figure 2 est représentée avec seulement les détails suffisants pour illustrer le positionnement des inserts 100 selon la présente invention. La sonde RMN 42 par conséquent est seulement représentée avec un aimant 62, une antenne réceptrice 67, un carter extérieur de protection 43, et les inserts 100. Un intervalle annulaire entre le puits de forage 22 et l'extérieur du

carter 43 est représenté rempli de boue de forage 34.

Les inserts 100 tels que représentés à la figure 2 sont configurés pour être utilisés avec des antennes en dipôle longitudinales, telles que rantenne émettrice-réceptrice 67. Les inserts 100 sont typiquement attachés à l'extérieur de la sonde 42 en des emplacements séparés radialement. La manière d'attacher les inserts 100 sera expliquée par ailleurs. Les inserts 100 devraient substantiellement traverser l'intervalle annulaire compris entre l'extérieur du carter 43 et la paroi du puits de forage 22. Les inserts sont positionnés de façon à s'étendre de façon substantiellement parallèlement à l'axe longitudinal de la sonde 42. Les inserts 100 traversant l'intervalle annulaire sont destinés à arrêter le flux des courants de Foucault dans le puits de forage 22 le long substantiellement

de trajets circulaires dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la sonde 42.

Comme il est compris des hommes de l'art, le courant alternatif conduit à travers une antenne en dipôle longitudinale, telle que celle représentée par 67, génère des champs électromagnétiques alternatifs dans les milieux entourant l'antenne 67. Les champs électromagnétiques alternatifs induisent des courants de Foucault qui circulent substantiellement le long des trajets circulaires dans des plans perpendiculaires à l'antenne 67. En interrompant les trajets circulaires, les inserts 100 changent la distribution spatiale des courants de Foucault circulant dans l'intervalle annulaire compris entre le carter 43 et le

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puits de forage 22. Les considérations propres à déterminer le nombre des inserts 100 à

fixer au carter 43 seront expliqués plus loin.

Les inserts 100 devraient être faits d'un matériau non électroconducteur. Les sondes RMN 42, de types connus, comportent typiquement des carters 43 faits d'un carter non-conducteur entourant l'aimant 62 en vue d'empêcher la boue de forage de pénétrer à l'intérieur. Le carter 43 est typiquement composé d'un composit de résine armée ou d'un matériau similaire rigide non-conducteur. Pour la commoditié du concepteur du système, il est proposé que les inserts 100 et le carter 43 puissent être moulés en un ensemble monobloc, sans que cela puisse être considéré comme une limitation à la construction des inserts 100 et du carter 43. Il est.seulement essentiel pour l'invention que seuls les inserts 100 soient non-conducteurs et traversent substantiellement l'intervalle annulaire entre l'extérieur du carter 43 et la paroi du puits 22 en vue d'interrompre la continuité du trajet électroconducteur créé dans l'intervalle annulaire compris entre le carter 43 et le puits 22 La configuration des inserts 100 permet à la boue de forage 34 de déplacer librement la sonde 42 sans résistance hydraulique substantielle

lorsque la sonde 42 est insérée dans ou retirée du puits de forage 22.

La figure 3 représente une configuration alternative des inserts 100 pour utilisation avec des sondes RMN ayant des antennes en dipôle transversales. L'antenne est représentée sur la figure 3 par 70. Une sonde 42 RMN qui comprend une antenne en dipôle transversal est décrite, par exemple, dans le brevet U.S. n 4.710.713 délivré à Taicher et al. La sonde RMN décrite dans le brevet Taicher et al '713 est divulguée ici seulement pour expliquer l'opération des inserts lOOA de la présente invention lorsqu'ils sont utilisés avec une sonde RMN avec une antenne en dipôle transversal, et ne doit pas être à interpréter comme limitation de l'invention. La sonde RMN 42 représentée sur la figure 3 est montrée sous une forme schématique très ébauchée comme est la sonde de la figure 2, de façon à expliquer le positionnement et la fonction des

inserts 100A.

Comme dans la première forme préférée de réalisation

de l'invention, les inserts 100A devraient être faits à partir d'un matériau non-conducteur.

Les inserts lOOA de la figure 3 peuvent aussi être moulés en un monobloc avec le carter 43, mais comme avec la première forme de réalisation des inserts ( représentée par 100 sur la figure 2), cette méthode de construction ne doit pas être interprétée comme une limitation de l'invention. Dans la configuration de la figure 3, les inserts 100A peuvent s'étendre autour de la circonférence de la sonde 42 substantiellement perpendiculairement à l'axe longitudinal de la sonde 42. Comme expliqué par la suite, il a aussi été décidé que la réduction substantielle des pertes en courants de Foucault peut être obtenue même lorsque les inserts ne circonscrivent pas complètement l'intervalle annulaire entre l'extérieur de la sonde 42 et la paroi du puits de forage 22. Les inserts IOOA tels que représentés sur la figure 3 ont besoin seulement de circonscrire partiellement l'extérieur de la sonde 42, et devraient de préférence être situés proche de la partie de l'antenne 70 qui est parallèle à l'axe longitudinal de la sonde 42. Cette partie de l'antenne sera logée typiquement le long d'un axe d'aimantation 82 de l'aimant 62. Le fait que les inserts 100A n'aient pas besoin de circonscrire complètement l'extérieur de la sonde 42 est important parce que des forces hydrauliques empêcheraient substantiellement l'insertion de la sonde 42 dans le puits de

forage 22 si les inserts 1 OOA circonscrivaient complètement la sonde 42.

Plusieurs inserts IOOA peuvent être positionnés le long de l'extérieur de la sonde 42 à des emplacements espacés axialement qui sont substantiellement à l'intérieur de l'envergure axiale de l'antenne 70. L'emplacement radial de tous les inserts 100A devraient être proche de la partie de l'antenne 70 qui s'étend parallèlement à l'axe longitudinal de la sonde 42. Des considérations pour déterminer le nombre d'inserts 100A qui devraient être inclus sur la sonde 42 seront expliquées par la suite. En référence maintenant aux figures 4A, et 4B, les principes de fonctionnement de la première forme de réalisation des inserts altérants des courants de Foucault (représentés figure 2) seront expliqués. La figure 4A représente les trajets des courants de Foucault sans les inserts 100. La figure 4B représente le trajet des courants de Foucault lorsqu'un seul insert 100 est compris dans la sonde 42 En référence premièrement à la figure 4A, un modèle simplifié de distribution des courants de Foucault est présenté sans les inserts 100. Le système représenté sur la figure 4A est substantiellement axialement symétrique, et ainsi a pour résultat que les lignes j de densité des courants de Foucault forment substantiellement des cercles autour des axes longitudinaux de la sonde 42 et du puits de forage 22 La loi de Faraday distribuée en forme de loi de Maxwell (voir par exemple, W.K.H. Panofsky et M. Phillips, "Classical Electricity and Magnetism" Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1962 p 159) pour les amplitudes complexes des vecteurs magnétiques et électriques dans le cas d'une dépendance harmonique temporelle du courant alternatif circulant dans l'antenne 67 peut être décrit par la relation suivante: JEdl =- (IA (1)

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dans laquelle co représente la fréquence angulaire du courant alternatif E =j/p dans laquelle p représente la résistivité de la boue de forage 34; l'intégrale est prise le long de la ligne de densité des courants de Foucault à un rayon R etD CA est le temps dépendant du flux magnétique traversant la zone à l'intérieur du cercle de rayon R (R est dans l'intervalle (Rt, Rt + aR)) qui est approximativement égal au flux magnétique à travers la section transversale d'une tige de ferrite (non représentée séparément) qui peut être disposée à l'intérieur de l'antenne émettrice-réceptrice 67. Ce flux magnétique est égal à (o d2/4) Bf, dans lequel Bf = /lOfurOd IlN/représente la densité de flux magnétique dans la tige de ferrite uo représente la perméabilité magnétique de l'intervalle libre, urOd représente la perméabilité magnétique de la tige de ferrite; d représente le diamètre de la tige de ferrite, I, représente le courant circulant dans l'antenne 67, n représente le nombre de tours de spires dans la bobine d'antenne, et /représente la longueur de l'antenne 67. En termes de charges magnétiques, qm il est possible de ré-écrire 1 5 l'expression pour le flux magnétique comme: (IA = qm Cette expression suppose que le champ magnétique secondaire produit par les courants de Foucault ne contribue pas substantiellement à CI. Cette hypothèse est typiquement valable pour le cas de milieux de faible conductivité (parce que les dimensions considérées sont beaucoup plus petites que la profondeur de la couche superficielle). La substitution dans l'équation(1) selon les expressions ci-dessus conduit à l'expression suivante de la densité des courants de Foucault j = () qm/(2xRp) (2) La perte de puissance RF Pec due aux courants de Foucault peut être déterminée par l'intégrale de la densité de courants j élevée au carré, par le volume de la boue de forage 34. Cela est représenté dans l'expression suivante: eC = p f jdv (3) Pour que la distribution des courants de Foucault montrée sur la figure 4A sans insert, en substituant dans l'équation (3) et en intégrant, ait pour résultat que la perte de puissance RF due aux courants de Foucault s'exprime dans l'expression suivante (Pe)iA = (6o qm)2 ln(1 + AR/R) /(2rp) (4) La figure 4B représente les lignes de densité j des courants de Foucault lorsque l'intervalle annulaire entre la sonde 42 et la paroi du puits de forage 22 est interrompue par un insert unique 100. En raison de la présence de l'insert 100, le trajet des courants de Foucault ne peut pas se refermer de façon à enfermer le flux magnétique total de l'antenne 67. Le flux magnétique RF induisant les courants de Foucault en présence de 1' insert peut être décrit approximativement par (IB = 27RavRBlav dans laquelle 27cRm et 5R représentent, respectivement, la longueur et la largeur de la zone entourée par une ligne des courants de Foucault, Rav, Rt + AR/2 est le rayon moyen de

l'intervalle annulaire et Blav est le champ moyen RF B1 à l'intérieur de l'intervalle annulaire.

En remplaçant DCB dans l'équation (1) et en intégrant j sur une ligne des courants de Foucault on arrive à l'expression suivante de la densité des courants de Foucault: j = CiBv [2xRav ÈR / (ÈR + 2xRaR,)]/ p (5) Une expression simplifiée du champ rayonnant de l'antenne longitudinale 67 peut être représentée par: BI = qf (p/47r) /[R2 + (M/2)21J31/2 (6) ' En outre à supposer que l >>Rt, il peut être montré que Blav - B1 = (2/)qm/12 qui donne l'expression suivante de densité des courants de Foucault en présence de l'insert 100:

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j = 2 qf 127 R",, WR/(R + 2v R.)]/ (ôp 2) (7) Dans le cas o 6R"<<2rRav, alors la densité de courants peut être exprimée par: j = 2ả q" ÈR /(Tp e2) (8) La perte de puissance RF (Pec)B correspondant au cas présenté sur la figure 4B peut être calculée selon l'expression suivante: ( -ec- (C q t27rR^ 1(A) 3/(3ip) (9) En calculant le rapport (Pec)(4Pec)LA il est possible d'estimer l'effet de l'insert 100 par: (P,/(Pj,XA = (16/3)(R22)(A) 3 / ln(l + AR/R) (10) Des valeurs caractéristiques sont Rt = 2" ( 5,08cm); AR=I1" (2,54cm); I=10" (25,4cm). Le rapport ainsi calculé fournit une valeur de (Pec)mB/(Pec)IA= 0,0027. Lorsque les effets d'extrémité sur l'antenne en dipôle longitudinale sont négligés, la perte des courants de Foucault devient insignifiante même lorsque

seulement un insert unique 100 est utilisé.

Pratiquement, la plupart des pertes de courants de Foucault ont lieu aux extrémités de l'antenne en dipôle longitudinale 67. Comme valeurs typiques d'un rapport de la longueur de l'antenne en dipôle 67 par rapport au diamètre du puits de forage 22, les courants de Foucault circulant près des extrémités de l'antenne 67 occasionnent la plus grande partie des pertes des courants de Foucault en présence des

inserts isolants 100.

En référence aux figures SA et 5B, les trajets des courants de Foucault pour une antenne en dipôle longitudinale de longueur finie (telle que 67 sur la figure 2) sont représentés sans interruption (sur la figure 5A) et avec interruption avec un seul insert (figure 5B). Pour l'intervalle annulaire interrompu tel que représenté sur la figure SA, les lignes des courants de Foucault se groupent autour des extrémités de l'antenne 67 à proximité des charges magnétiques qm. Le champ magnétique qui excite effectivement les courants de Foucault dans ce cas est la composante radiale BR du champ de la charge magnétique. A l'intérieur de la boue de forage (34 sur la figure 1) ce champ peut être représenté par l'expression suivante BR = qr/[47c(Rav,2'+ z2)1 (11) dans laquelle l'origine de l'axe-Z est choisie à l'emplacement de la charge magnétique. La longueur effective AZeff du trajet des courants de Foucault dans la direction de l'axe-Z peut être déterminée à la condition que la ligne moyenne effective des courants de Foucault enferme le flux magnétique total (conformément au théorème de Gauss il est égal à qm) avec une densité de flux BR = BR(Z=O). Dès lors Azeff peut être déterminé par AZeff = 2Rav. Donc, le trajet effectif des courants de Foucault peut être calculé par: 2(27CRav+ 2Rav) et après substitution dans l'équation (1) j = qm/[47rR., p (1+1/7r)1 (12) la perte de puissance RF peut être calculée par (Pec)r = [1/(1 + 1/ir)J2(t q m)2 AR/ (27tp) (13)

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Pour le cas des inserts N séparés radialement par 360/N degrés les uns des autres la perte de puissance peut être exprimée par: (Pec)tB = [1/(1 +N/g) () q l)2 ARI/(2gp) (14) En comparaison avec l'équation (4): (Pi,, B 4 t. A [ l/(l +N/g)f]R. t (15) L'effet des inserts sur la perte de puissance RF de l'antenne en dipôle longitudinale 67 est tiré de l'équation (15). Par exemple, pour Rt=2" (5,08cm), 1=10" (25, 4cm), le rapport est égal à 0.15 pour N=1; et le rapport à 0.1 pour N=3. Il est significatif de noter qu'environ 85 pourcent de perte de puissance due aux courants de Foucault peut être évitée en utilisant seulement un insert 100. Comme le comprennent les hommes de l'art, pratiquement, la configuration montrée en figure 2 peut être difficile à utiliser dans certains puits de forage en raison de la friction entre les inserts 100 et la paroi du puits de forage 22. Comme montré par les résultats calculés à partir de l'équation (15), une part substantielle de réduction des pertes des courants de Foucault peut être obtenue en utilisant seulement un insert 100 sur l'antenne en dipôle longitudinale 67. L'utilisation de seulement un, ou peut-être deux des inserts 100 peut substantiellement améliorer la facilité avec laquelle la sonde 42 peut être insérée dans et retirée du puits de forage 22, et accroître l'intervalle des diamètres du puits

de forage 22 pour lequel un simple insert de largeur 100 est utile.

Tandis que les calculs pour la réduction de la perte des courants de Foucault sont dirigés vers une forme de réalisation comprenant une sonde RMN il doit être explicitement compris que l'appareil divulgué ici, et les calculs de perte de puissance, sont également applicables à l'utilisation des instruments de diagraphie par induction. La théorie des instruments de diagraphie par induction est bien connue de Part, et est décrite par exemple dans "Basic Theory of Induction Logging and Application to

Study of Two-Coil Sondes", J.H. Moran and K. S. Kunz, Geophysics Vol. 27, n 6, pp 829-

858, society of Exploration Geophysicists, 1962. Comme il est aussi connu de l'art, des instruments de diagraphie par induction comprennent typiquement des bobines-émettrices et des bobines-réceptrices qui agissent comme des antennes en dipôle longitudinales. Voir, par exemple, le brevet U.S. n 3.147.429 délivré à Moran. Il doit être explicitement compris que les références à Moran et Kunz et au brevet Moran '429 sont fournies seulement pour donner des exemples de l'appareil et de la théorie de diagraphie par induction, ne sont pas limitatifs de la présente invention. Dans le cas d'instruments de diagraphie par induction, il est préférable que la longueur effective des inserts 100 traverse l'étendue totale entre les bobines émettrices et les bobines réceptrices des sondes de diagraphie par induction puisque des courants de Foucault traversent principalement l'intervalle annulaire entre les bobines

émettrices et les bobines réceptrices des sondes de diagraphie par induction.

La figure 6A représente des modèles de courants de Foucault pour l'antenne en dipôle transversale (telle que celle représentée sur la figure 3 par 70). La figure 6B représente les modèles des courants de Foucault de l'antenne en dipôle transversal lorsqu'un simple insert (tel que 100A sur la figure 3) est relié à l'extérieur de la sonde (42 sur la figure 3). Une configuration simplifiée des lignes de courants de Foucault permet le calcul de la perte des courants de Foucault par l'expression suivante: (PeC)t = [1/(N+1+'/7 RdJI2(Lû q m)2(VR,J lAR/(87p) (16) dans laquelle N représente le nombre des inserts 100A axialement espacés à équi-distance les uns des autres (100A tels que représentés sur la

figure 3).

Le taux de perte de puissance peut être déterminé par l'expression (Pr)a/ (P.) =(l+U/i R+J2 /(N+1+i R+' 22 (17)

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Pour des valeurs caractéristiques telles que Rav = 2,5" (6,35cm), 1=10" (25,4cm), N=3, le taux de perte de puissance de l'antenne en dipôle

transversale est d'environ 0.2.

Les hommes de l'art pourront établir d'autres formes de réalisation de l'invention décrites ici sans se départir de l'esprit de l'invention. En

conséquence la portée de l'invention ne devrait être limitée que par les revendications qui

suivent.

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Claims

REVENDICATIONS

1.-Appareil de diagraphie électromagnétique (32) pour la diagraphie d'un puits de forage (22), comprenant: une sonde (42) allongée adaptée pour être enfoncée dans le dit puits de forage, une source de courant alternatif; une antenne (67,70) reliée à la dite source de courants alternatif, un circuit récepteur relié à la dite antenne, le dit circuit récepteur procurant une sortie correspondant aux signaux électromagnétiques induits dans la dite antenne; et au moins un insert (100, 100A) isolant disposé dans un intervalle annulaire entre l'extérieur (43) de la dite sonde et la paroi (22) du dit puits de forage, le dit insert au moins s'étendant dans une direction propre à segmenter des trajets de courants de Foucault (J) qui autrement circuleraient dans le dit intervalle

annulaire (34).

2.-Appareil de diagraphie électromagnétique selon la revendication 1, comprenant en outre un aimant (62) pour induire un champ magnétique statique dans les formations géologiques pénétrées par le dit puits de forage, et dans lequel la dite source de courant alternatif comprend un générateur d'impulsion de fréquence radio et dans lequel le dit récepteur comprend un récepteur de fréquence radio adapté à la mesure

des signaux de résonance magnétique nucléaire à partir des formations géologiques.

3.-Appareil de diagraphie électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel la dite antenne (67,70) comprend une bobine d'induction transmettrice, la dite source de courant alternatif comprend une sortie de puissance dont les fréquences et amplitudes sont appropriées à la diagraphie de résistivité d'induction, la dite antenne comprend en outre une bobine d'induction réceptrice, et le dit circuit récepteur est adapté pour mesurer les amplitudes des tensions induites dans la dite bobine réceptrice, résultant de

l'induction électromagnétique.

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4.-Appareil de diagraphie électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel: la dite antenne comprend un dipôle longitudinal s'étendant substantiellement parallèlement à un axe longitudinal de la dite sonde, et le dit insert (100) s'étend substantiellement le long du dit axe longitudinal de façon à segmenter les dits trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient

substantiellement perpendiculairement au dit axe longitudinal.

5.-Appareil de diagraphie électromagnétique selon la revendication 4, dans lequel la dite antenne comprend une bobine enroulée de telle sorte que les spires de la dite bobine

s'alignent avec les plans substantiellement perpendiculaire au dit axe longitudinal.

6.-Appareil électromagnétique de diagraphie selon la revendication 1, dans lequel la dite antenne comprend un dipôle transversal s'étendant substantiellement parallèlement à un axe longitudinal de la dite sonde, et le dit insert (100OA) s'étend substantiellement perpendiculairement au dit axe longitudinal et autour d'une partie de la circonférence de la dite sonde de façon à segmenter les dits trajets des courants de Foucault qui

autrement circuleraient substantiellement parallèlement au dit axe longitudinal.

7.-Appareil de diagraphie électromagnétique selon la revendication 6, dans lequel la dite antenne comprend une bobine enroulée de telle sorte que les spires de la dite bobine s'alignent avec les plans substantiellement parallèlement au dit axe longitudinal.; 8.-Appareil de diagraphie par Résonance magnétique nucléaire, comprenant: un aimant (62) pour induire un champ magnétique statique dans les formations géologiques pénétrées par un puits de forage; des moyens pour générer un champ magnétique de fréquence radio dans les dites formations géologiques; des moyens pour recevoir des signaux de résonance magnétique nucléaire à partir des dites formations géologiques; et des moyens pour segmenter les trajets des courants de Foucault circulant dans

l'intervalle annulaire entre l'extérieur du dit appareil et la paroi du dit puits de forage.

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9.-Appareil selon la revendication 8, dans lequel les dits moyens pour générer et les dits moyens pour recevoir comprennent une antenne (67) en dipôle longitudinal, et les dits moyens pour segmenter comprennent au moins un insert isolant disposé dans le dit intervalle annulaire et s'étendant substantiellement parallèlement à un axe de la dite antenne en dipôle longitudinal; 10.-Appareil selon la revendication 8, dans lequel les dits moyens pour générer et les dits moyens pour recevoir comprennent une antenne (70) en dipôle transversale, et les dits moyens pour segmenter comprennent au moins un insert isolant disposé dans le dit intervalle annulaire et s'étendant substantiellement perpendiculairement à un axe

longitudinal du dit appareil.

1 -Appareil de diagraphie à induction électromagnétique, comprenant: une sonde (42) adaptée pour être enfoncée dans un puits de forage pénétrant dans des formations géologiques; une source de courant alternatif; une antenne transmettrice (67,70) disposée sur la dite sonde et reliée à la dite source de courant alternatif; une antenne réceptrice disposée sur la dite sonde axialement espacée du dit transmetteur; un circuit récepteur relié à la dite antenne réceptrice; et des moyens (100,100A) pour segmenter les trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient dans un intervalle annulaire entre la dite sonde et le dit puits de forage;

12.-Appareil de diagraphie par induction électromagnétique selon la revendication 11, dans lequel la dite antenne transmettrice et la dite antenne réceptrice comprennent chacune une antenne (67) en dipôle longitudinal, et les dits moyens pour segmenter comprennent au moins un insert isolant (100) s'étendant parallèlement à un axe

longitudinal des dites antennes dipôles longitudinales.

13.-Appareil de diagraphie par induction électromagnétique selon la revendication 11 dans lequel la dite antenne transmettrice et la dite antenne réceptrice comprennent chacune un dipôle (70) transversal, et les dits moyens pour segmenter comprennent au moins un insert isolant (100A2) s'étendant perpendiculairement à un axe longitudinal des dites

antennes en dipôle transversal.

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14.-Méthode pour la diagraphie électromagnétique des formations géologiques pénétrées par un puits de forage destinée à réduire les effets des courants de Foucault circulant dans un intervalle annulaire entre un appareil de diagraphie et le dit puits de forage, comprenant les étapes d'insertion du dit appareil de diagraphie dans le dit puits de forage; de production de champs électromagnétiques alternatifs dans les dites formations géologiques par passage d'un courant alternatif dans une antenne disposée dans le dit appareil de diagraphie; de segmentation électrique du dit puits de forage de façon à interrompre les trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient dans le dit intervalle annulaire, les dits courants de Foucault provenant des dits champs alternatifs électromagnétiques; et de détection des signaux dans la dite antenne correspondant à l'interaction des dits

champs électromagnétiques alternatifs avec les dites formations géologiques.

15. Méthode selon la revendication 14, dans laquelle la dite étape de production et la dite étape de détection comprennent respectivement la production et la détection des signaux de résonance magnétique nucléaire; 16.-Méthode selon la revendication 14, dans laquelle la dite étape de production et la dite étape de détection comprennent respectivement la production et la détection de signaux d'induction électromagnétique;

17.-Méthode selon la revendication 14 dans laquelle la dite antenne comprend un dipôle longitudinal de telle sorte qu'un composante magnétique du dit champ électromagnétique soit substantiellement parallèle à un axe du dit puits de forage, et dans laquelle la dite étape de segmentation électrique consiste en la division du dit intervalle annulaire en au moins deux compartiments radiaux segmentant de cette façon un des dits trajets des courants de Foucault substantiellement perpendiculairement au

dit axe.

18.-Méthode selon la revendication 14, dans laquelle la dite antenne comprend un dipôle transversal de sorte qu'une composante magnétique du dit champ électromagnétique s'étende substantiellement perpendiculairement à un axe du dit puits de forage et la dite étape de segmentation électrique comprenant la division du dit intervalle annulaire

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au moins deux compartiments axiaux, ce par quoi on segmente un des dits trajets des

courants de Foucault substantiellement parallèlement au dit axe.

19.-Méthode de diagraphie par résonance magnétique nucléaire des formations géologiques pénétrées par un puits de forage, comprenant les étapes: d'insertion d'un appareil de diagraphie par résonance magnétique nucléaire dans le dit puits de forage; d'induction d'un champ magnétique statique dans les dites formations géologiques; de production d'un champ magnétique de fréquence radio dans les dites formations géologiques de façon à exciter les noyaux des dites formations; de segmentation électrique d'un dit intervalle annulaire entre le dit appareil de diagraphie et le dit puits de forage de façon à interrompre les trajets des courants de Foucault qui autrement circuleraient dans le dit intervalle annulaire; et de détection des signaux de résonance magnétique nucléaire induite par les dits noyaux excités dans les dites formations;

20.-Méthode selon la revendication 19 dans laquelle la dite étape de production comprend l'émission d'une puissance de fréquence radio par le moyen d'une antenne en dipôle longitudinale de sorte que le champ magnétique de fréquence radio soit

substantiellement parallèle à un axe du dit puits de forage, et la dite étape d'électro-

segmentation comprend la division du dit intervalle annulaire en au moins deux compartiments radiaux ce par quoi on segmente un trajet des courants de Foucault

substantiellement perpendiculairement au dit axe.

21.-Méthode selon la revendication 19, dans laquelle la dite étape de production comprend l'émission d'une puissance de fréquence radio par le moyen d'une antenne en dipôle transversal de sorte que le dit champ magnétique de fréquence radio s'étende substantiellement perpendiculairement à un axe du dit puits de forage et dans laquelle la dite étape de segmentation électrique comprend la division du dit intervalle annulaire en au moins deux compartiments axiaux ce par quoi on segmente

un trajet des courants de Foucault substantiellement parallèlement au dit axe.