1 FORMATION DE FAISCEAUX EN CONTINU EN DÉPLACEMENT : PROCÉDÉ PERMETTANT DE RÉDUIRE LES EFFETS DE REPLIEMENTS SPATIAUX DANS LA DÉTECTION DE FUITE CONTEXTE [0001] La présente demande concerne la détection de fuite dans un puits de forage. [0002] Au cours du cycle de vie d'un puits de gaz et de pétrole, il est souhaitable de surveiller et de maintenir l'intégrité du puits. En particulier, l'intégrité des barrières du puits (telles que les tuyaux de production, le tubage du puits et la gaine en ciment enveloppante) est importante pour assurer une opération sans danger du puits et éviter les événements d'éclatement ou de fuite d'hydrocarbures dans l'environnement. Les fuites au niveau des barrières du puits peuvent, en principe, être détectées en surveillant les flux de fluide sous terre (par ex., de gaz ou de pétrole) dans et autour un puits de forage. La surveillance des flux de fond de puits autour des puits de forage, tels que de l'eau injectée, peut également être importante lors de la caractérisation du réservoir. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0003] Les figures suivantes sont présentées afin d'illustrer certains aspects des modes de réalisation, et ne doivent pas être considérées comme des modes de réalisation exclusifs. L'objet de l'invention divulgué peut subir de considérables modifications, altérations, combinaisons et équivalents, dans la forme et dans la fonction, comme il sera évident aux spécialistes du domaine qui bénéficient de cette divulgation. [0004] La figure 1 illustre un exemple d'un réseau de capteurs acoustique déployé à l'intérieur du puits de forage. [0005] La figure 2 illustre, à un niveau conceptuel élevé, la façon dont une source acoustique peut être localisée en deux dimensions. [0006] La figure 3 illustre un organigramme global d'un procédé de formation de faisceaux en déplacement qui utilise des pondérations de vecteur orientable modélisé dépendant d'une durée adaptative. 3037993 2 [0007] La figure 4 est un graphique illustratif montrant un exemple ATeour les différentes vitesses de réseau. [0008] La figure 5 illustre un exemple d'un système de diagraphie par câble dans un puits. Le système comprend un outil de sonde suspendu à un câble dans 5 un puits de forage tubé. [0009] La figure 6 illustre un système pour la détection et la localisation des sources acoustiques souterraines implémenté dans un système de forage pour des opérations de diagraphie MWD. [0010] Les figures 7A-7C comparent la précision (A) d'un réseau de 10 capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe, (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe et (C) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative dans lequel la fréquence de source (7 15 kHz) est inférieure à la fréquence du repliement spatial. [0011] Les figures 8A-8C comparent la précision (A) d'un réseau de capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe, (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe et (C) 20 d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative dans lequel la fréquence de source (25 kHz) est supérieure à la fréquence du repliement spatial. [0012] Les figures 9A-9C comparent la précision (A) d'un réseau de capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés 25 indépendants d'une durée fixe, (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe et (C) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative dans lequel la fréquence de source (47 kHz) est inférieure à la fréquence du repliement spatial.
30 DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0013] La présente demande concerne la détection de fuite dans un puits de forage. 3037993 3 [0014] Les flux de fluide souterrains émettent généralement des signaux acoustiques qui peuvent être mesurés, par ex., avec des câbles à fibre déposées le long du puits de forage ou avec des capteurs de points acoustiques tels que les capteurs ou hydrophones d'un réseau de fibres de Bragg (FBG). Les procédés existants 5 sont, cependant, très limités dans leur exactitude et la précision avec laquelle un flux de fluide détecté peut être localisé. En outre, les procédés existants assument ou nécessitent généralement que l'outil soit relativement stationnaire lors de l'enregistrement des signaux acoustiques provenant des flux de fluide. Cependant, en pratique, l'outil se déplace préférablement à travers le puits de forage généralement à 10 une vitesse fixe d'environ 20 pieds par minute à environ 30 pieds par minute. [0015] Les exemples de modes de réalisation décrits ici comprennent des outils, des systèmes et des procédés permettant de détecter une ou plusieurs sources acoustiques souterraines et de les localiser selon la distance de profondeur et la distance radiale à partir d'un puits de forage utilisant un réseau d'au moins 3 capteurs 15 acoustiques (également appelé ici « un réseau de capteurs ») placé dans le puits de forage en association avec un traitement de signal du réseau qui tient compte du mouvement des capteurs acoustiques et des effets de repliement spatial en utilisant des pondérations de vecteurs adaptatifs orientables modélisés dépendants de la durée. La détection et la localisation de la source acoustique conformément à la présente 20 invention peuvent être utilisées, en particulier, pour identifier des flux de fluide souterrains (par ex., provenant de fuite dans les barrières du puits) desquels émanent les signaux acoustiques. [0016] Tel qu'il est utilisé ici, le terme « profondeur » de la présente invention décrit généralement une coordonnée le long d'une direction d'un puits de 25 forage, indépendamment du fait que le trou de forage se prolonge verticalement dans la formation ou qu'il est incliné par rapport à la direction verticale. Tel qu'il est utilisé ici, le terme « distance radiale » décrit une direction perpendiculaire à et s'éloignant de l'axe longitudinal du puits de forage. [0017] Tel qu'il est utilisé ici, le terme « traitement du signal de réseau » 30 décrit généralement les techniques permettant d'estimer ou de calculer les paramètres d'une ou de plusieurs sources de signaux (tels que les emplacements de source et les formes d'onde émise) en fusionnant les données collectées par un réseau de capteurs ayant des relations géométriques connues, soit sensiblement soit simultanément ou, 3037993 4 plus généralement, ayant des relations temporelles connues entre les différents signaux de capteurs. Tel qu'il est utilisé ici, le terme « sensiblement simultanément » par rapport aux intervalles de temps indique que les intervalles de temps pendant lesquels les signaux sont collectés se chevauchent de façon importante (par ex., par 5 au moins 90 %, de préférence au moins 99 %) entre les différents capteurs. [0018] Les techniques de traitement de signal de réseau comprennent, sans limitation, divers procédés de filtrage spatial, tels que la formation de faisceaux classique, la formation de faisceaux de Capon, la classification multiple des signaux (MUSIC) et divers procédés paramétriques, aussi bien que l'estimation du temps de 10 retard. Le traitement de signal de réseau dépend généralement d'un modèle avancé de propagation des ondes à partir de là ou des sources vers les capteurs afin de résoudre le problème inverse (par ex., localisation de la source). Dans des contextes d'applications classiques, tel qu'un radar et sonar, ce modèle avancé est généralement simple étant donné que la propagation de l'onde se fait dans un milieu uniforme 15 (homogène ou isotrope) (par ex., dans l'air ou dans l'eau) et on peut assumer que la source est éloignée des capteurs. Cependant, lorsque des flux de fluide dans ou autour d'un puits de forage sont mesurés, les suppositions de milieu uniforme et d'éloignement ne tiennent plus. Par conséquent, dans divers modes de réalisation, le modèle avancé est ajusté pour tenir compte de la configuration et de la condition du 20 puits de forage et de la formation environnante (qui collectivement comprennent divers milieux de propagation et des limites entre les deux) et leur effet sur le champ d'onde (par ex., réfraction d'onde, réflexion et résonance), aussi bien que pour faciliter le traitement des signaux de champ proche (c.-à-d., des signaux provenant d'une source dont la distance par rapport aux capteurs n'est pas significativement (par ex., 25 ordre de grandeur) plus grande que l'étendue spatiale du réseau de capteurs). [0019] L'implémentation du traitement de signal de réseau implique, conformément à certains modes de réalisation, la fusion des signaux reçus par les capteurs individuels du réseau pour la pluralité des emplacements de sources putatifs à l'intérieur d'une région à deux dimensions prédéfinie (qui, par ex., recouvre une 30 certaine longueur dans la direction de la profondeur et se prolonge sur une certaine distance radiale par rapport au trou de forage) afin de calculer une carte en 2D d'un niveau d'énergie, d'une amplitude de la source acoustique, ou d'autres paramètres de signal fusionné comme une fonction de la profondeur et de la distance radiale. Le ou 3037993 5 les emplacements réels de la source peuvent être déterminés à partir de cette carte en identifiant le maximum local (ou les multiples maxima locaux) du niveau d'énergie de la source acoustique ou d'un autre paramètre. La grandeur du maximum local peut être utilisée pour déduire si oui ou non la source acoustique identifiée correspond 5 vraiment à un flux souterrain. Par ex., dans certains modes de réalisation, les signaux acoustiques sont acquis dans des conditions de multiples flux et de non-flux afin d'établir un seuil de détection statistique pour les flux pour une utilisation dans le test d'hypothèse binaire ou un test statistique semblable. [0020] La figure 1 illustre un exemple d'un réseau de capteurs acoustiques 10 amovible déployé à l'intérieur d'un puits de forage, conformément aux divers modes de réalisation. Tel qu'il est démontré, les capteurs 100 peuvent être placés de façon linéaire le long de l'axe longitudinal 102 du puits de forage (dont la coordonnée radiale est zéro). Ils peuvent être uniformément espacés (tel qu'illustré) ou il peut y avoir un espacement varié entre les capteurs adjacents. L'environnement du capteur comprend 15 généralement de multiples barrières physiques au flux du fluide, tels que les tuyaux de production 104 à travers lesquels le gaz ou le pétrole peut être pompé vers le haut et hors du puits, un ou éventuellement de multiples tubages de puits nichés 106 et une gaine en ciment 108 remplissant l'espace entre le ou les tubages 106 et la formation 110 entourant le puits de forage. En outre, le puits de forage peut être divisé en de 20 multiples sections verticales, par ex., par des joints de formation 112 entre les tubages 106 qui peuvent séparer, par ex., une partie inférieure perforée du tubage par laquelle entrent les hydrocarbures provenant d'une partie supérieure (non-perforée) servant de conduit vers le haut. Des scénarios de flux non-prévus qui peuvent se produire dans cette configuration peuvent comprendre, sans limitation, des flux à 25 travers le tubage 106 ou les tuyaux 104 en raison des fissures ou des trous dans ceux-ci (identifiés par des flèches 120), les flux à travers un joint de formation 112 entre des sections verticales adjacentes du puits de forage en raison d'une étanchéité insuffisante (identifiés par les flèches 122) et des flux à l'intérieur de la formation 110, la gaine de ciment 108 ou une autre couche qui est plus ou moins parallèle aux limites 30 de la couche (identifiées par les flèches 124). Lorsque les flux s'écoulent à travers des trajets restreints, des signaux acoustiques peuvent être générés en raison des chutes de pression qui accompagnent ces flux. Les signaux acoustiques se propagent 3037993 6 généralement dans toutes les directions à travers la formation et/ou le trou de forage, pouvant être détectés au niveau des divers emplacements de capteur. [0021] Les capteurs acoustiques 100 appropriés pour une utilisation dans les modes de réalisation décrits ici comprennent, par ex. et sans limitation, des 5 hydrophones (piézoélectrique), des capteurs FBG ou des segments d'un câble de fibre optique distribué. Dans divers modes de réalisation, les capteurs acoustiques sont omnidirectionnels, c.-à-d., incapables de différencier par eux-mêmes les différentes directions entrantes du signal. En exploitant les relations spatio-temporelles entre les signaux provenant de la même source au niveau de multiples capteurs, cependant, les 10 informations concernant la direction et/ou l'emplacement de la source du signal peuvent être obtenues. Par ex., en utilisant au moins trois capteurs dans un agencement linéaire le long de l'axe du puits de forage, comme le démontre la FIG. 1, il est possible, au moins dans certaines conditions, de déterminer la profondeur et la distance radiale de la source (comme il sera décrit plus en détail ci-dessous). Afin de 15 localiser également la source dans la direction azimutale, la configuration du réseau de capteurs peut être modifiée, par ex., en plaçant différents capteurs à différentes positions radiales en les plaçant en deux ou en trois dimensions, en recouvrant partiellement les capteurs afin de limiter leur détection à certaines fenêtres azimutales (des fenêtres différents pour différents capteurs) tout en pivotant les capteurs 20 partiellement recouverts afin de couvrir l'intégralité de la région azimutale, ou en utilisant des capteurs orientables (c.-à-d., des capteurs qui procurent de façon inhérente des informations sur la direction). Une configuration linéaire illustrée dans la FIG. 1 peut être une conséquence des confinements spatiaux imposés par les tuyaux 104 dans lesquels sont montés les capteurs. 25 [0022] La figure 2 illustre, à un niveau conceptuel élevé 200, la façon dont une source acoustique 202 (par ex., un flux de fluide) peut être localisé en deux dimensions (par ex., une distance radiale X et une profondeur y) basé sur les signaux provenant simultanément de multiples capteurs 204,206,208 (illustrés comme trois capteurs) à des emplacements différents R1, R2 et R3, respectivement, à condition 30 que le milieu soit uniforme de sorte que le signal voyage de la source vers les capteurs le long de lignes droites (sans subir, par ex., de réfraction ou de réflexion) et à une vitesse connue et constante, du son y. Dans ce cas, le temps de trajet t du signal 3037993 7 provenant de la source vers un capteur est simplement le rapport de la distance d 210,212,214 entre la source 202 et les capteurs 204,206,208, respectivement, vers le V. Comme il sera facilement compris par un homme du métier, le t absolu ne peut pas être mesuré par des procédés de détection de flux passifs décrits ici étant donné que 5 le signal acoustique ne possède pas un point de départ connu dans le temps (étant donné que le flux commence généralement longtemps avant les mesures et, dans tous les cas, à un moment inconnu). Cependant, le retard de temps Atij = ti - tj entre la réception d'une certaine caractéristique du signal (par ex., un pic dans la forme d'onde temporelle) au niveau d'un premier capteur i et la réception de la même 10 caractéristique au niveau d'un second capteur j (c.-à-d., le décalage de phase relatif) peut, en principe, être déterminé avec les équations 1 et 2 d .,\I(Xs -Xri)2 (Ys-Yri)2 ÉQ. 1 t- = = 15 àtii = ti - = xs-xri)2+(Ys-Yri)2- \1(xs-xrj)2 (.Y.s -Yrj)2 ÉQ 2 [0023] Avec des emplacements connus de capteurs (R1 à (xrifyri), R2 à (Xr2 yr2 ) et R3 à (Xr3 yr3 ) et un vconnu, ce temps de retard donne une équation non-linéaire contenant deux inconnus, notamment les coordonnées (xs tys) de la 20 source s. Un second temps de retard mesuré entre l'un des capteurs i ou j et un troisième capteur k donne une deuxième équation non-linéaire indépendante. À partir de ces deux équations, l'emplacement de la source en 2D peut être calculé tout simplement d'une façon connue des hommes du métier. Si le v est inconnu et/ou change lorsque le signal se propage à travers différents milieux, un réseau avec un 25 grand nombre de capteurs (par ex., 4 capteurs ou plus) peut être utilisé pour donner suffisamment d'informations permettant de localiser la source. 3037993 8 [0024] Dans les scénarios les plus complexes généralement retrouvés dans des applications de détection du flux, telles qu'elles sont envisagées ici, le traitement de signal prend généralement une forme plus complexe. Dans divers modes de réalisation, un procédé de traitement de signal d'un réseau (tel que le filtrage 5 spatial) peut être utilisé pour fusionner les divers signaux de capteur simultanément acquis et localiser la source acoustique. [0025] Dans certains cas, la technique de traitement du signal de réseau peut comprendre au moins l'un d'un filtrage spatial, d'une estimation d'un temps de retard ou d'une méthode son-énergie. 10 [0026] La figure 3 est un aperçu d'un exemple de technique de traitement de signal de réseau 300 qui utilise des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative 316, selon certains modes de réalisation de la présente demande. Par ex., une source acoustique éloignée à bande étroite (« s(t) »)) peut être utilisé, comme il est décrit ici, pour illustrer les principes qui sous-tendent les 15 procédés de filtrage spatial de la présente divulgation. [0027] Mathématiquement, le signal 302 capté à l'aide du réseau de capteurs statiques placé le long de l'axe des y (c.à.d.,, le long de l'axe longitudinal 102 du puits de forage de la figure 1) peut éventuellement être normalisé en appliquant une opération de normalisation 304 pour produire à signal reçu Pm(t) 306 au niveau 20 du mième capteur avec des signaux provenant de la K source de fuite, si(t), ...,sK(t). Étant donné qu'il y a des M capteurs dans le réseau avec un espacement inter-élément d, le vecteur de signal reçu 306 de chaque capteur peut être exprimé sous la forme de l'ÉQ 3. 25 pm(t) = E f= 1 ain(rsk)sk(t) + chn(t), ÉQ 3. dans laquelle am(rsk) est la fonction de transfert de la k ième source se propageant vers le mième capteur, rsk = (Xsk, ysk) est un vecteur identifiant la position de la kième source incidente,Sk(t)représente la grandeur de la kième source 3037993 9 incidente et qm(t) représente le bruit blanc gaussien additif qui capte les effets du bruit thermique et environnemental. [0028] Le signal pm(t) 306 provenant de tous les capteurs peut également être représenté sous forme de vecteur p(t) comme il est défini dans l'ÉQ. 5 4. Kt) = [p1(t) Pm(t) Pm(t)11. = As(t) + q(t), ÉQ 4. 10 dans lequel s(t) = [s1(t) sm(t) siat)iT A = [a(r si) ... a(rsk)i, q(t) = [q1(t) ... ch (t)]T , a(rsk ) = [ai (rsk) am (rsk) ... am (rs')]T, et (. )T identifie l'opération de transposition. [0029] Avec l'ÉQ 4 la matrice de covariance théorique R du modèle de réseau de capteur statique a la forme suivante. R = AE ts(t)sl (t)}All + aqI, ÉQ 5 15 20 3037993 10 dans laquelle E{. }identifie l'opération d'attente, (.)II identifie l'opération de transposition Hermitienne, et Oc/représente la puissance assumée du bruit I étant la matrice d'identité. [0030] Dans des applications pratiques, la matrice de covariance 5 théorique R peut être remplacée par un échantillon de matrice de covariance calculé à l'aide de l'ÉQ. 6. 1 t=1T ÉQ 6. R = f p(t)pH (t) dt. 10 où AT représente la durée du signal reçu capté 306 pour le réseau. [0031] Classiquement, la localisation du réseau de capteur statique peut être réalisée en construisant le spectre spatial p(r;) et en recherchant les pics. Les pics sont utilisés comme probabilité de l'emplacement des sources. En laissant 15 = {T1 TL} identifier l'ensemble qui contient l'emplacement de grille dans lequel le balayage spatial est réalisé, alors, pour chaque emplacement, les pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants à durée fixe a(ri) où r - E R. est d'abord calculé, avant l'estimation du spectre spatial standard de Capon pfri) par l'ÉQ. 7. 20 13(ri) =a 1(77)111a(ri). ÉQ. 7 [0032] Idéalement, si le réseau est stationnaire, le maximum local se produira ri = rsk lorsque le poids du vecteur orientable a(ri) correspond bien avec 25 la matrice de covariance R. 3037993 11 [0033] Cependant, lorsque le réseau de capteurs se déplace à une vitesse constante V, le signal reçu 306 dans la durée de AT produira une matrice de covariance Ît qui ne correspond plus au poids du vecteur orientable a(ri) du modèle stationnaire dans l'ÉQ. 5. Spécifiquement, le déplacement relatif causé par le 5 mouvement au temps t (0 < t < Anpeut être modélisé sous forme de Ar = vLT. Dans ce cas, le signal reçu 306 provenant des K sources peut être exprimé sous forme de : p(t,Ar) = Ek 1 a(rsk ±Ar)sk(o+ q(t) = A(Ar)s(t) + ci(t) 10 ÉQ. 8 dans laquelle A(3,r) [a(rsi + Ar) ... a(rsk + Ar)] - [0034] En tenant compte du réseau de capteurs en déplacement, la présente demande a pour but de localiser la position de la source de la fuite rsk = 15 (xsk, ysk) où k = t1, , K} en suivant l'analyse du signal reçu 306. [0035] Lorsque la matrice de covariance théorique provenant du vecteur de signal reçu dans l'ÉQ. 8 est identifiée comme R(Lr), l'ÉQ. 9 est dérivée. R(Ar) = Efp(t, Ar)pl (t, Ar)) = A(Ar)Efs(t)sH (t)}All (Ar) + QqI. ÉQ. 9 20 [0036] Lorsque t, V ou la fréquence du signal augmente (longueur d'onde plus courte), la différence entre A(Ar) et A augmente également. Et donc, l'application directe de l'ÉQ. 7 utilisant la matrice de covariance générée dans la durée tT avec l'ÉQ. 9 entraînera un mésappariement au niveau de ses vecteurs orientables.
25 Une approche ad hoc permettant de résoudre ce mésappariement consiste à écourter 3037993 12 la durée d'acquisition AT de l'ÉQ. 6 jusqu'à ce que la condition stationnaire soit préservée. En pratique, ceci peut être obtenu en tronquant AT et en utilisant un vecteur orientable modélisé indépendant de la durée et à pondération fixe, qui est une opération de construction du spectre spatial de Capon 318, décrit plus loin. 5 [0037] Cependant, afin de résoudre de façon efficace le mésappariement, la solution est donnée en divisant le signal reçu 306 enregistré à l'intérieur de la fenêtre d'acquisition AT en de multiples trames. En règle générale, lorsqu'une opération de décomposition de trame 308 est appliquée au signal reçu 306, le signal reçu 306 se décompose en trames N décomposées égales plus courtes 3100-310N-1 10 dans lesquelles la condition stationnaire et préservée. Alors, chacune des trames décomposées 3100...310N-1 représente un réseau virtuel. Pour le jeu de N trames décomposées 3100...310N-1, les matrices de covariance théoriques correspondantes R(ntr) peuvent être représentées par l'ÉQ. 10. 15 tR(0) R (Ar) --- R (nAr) -- - R ((N - 1) Ar)). ÉQ. 10 [0038] L'application d'un estimateur d'échantillon de matrice de covariance 3120...312N-1 (ÉQ. 11) à chacune des trames décomposées 3100...310N-1 convertit chacune des trames décomposées 3100...310N-1 en un échantillon de matrice 20 de covariance 3140...314N-1 (tÎ?(0) --- (nAr) -- - 1-?((N - 1)Ar))). (nAr) = - Jt=ned IN p(t, nzr) pH (t, nAr).N- ft=(n+1)AT /N ÉQ. 11 ii AT 3037993 13 [0039] En appliquant l'opération de construction du spectre spatial de Capon 3180...318N_1 (ÉQ. 12) les pondérations des vecteurs orientables modélisés adaptatifs dépendants de la durée 316o...316N-1 à un quelconque échantillon unique de matrice de covariance rk(nAr) 3140...314w1, la réponse du spectre spatial de 5 Capon ( 13(71)(r1) ) 320o...320N-1 pour chacune des trames est produite, dans lesquelles on peut rechercher les signaux de pic correspondant à l'emplacement source.
10 R(n) (r) = b ÉQ. 12 ) ali(rj+n1r)ii-1 (l'Ar) a(rj +nàr) dans laquelle bnest le facteur de pondération pour chaque nième trame et a(r1 + nir)représente les pondérations des vecteurs orientables modélisés adaptatifs dépendantes de la durée 3160...316N-1. [0040] Même si une quelconque réponse du spectre spatial de Capon 15 individuel r3(n)(r1) 3200...320N-1 peut être utilisée pour rechercher l'emplacement source rsk = (xsk, ysk), l'opération de construction du spectre spatial de Capon 3180...318N_1 peut être sujet à un repliement spatial qui produit des pics de lobes latéraux dans la réponse du spectre spatial de Capon 3200...320N-1, qui pourraient être identifié, de façon erronée, comme des emplacements source. Afin de réduire 20 l'intensité des lobes latéraux, une réponse moyenne pondérée du spectre spatial de Capon flmoving (1" j) 324 est calculé en réalisant une opération de normalisation et d'addition 322 (ÉQ. 13) sur la réponse du spectre spatial de Capon 320o...320N-1. Étant donné que les lobes latéraux ne sont pas localisés de façon constante dans chacune des réponses du spectre spatial de Capon 3200...320N_1, l'opération de 25 normalisation et d'addition 322 entraîne une réduction de l'intensité des pics de lobes latéraux et une augmentation de l'intensité de l'emplacement source. 3037993 14 fi'moving (ri) - p( n)(7.1) ÉQ. 13 [0041] Dans certains cas, les signaux acoustiques provenant des sources acoustiques peuvent avoir une fréquence plus élevée qu'une fréquence de repliement 5 spatial utilisée dans la technique de traitement du signal de réseau. Par ailleurs, les signaux acoustiques peuvent avoir une fréquence inférieure à une fréquence de repliement spatial utilisée dans la technique de traitement du signal de réseau. Par ex., afin de prévenir un repliement spatial, l'espacement inter-capteurs peut être d 5_ 212. Où À. représente la longueur d'onde du signal incident. Cependant, étant 10 donné que le réseau est conçu avec un espace inter-capteurs fixe, d, il peut souffrir d'un effet de repliement spatial lorsque la longueur d'onde du signal incident est À/2 d. [0042] Dans certains cas, l'ÉQ. 11 peut être utilisé pour lier la conception de ATn = AT IN , où : lorsque le réseau se déplace seulement le long de l'axe des z à 15 une vitesse,V = Vz, alors, on peut approcher ATn comme étant stationnaire si la différence entre la distance radiale de nLT and (n - 1)AT est liée à l'intérieur de 1 %. La contrainte de liaison à 1 % peut être exprimée mathématiquement sous forme de l'ÉQ. 14.
20 ATn < ÉQ. 14 vz [0043] La figure 4 est un graphique illustratif montrant un exemple ATn pour différentes vitesses de réseau avec une liaison de 1 °h. [0044] Les procédés décrits ici peuvent être implémentés par un jeu d'instructions qui amène un processeur à réaliser la technique de traitement de signal 25 de réseau décrite ici qui comprend un vecteur orientable modélisé adaptatif dépendant de la durée permettant de déterminer une profondeur et une distance radiale à partir d'un puits de forage de la source acoustique. 3037993 15 [0045] Le processeur peut faire partie d'un matériel informatique utilisé pour implémenter les divers blocs, modules, éléments, composants, procédés et algorithmes illustratifs décrits ici. Le processeur peut être configuré pour exécuter une ou plusieurs séquences d'instructions, de position de programmation ou de code 5 stocké sur un support non-transitoire lisible par ordinateur. Le processeur peut être, par ex., un microprocesseur polyvalent, un microcontrôleur, un processeur de signal numérique, un circuit intégré spécifique à une application, un circuit intégré prédiffusé programmable, un dispositif logique programmable, une commande, une machine d'état, une porte logique, des composants matériels discrets, un réseau neural 10 artificiel, ou une quelconque entité de ce type appropriée qui peut réaliser des calculs ou d'autres manipulations de données. Dans certains modes de réalisation, un matériel informatique peut comprendre des éléments tels que, par ex., une mémoire (par ex., une mémoire RAM, une mémoire flash, une mémoire ROM, une mémoire PROM, une mémoire EPROM, des registres, des disques durs, des disques amovibles, des 15 cédéroms, des DVD, ou tout autre dispositif ou support de stockage approprié semblable. [0046] Les séquences exécutables décrites ici peuvent être implémentées avec une ou plusieurs séquences de code contenues dans une mémoire. Dans certains modes de réalisation, un tel code peut être lu dans la mémoire à partir d'un autre 20 support lisible par machine. L'exécution des séquences d'instructions contenues dans la mémoire peut amener le processeur à exécuter les étapes du procédé décrites ici. Un ou plusieurs des processeurs dans un ensemble multiprocesseurs peuvent être utilisés pour exécuter les séquences d'instructions dans la mémoire. En outre, un circuit câblé peut être utilisé à la place de ou en association avec des instructions 25 logicielles pour implémenter divers modes de réalisation décrits ici. Ainsi, les présents modes de réalisation ne sont pas limités à une combinaison spécifique de matériel et/ou de logiciel. [0047] Dans ce contexte, un support lisible par ordinateur correspond à un quelconque support qui transmet directement ou indirectement des instructions à un 30 processeur pour l'exécution. Un support lisible par ordinateur peut prendre une forme quelconque comprenant, par exemple, un support non-volatil, un support volatil et un support de transmission. Le support volatil peut comprendre, par exemple, une mémoire dynamique. Un support de transmission peut comprendre, par ex., des 3037993 16 câbles coaxiaux, des fils, la fibre optique et des fils qui forment un bus. Les formes courantes de supports lisibles par ordinateur peuvent comprendre, par exemple, des disquettes, des disques flexibles, des disques durs, des bandes magnétiques, autres qu'un support de type magnétique, des cédéroms, des DVD, et d'autres supports 5 optiques de ce type, des cartes perforées, des bandes de papiers et des supports physiques de ce type avec des trous, des RAM, ROM, PROM, EPROM et EPROM flash. [0048] La détection et la localisation des sources acoustiques souterraines (et ainsi, les flux de fluide souterrains) conformément à la présente invention peuvent être implémentées à la fois dans des opérations de diagraphie par câble et de mesure 10 lors du forage (MWD). La figure 5 illustre un exemple d'un système de diagraphie par câble dans un puits. Le système comprend un outil de sonde 500 suspendu à un câble 502 dans un puits de forage tubé 504. [0049] Dans divers modes de réalisation, l'outil 500 est utilisé à l'intérieur du tubage de production 506 à travers lequel les hydrocarbures sont pompés hors du 15 puits de forage 504. L'outil 500 comprend une pluralité (au moins trois) capteurs acoustiques 508 (tels que, par ex., hydrophones), par ex., placés dans un réseau linéaire 510 le long d'un axe longitudinal 511 de l'outil 500 et, par conséquent, du puits de forage 504. En outre, l'outil peut comprendre un circuit approprié de commande et de traitement 512 qui peut, à son tour, être en communication (par ex., 20 à travers une connexion câblée ou un système de télémétrie) avec un système de traitement de données en surface 514. Le module de traitement de données qui procure la fonction informatique pour le traitement et la fusion des signaux acoustiques reçus par les capteurs individuels 508 et la détection et la localisation des flux basés sur ceux-ci peut être implémenté par l'un du circuit de commande et de 25 traitement 512 ou le système de traitement des données 514, ou les deux en association. Par ex., dans certains modes de réalisation, le circuit de commande et de traitement 512 prétraite les signaux du capteur individuel (par ex., par conditionnement du signal, filtrage et/ou suppression du bruit) et les transmet au système de traitement des données 514 en surface, où la carte de signal fusionné est 30 calculée, et les sources acoustiques induites par le flux sont détectées et localisées en se basant sur celle-ci. Chacun du circuit de commande et de traitement 512 et du système de traitement des données 514 en surface peut généralement être implémenté dans un matériel, ou une combinaison de celui-ci, comme, par ex., un 3037993 17 ordinateur polyvalent ou spécialisé programmé de façon appropriée comprenant, par ex., un processeur et une mémoire associée (tel que le démontre la FIG. 6). Dans divers modes de réalisation, les signaux acoustiques traités sont évalués en association à des mesures provenant d'autres capteurs (par ex., des mesures de la 5 température et la pression à la surface du puits (pour évaluer les conditions de flux et l'intégrité globale du puits. [0050] Des configurations de capteur alternatives peuvent être utilisées pour soutenir la détection de la source acoustique dans une opération de diagraphie par câble. Par ex., dans certains modes de réalisation, un câble de fibre optique 10 distribué est utilisé à la place de capteurs de points acoustiques. Le câble de fibre optique peut être installé de façon permanente dans le puits de forage, par ex., fixé derrière le tubage ou intégré dans l'anneau cimenté. Un canal, correspondant à un segment du câble de fibre optique, peut être optiquement scanné afin de détecter les signaux acoustiques environnants. Dans cette configuration, différents canaux à 15 différentes profondeurs correspondent à différents capteurs acoustiques. [0051] En utilisant un outil de diagraphie par câble 500, le réseau de capteurs acoustiques peut rechercher, à une quelconque profondeur de forage, un espace en 2D prédéfini, par ex., la longueur de l'ouverture du réseau dans la direction de la profondeur et quelques mètres dans la formation dans la direction radiale. Cette 20 recherche peut être répétée lorsque le réseau se déplace à une autre profondeur de forage. Ainsi, en un passage du câble de diagraphie, une région recouvrant toute la longueur du puits peut être analysée pour identifier des sources acoustiques induites par le flux. Dans certains modes de réalisation, le réseau de capteurs acoustiques fonctionne à une vitesse de forage rapide (par ex., une vitesse allant jusqu'à 60 pieds 25 par minute) afin de détecter des flux initialement avec une résolution spatiale grossière. Une fois qu'un ou plusieurs flux ont été détectés à certaines profondeurs, des régions de ces profondeurs peuvent être réexaminées à des vitesses d'examen plus faible, ou en mode stationnaire, afin de localiser le ou les flux avec une résolution spatiale plus fine. Dans des modes de réalisation dans lesquels un signal acoustique 30 est émis le long d'un trajet prolongé (à l'opposé de l'émission à partir d'un point de source) le trajet de flux intégral peut être cartographié dans un espace en 2D de profondeur et de distance radiale. 3037993 18 [0052] En se rapportant maintenant à la FIG. 6 on peut voir qu'un système pour la détection et la localisation des sources acoustiques souterraines peut également être implémenté dans un système de forage pour des opérations de diagraphie MWD. Ceci peut être utile, par ex., pour détecter des flux dans le but de 5 caractériser la formation et les réservoirs d'hydrocarbures et d'orienter ou d'ajuster le forage en fonction de ceux-ci. [0053] Tel qu'il est illustré, le système de forage comprend une plate- forme de forage 600 située au niveau de la surface du puits 604 et, soutenu par la plate-forme de forage 600, un train de tiges606 pour forer un puits de forage 608 à 10 travers les formations souterraines 610. Le train de tiges 606 comprend une tige de forage 612 et, généralement situé à l'extrémité inférieure de la tige de forage 612, un module de fond de puits (BHA) 614. Le BHA 614 peut comprendre le trépan de forage 616 et, placé au-dessus de celui-ci, une ou plusieurs masses-tiges 618, 620 qui peuvent contenir un certain nombre d'outils et d'instruments différents adaptés pour 15 prendre des mesures au cours du procédé de forage. Conformément aux divers modes de réalisation, ces outils peuvent comprendre un réseau de capteurs acoustiques 624 (par ex., comprenant trois ou plusieurs capteurs placés de façon linéaire) et le circuit de commande ou de traitement associé 626, et peut être en communication avec un système de traitement des données en surface 628. Ensemble, le réseau de capteurs 20 acoustiques 624 et le circuit de commande et de traitement 626 et/ou le système de traitement des données 628 procurent une fonction pour implémenter les procédés décrits ci-dessus. [0054] La présente divulgation comprend les modes de réalisation A-C. [0055] Le mode de réalisation A est un procédé qui comprend le 25 déplacement d'un réseau de capteurs comprenant au moins trois capteurs le long d'un puits de forage ; la mesure, sensiblement en simultané, des signaux acoustiques provenant d'une source acoustique avec chacun de l'au moins trois capteurs ; et le traitement des signaux acoustiques en association avec une technique de traitement de signal de réseau qui utilise des pondérations de vecteurs orientables modélisés 30 adaptatifs dépendants de la durée afin d'identifier un emplacement du signal acoustique par une profondeur et une distance radiale à partir du puits de forage. [0056] Le mode de réalisation B est un système qui comprend un réseau de capteurs qui peut être déplacé le long d'un puits de forage et comprenant au moins 3037993 19 trois capteurs acoustiques pour la mesure, sensiblement en simultané, des signaux acoustiques provenant d'une source acoustique et qui sont reçus au niveau de celui-ci ; un support non transitoire lisible par ordinateur codé avec des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées, exécutent les opérations : la mesure, sensiblement en 5 simultané, des signaux acoustiques provenant d'une source acoustique avec chacun de l'au moins trois capteurs dans un réseau de capteurs se déplaçant le long d'un puits de forage ; et le traitement des signaux acoustiques en association avec l'utilisation d'une technique de traitement de signal de réseau qui comprend un vecteur orientable adaptatif modélisé dépendant de la durée permettant de déterminer une profondeur et 10 une distance radiale à partir du puits de forage de la source acoustique. [0057] Le mode de réalisation C est un support non transitoire lisible par ordinateur codé par des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées, réalisent les opérations comprenant : la mesure, sensiblement en simultané, des signaux acoustiques provenant d'une source acoustique avec chacun de l'au moins trois 15 capteurs dans un réseau de capteurs se déplaçant le long d'un puits de forage ; et le traitement des signaux acoustiques en association avec l'utilisation d'une technique de traitement de signal de réseau qui comprend un vecteur orientable adaptatif modélisé dépendant de la durée permettant de déterminer une profondeur et une distance radiale à partir du puits de forage de la source acoustique. 20 [0058] Éventuellement, le mode de réalisation A, B ou C peut comprendre également un ou plusieurs des éléments suivants : Élément 1 : dans lequel les capteurs acoustiques forment un réseau linéaire placé le long d'un axe longitudinal du puits de forage. Élément 2 : dans lequel la technique de traitement du signal de réseau comprend au moins l'un d'un filtrage spatial, d'une estimation d'un temps de 25 retard, et d'une méthode son-énergie ; Élément 3 : dans lequel les capteurs acoustiques comprennent l'un parmi : un hydrophone omnidirectionnel, un capteur de réseau de fibre de Bragg ou un câble de fibre optique, et une quelconque combinaison de ceux-ci ; Élément 4 : le procédé ou les opérations comprenant également le calcul d'une position azimutale de la source acoustique ; Élément 5 dans lequel, les signaux 30 acoustiques ont une fréquence supérieure à une fréquence de repliement spatial utilisée dans la technique de traitement du signal de réseau ; Élément 6 : dans lequel, les signaux acoustiques ont une fréquence inférieure à une fréquence de repliement spatial utilisée dans la technique de traitement du signal de réseau ; Élément 7 : dans 3037993 20 lequel une condition stationnaire du réseau de capteurs est préservée en satisfaisant , AT, , ou AT?, est une durée du signal acoustique, ri est un emplacement duvZ premier capteur de l'au moins trois capteurs, et vz est une vitesse du premier capteur se déplaçant le long du puits de forage ; Élément 8 : Élément 7 et dans lequel la 5 technique de traitement du signal de réseau comprend : l'application d'une opération de troncature de données aux signaux acoustiques pour produire des trames ; l'application d'un estimateur d'un échantillon de matrice de covariance aux trames pour produire un échantillon de matrice de covariance ; l'application d'une opération de construction du spectre spatial de Capon utilisant les pondérations des vecteurs 10 orientables modélisés indépendants de la durée et à pondération fixe à l'échantillon de la matrice de covariance pour produire une réponse du spectre spatial de Capon ; et l'identification de l'emplacement du signal acoustique en se basant sur la réponse du spectre spatiale de Capon ; et Élément 9 : dans lequel la technique de traitement du signal de réseau comprend : L'application d'une opération de décomposition de trame 15 aux signaux acoustiques pour produire des trames décomposées ; l'application d'un estimateur de l'échantillon de la matrice de covariance aux trames décomposées pour produire un échantillon de matrice de covariance ; l'application de l'opération de construction du spectre spatial de Capon utilisant les pondérations des vecteurs orientables adaptatifs modélisés dépendants de la durée à l'échantillon de la matrice 20 de covariance pour produire une réponse du spectre spatial de Capon; l'application d'une opération de normalisation et d'addition à la réponse du spectre spatial de Capon pour produire une réponse moyenne pondérée du spectre spatial de Capon et l'identification de l'emplacement du signal acoustique en se basant sur la réponse moyenne pondérée du spectre spatial de Capon. Des exemples de combinaisons 25 comprennent, sans limitation : deux ou plusieurs des Éléments 1-4 en association ; un ou plusieurs des Éléments 1-4 en association à l'Élément 5 ou l'Élément 6 ; un ou plusieurs des Éléments 1-4 en association à l'Élément 7 (et éventuellement l'Élément 8) ou l'Élément 9 ; l'Élément 5 ou l'Élément 6 en association avec l'Élément 7 (et éventuellement l'Élément 8) ou l'Élément 9 ; et des combinaisons de ceux-ci. 30 [0059] Sauf en cas d'indication contraire, tous les chiffres exprimant des quantités d'ingrédients, des propriétés telles que le poids moléculaire, les conditions de réaction, etc., utilisés dans la présente demande et les revendications ci-jointes doivent être considérés comme étant modifiables dans tous les cas par le terme « 3037993 21 environ ». Par conséquent, sauf en cas d'indication contraire, les paramètres numériques décrits dans la demande suivante et les revendications ci-jointes sont des approximations qui peuvent varier en fonction des propriétés souhaitées qui sont recherchées par les modes de réalisation de la présente divulgation. Tout au moins, et 5 non pas comme tentative de limiter l'application de la doctrine des équivalents à la portée des revendications, chaque paramètre numérique doit au moins être interprété à la lumière des points décimaux significatifs et en appliquant les règles ordinaires d'arrondis. [0060] Un ou plusieurs modes de réalisation illustratifs incorporant les 10 modes de réalisation divulgués ici sont présentés ici. Certaines caractéristiques de l'implémentation physique ne sont pas décrites dans cette demande dans un souci de clarté. Il doit être compris que dans le développement d'un mode de réalisation physique incorporant les modes de réalisation de la présente divulgation, de nombreuses décisions spécifiques à une implémentation doivent être prises afin 15 d'atteindre les objectifs du développeur, tels que la conformité avec des contraintes apparentées au système, au domaine commercial, au gouvernement et à d'autres contraintes, qui varient selon les implémentations et de temps en temps. Alors que les efforts d'un développeur peuvent être chronophages, de tels efforts seraient, néanmoins, une tâche de routine pour un homme de métier qui bénéficie de la 20 présente divulgation. [0061] Bien que les compositions et les procédés soient décrits ici en termes de « comprenant » divers composants ou étapes, les compositions et procédés peuvent aussi « être constitués essentiellement de » ou « être constitués de » divers appareils ou étapes. 25 [0062] Pour faciliter une meilleure compréhension des modes de réalisation de la présente divulgation, les exemples suivants de modes de réalisation préférés ou représentatifs sont donnés. En aucun cas, les exemples suivants ne doivent être interprétés comme limitant, ou définissant, la portée de la divulgation.
30 EXEMPLES [0063] Les procédés, les systèmes et les outils décrits ici augmentent la capacité du formeur de faisceau à détecter et à localiser un signal ayant une fréquence 3037993 22 beaucoup plus élevée que sa fréquence de repliement spatial limitée par la géométrie du réseau physique. Les résultats provenant des simulations utilisant ce procédé illustrant l'amélioration sont donnés dans les figures 7A-7C, 8A-8C et 9A-9C. [0064] Les figures 7A-7C comparent la précision (A) d'un réseau de 5 capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe (procédé classique), (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe (procédé classique), et (C) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative 10 (procédé de la présente demande) dans lequel la fréquence de source (7 kHz) est inférieure à la fréquence du repliement spatial. [0065] La figure 7B en comparaison à la figure 1A illustre le fait que déplacer le réseau tout en calculant avec un formeur de faisceau à vecteur fixe orientable modélisé indépendant de la durée brouille les données. La figure 7C illustre 15 le fait que les procédés, les outils et les systèmes de la présente divulgation qui associent un réseau en déplacement et un formeur de faisceau à vecteur de pondération adaptatif orientable dépendant du temps produit une sortie pour la fréquence de la source acoustique commensurable dans sa précision avec les conditions de la figure 7A. Étant donné qu'en pratique le réseau de capteurs serait en 20 déplacement, cet exemple illustre la précision et l'applicabilité des exemples des procédés, des outils et des systèmes décrits ici. [0066] Les figures 8A-8C comparent la précision (A) d'un réseau de capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe, (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des 25 pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe et (C) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés dépendants d'une durée adaptative dans lequel la fréquence de source (25 kHz) est supérieure à la fréquence du repliement spatial. [0067] Semblable à l'exemple illustré dans les figures 7A-7C, l'association 30 d'un réseau en déplacement et un formeur de faisceau à vecteur de pondération adaptatif orientable dépendant du temps produit une sortie pour la fréquence de la source acoustique commensurable dans sa précision avec les conditions de la figure 8A. Cependant, dans cet exemple, la sortie du formeur de faisceau illustrée dans la 3037993 23 figure 8B n'est plus capable de localiser la source acoustique. Cet exemple illustre le fait que les exemples de procédés, d'outils et de systèmes décrits ici sont capables d'améliorer à la fois la précision et de réduire les effets de repliement spatial dans la détection des fuites. 5 [0068] Les figures 9A-9C comparent la précision (A) d'un réseau de capteurs stationnaire avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe, (B) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables modélisés indépendants d'une durée fixe et (C) d'un réseau de capteurs amovible avec des pondérations de vecteurs orientables 10 modélisés dépendants d'une durée adaptative dans lequel la fréquence de source (47 kHz) est inférieure à la fréquence du repliement spatial. [0069] Dans la figure 9A, la sortie du formeur de faisceau résultante contient beaucoup plus d'ambiguïté à cause de beaucoup plus de repliements en comparaison à la figure 8A, qu'on peut également voir dans une comparaison des 15 figures 8B et 9B. Cependant, dans les conditions de la figure 9C, la sortie du formeur de faisceau illustrée démontre que l'effet de repliement spatial est réduit et le signal acoustique peut être facilement localisé. [0070] Par conséquent, la présente invention est bien adaptée pour atteindre les finalités et obtenir les avantages mentionnés ici aussi bien que ceux qui 20 sont inhérents à la présente description. Les modes de réalisation particulier divulgués ci-dessus sont de nature illustrative seulement, et les enseignements de la présente divulgation peuvent être modifiés et pratiqués de façons différentes mais équivalentes qui seront évidentes un spécialiste du domaine qui bénéficie de ces enseignements. De plus, aucune limitation n'est prévue aux détails de construction ou de conception 25 décrits ici, autres que ceux décrits dans les revendications ci-dessous. Il est donc évident que les modes de réalisation illustratifs donnés divulgués ci-dessus peuvent être altérés, combinés ou modifiés et, toutes les variations de ce type sont considérées comme étant dans la portée et l'esprit de la présente divulgation. La divulgation, de façon illustrative appropriée, ici peut être pratiquée, de façon adéquate, en absence de 30 tout élément qui n'est pas spécifiquement divulgué ici et/ou tout élément optionnel décrit ici. Bien que les compositions et les procédés soient décrits ici en termes de « comprenant », « contenant » ou « incluant » divers composants ou étapes, les compositions et procédés peuvent aussi « être constitués essentiellement de » ou « 3037993 24 être constitués de » divers composants et étapes. Tous les chiffres et les intervalles divulgués ci-dessus peuvent varier d'une certaine quantité. Lorsqu'un intervalle numérique avec une limite inférieure et une limite supérieure est indiqué, tout chiffre et tout intervalle compris se situant à l'intérieur de l'intervalle sont spécifiquement 5 indiqués. En particulier, chaque intervalle de valeurs (de la forme, « d'environ a à environ b » ou, de façon équivalente, « d'environ a à b », ou, de façon équivalente, « d'environ a-b ») indiqué ici doit être compris comme décrivant chaque nombre et chaque intervalle englobé à l'intérieur de l'intervalle le plus large de valeurs. En outre, les termes dans les revendications ont leur signification claire et ordinaire, sauf en cas 10 d'indication explicite et claire autre définie par le demandeur. En outre, les articles indéfinis « un » ou « une », tels qu'ils sont utilisés dans les revendications, sont définis ici pour signifier un ou plusieurs de l'élément qu'ils introduisent.