WO1991002269A1 - Sonde d'imagerie champ total - Google Patents

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WO1991002269A1
WO1991002269A1 PCT/FR1990/000574 FR9000574W WO9102269A1 WO 1991002269 A1 WO1991002269 A1 WO 1991002269A1 FR 9000574 W FR9000574 W FR 9000574W WO 9102269 A1 WO9102269 A1 WO 9102269A1
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André Clot
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Clot Andre
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V11/00—Prospecting or detecting by methods combining techniques covered by two or more of main groups G01V1/00 - G01V9/00
    • G01V11/002—Details, e.g. power supply systems for logging instruments, transmitting or recording data, specially adapted for well logging, also if the prospecting method is irrelevant
    • G01V11/005—Devices for positioning logging sondes with respect to the borehole wall
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • E21B47/017—Protecting measuring instruments
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S367/00—Communications, electrical: acoustic wave systems and devices
    • Y10S367/911—Particular well-logging apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a total field imaging probe making it possible to carry out logs over the entire periphery of the wall of a hole drilled in the basement.
  • the technical sector of the invention is the manufacture and operation on site of tools or probes to carry out measurements of the characteristics of the soil in a drilled hole crossing geological formations and to record and analyze these measurements remotely.
  • One of the main applications of the invention is its use for carrying out well imaging logs making it possible to obtain good coverage of the entire borehole wall, using various usual individual measurement means, such as acoustic measurements. or microresistive.
  • imaging logging is a new concept making it possible, from usual individual measurements, to present the response of this wall to a physical measurement according to a developed part of the wall of the well as a function of depth. , this measurement having a vertical and horizontal definition of the order of several tens of centimeters for current logs.
  • This representation on any visual support which can be displayed and which is also oriented in space, therefore constitutes an artificial image of the formations encountered. Its implementation essentially requires:
  • the probes usually use rigid or semi-rigid pads constituting one side of a parallelogram, the opposite side being defined at its ends by one or two articulations located on the probe body, as described for acoustic imaging in patent application US 948,206 filed on December 31, 1986 by the company SHELL INTERNATIONAL RESEARCH.
  • the measurement coverage depends on the size of the pads, their number and the diameter of the borehole. Furthermore, the descent of the tool into the well, before the measurement, requires that in the rest position, with the pads folded, these are contained within the diameter of the probe body and in the acoustic use above. , the friction of the pads on the wall generates a lot of noise.
  • the cover of a probe with an outside diameter of 4 "l / 2, for example in an 8" l / 2 hole not exceed 40%; it is only 28% in a 12 "l / 4 (311 mm) well.
  • the problem posed is to be able to produce a probe allowing full field imaging of the basement surrounding a hole, which improves the performance of current tools, on the one hand in the effectively total coverage of the periphery of the wall up to diameters of at least 216 mm and even beyond, with a definition of vertical and horizontal measurement of the order of a centimeter , on the entire surface of the wall, on the other hand, in the maximum elimination of the parasitic effects of the fluid medium existing in the hole and finally by allowing it to rise during measurement by limiting the possible vibrations due to friction and despite the presence of the ambient fluid medium, which must therefore circulate on either side of the probe.
  • a solution to the problem posed is a total field imaging probe enabling imaging to be carried out over the entire periphery of the wall of a hole drilled in the basement and filled with a fluid, using sensors. for measuring the characteristics of this soil, mounted on or in the body of said probe, certain parts of this body being able to come into contact with said wall and in the rest position, its external shape being that of a cylinder with a diameter less than the diameter of said hole: according to the invention said body of the probe comprises at least one casing molded from a material of the elastomer type, comprising elements in helices, separated by bellows, so that by any internal means of expansion, said envelope is deployed so that said elements match the wall of the well and that said bellows provide the connections between these elements and maintain the entire envelope in a semi-rigid manner and following a continuity of its peripheral face.
  • said envelope can be completely closed and contains a fluid that can be pressurized, to constitute said internal means for expanding the envelope against the wall of the well, said helical elements being provided with own elastic systems. reminder to return to the rest position in the absence of a relative pressure of the fluid greater than that of the ambient fluid and said bellows allow sufficient passage for said fluid when the probe is raised during measurement; or said internal expansion means consists of any hydromechanical system connecting each helical element to a static structural element of the probe body.
  • At least one of the sensors is an ultrasonic transducer, located inside said probe, said envelope being completely closed and filled with a fluid allowing good acoustic coupling.
  • at least some of said sensors are known electrodes of microresistive measurements integrated and molded in said helical elements which can come into contact with said wall of the well, and arranged along these elements so that, whatever the diameter of the expansion and measurement position compatible with said probe, the entire periphery of the wall of said well is fully covered and investigated by said electrodes, when ascending without rotation said probe.
  • the probe makes it possible to overcome the constraint due to the quality of the mud and to greatly reduce the incidence of the others (contrasts of the acoustic impedances, etc.); the combination with the electrical imagery of an acoustic system also allowing the exact measurement of the geometry of the hole;
  • Figure 1 is a side view of an example of a probe according to the invention in the rest position penetrating a hole.
  • Figure 2 is a side view of the probe of Figure 1 in the measurement position. '
  • FIG. 3 is a sectional view AA of Figure 2 of a probe in the measurement position.
  • FIG. 4 is a perspective view of another example of a probe.
  • the present invention relates to the probe itself, its principle of deployment and production and in no way the electronics associated with the various measurements which has already been developed for this type of application and which is therefore not described.
  • the probe 5 In its rest or folded position, as shown in FIG. 1, the probe 5 can be moved into the drilled hole 1, its external shape being that of a diameter smaller than that of said hole 1.
  • Said probe body 5 comprises, according to the invention, a casing 6-, molded from a material of elastomer type resistant well to abrasion, to oils, to heat, etc.
  • This casing comprises elements 7 in helices, which when in the rest position, are practically adjacent to each other: these elements 7 may comprise, for measurement applications requiring contact with the wall 2, sensors 4 such as electrodes or transducers, which are then distributed helically on said envelope 6.
  • the material of the electrodes may be made of elastomer or similar conductive material.
  • FIG. 2 represents the same probe 5 in the measurement position, thanks to an expansion and a deployment of its envelope 6 against said wall 2 of the well or hole 1.
  • bellows 8 which can be arranged in accordance with FIG. 3. Furthermore, when the envelope 6 is sealed and closed, the section available between these bellows 8 and the wall of the well 2 allows the passage of fluid such as drilling mud 10, during the ascent of the probe 5 during measurement.
  • the upper and lower parts of the measurement zones of the casing 6 can be protected to avoid snagging when the probe is lowered or, during measurement, when going up. This protection can be obtained, for example by a system of "petals” overlapping more or less depending on the diameter.
  • the deployment is done by pressurizing a fluid 10 inside the sealed envelope 6, which must then be closed, completely closed and sealed, controlled by a mechanical system 9 and return to return to the rest position in the absence of relative pressure of the fluid 10, ensuring the helical elements 7 a known geometry in function the outside diameter of the cylinder on which these elements are positioned and which corresponds, in the measurement position, to that of said hole 1, as shown in FIG. 3.
  • said internal expansion means 9 consists of any hydromechanical system connecting each element 7 in a helix to a static structural element of the probe body 5: this hydromechanical system can consist of jacks and springs.
  • the casing 6 has a double wall, the space thus delimited, can be pressurized to ensure greater rigidity.
  • envelope 6 and its internal expansion means 9 can be produced according to one of the forms described above or can combine several of these forms, such as:
  • FIG. 1 and 2 illustrate shapes in accordance with the first two examples mentioned above.
  • the casing 6 protects the entire interior volume thus defined from the drilling mud. This implies that the upper and lower openings of this envelope seal on the corresponding parts of the body of the probe 5.
  • the two basic characteristics which are to have a support on the one hand, ensuring a helical segment distribution which can wear sensors and on the other hand, having a radial deployment capacity, thanks to the presence of bellows between the measurement zones, can also be ensured without requiring the use of a sealed waterproof envelope on the probe body: this latter possibility is shown in Figure 4, in illustration of the shapes according to the last two examples mentioned above. This figure shows: the segments 7 with measurement zones located helically and the bellows 8.
  • articulated arms 13 ensure deployment from the support or probe body 5; the electrodes and all of the necessary electrical connections can be molded in the casing 6 at the measurement zones.
  • the casing 6 may be of a double thickness and hollow, the interior being filled with a hydraulic fluid in equipressure in the rest position, and in slight overpressure during the measurements with the ambient fluid, the geometry of whole system remaining identical.
  • One of the objectives of this last variant is to introduce variable rigidity at the level of the measurement zones and to be able to modify the radius of curvature thereof by increasing the pressure inside, so as to adapt to the variations in drilling diameter.
  • the bellows 8 are not hollow but a few tubular passages of small diameter located in the thickness of the bellows provide hydraulic continuity between the different measurement zones.
  • the probe comprises mechanical means 9 necessary for regular withdrawal, as described above; any other solution is possible such as for example a spring system mounted on the internal edge of the bellows 8.
  • This return assembly between the bellows and the static internal part of the probe 5 allows a position of equilibrium of the bellows between this return voltage and the pressure differential existing between the inside of the probe and the well, in the closed jacket and internal fluid under pressure version.
  • the helical elements 7, which can therefore be of measurement, can be produced in one or more segments depending on the deployment to be obtained, the only constraint being to know at all times the geometry of these measurement elements as a function of the deployed diameter.
  • the diameter can be determined in several ways, depending on the degree of precision desired:
  • At least one or more acoustic reflectors are placed regularly when there are several inside the elements 7 of the probe and allow, thanks to said acoustic sensor 4 ⁇ , then rotating and rotary, when there are several, and of which l wave 12 is reflected by each of these reflectors 11, to know perfectly the geometry of the hole 1. Indeed, the speed of sound in the fluid inside the probe being perfectly known, as well as the thickness of. material between the wall of the well and the internal surface of the reflector, the radius can be permanently determined.
  • said acoustic reflectors 11 are located at the intersection of each half-bellows 8 and oriented in such a way that, whatever the deployment, the perpendiculars to the planes of these reflectors pass through the acoustic sensor j , of which l wave 12 reflected by each of the reflectors always makes it possible to know the geometry of the hole 1.
  • the geometry of the probe being known as a function of the diameter
  • the position of the sensors 4 such as electrodes or transducers with respect to fixed references of the probe
  • the position of the probe in space is known thanks to a navigation module consisting for example of a three-axis accelerometer and a three-axis magnetometer, or a three-axis gyrometer, the principles and are well known.
  • the path of the acoustic wave is as follows:
  • the amplitude of the reflected wave and detected by the sensor can be altered by different parameters, ': contrasts between the various acoustic impedances of the materials or fluid crossed: probe fluid / envelope, envelope / drilling fluid, etc. ; density of the mud and particularly presence of solid microparticles which play a major role in weakening the acoustic signal;
  • said probe then consists of at least two envelopes 6 placed one above the other and which may include elements 7 and sensors 4 with different characteristics from one to the other in order to be able to produce different types of measurement.
  • the general geometry of the probe remains unchanged; the upper part being reserved for one type of measurement, the lower part for another and so on if there are several.
  • this probe can include a camera: in this case the material of the elements 7 is transparent, said envelope 6 being completely closed and filled with a fluid allowing good optical coupling, one of said sensors 4 placed in the envelope such as for example the sensor 4, acoustics shown in FIG. 3 being a well camera capable of allowing observation, even in the presence of opaque mud.
  • M CCD camera "wells, which technique is well known, can be radially oriented along 360 ° of freedom, its axis of rotation being axially movable to be able to investigate the full height of the window defined by the transparent elements.
  • This type of measurement is generally carried out stationary and the probe is folded between each station. Wall cleaning using suitable scrapers with the drill string can be carried out before the measurements.

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Abstract

L'invention concerne un principe de sonde améliorant la qualité des diagraphies d'imageries dans les forages, permettant notamment, une bonne couverture de la paroi (2) du forage par le faisceau de capteurs (4) ou d'électrodes. L'élément de base est constitué d'une enveloppe (6) moulée à partir d'un matériau genre élastomère et réalisé de façon à permettre le déploiement en position de travail des zones de mesures (7) disposées hélicoïdalement, venant s'appliquer contre la paroi (2). Le matériau des zones (7) de mesures est choisi en fonction du paramètre à mesurer, les applications immédiates mais non limitatives concernant l'imagerie microrésistive et acoustique. L'implantation hélicoïdale des capteurs (4) améliore le recouvrement des mesures par rapport aux sondes classiques. Par ailleurs, en éliminant la boue (3) de forage entre les capteurs (4) et la formation, cette sonde améliore, dans certains cas comme l'imagerie acoustique par exemple, la réponse de ceux-ci et la qualité des mesures.

Description

Sonde d'imagerie champ total.
La présente invention a pour objet une sonde d'imagerie champ total permettant de réaliser des diagraphies sur toute la périphérie de la paroi d'un trou foré dans le sous-sol.
Le secteur technique de l'invention est la fabrication et l'exploitation sur chantier d'outils ou de sondes pour effectuer des mesures des caractéristiques du sol dans un trou foré traversant des formations géologiques et pour relever et analyser à distance ces mesures.
Une des applications principales de l'invention est son utilisation pour effectuer des diagraphies d'imagerie de puits permettant d'obtenir une bonne couverture de la totalité de la paroi de forage, en utilisant différents moyens de mesure individuels usuels, tels que les mesures acoustiques ou microrésistives.
On connaît en effet, différents systèmes et procédés dont certains ont fait l'objet de demandes de brevets et qui portent sur le même objet et/ou la même application que la présente invention, mais dont les solutions techniques retenues ne permettent pas de bonnes performances et/ou sont difficiles à mettre en oeuvre.
Dans la suite de la description et à titre de définition, le terme générique "carottage électrique" ou "diagraphie électrique" ou encore "log" désigne l'enregistrement en continu de paramètres physiques des formations rencontrées en cours de forage, en fonction de la profondeur.
On rappelle tout d'abord que la diagraphie d'imagerie est un nouveau concept permettant, à partir de mesures individuelles usuelles, de présenter selon un développé de la paroi du puits en fonction de la profondeur, la réponse de cette paroi à une mesure physique, cette mesure ayant une définition verticale et horizontale de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres pour les diagraphies courantes. Cette représentation, sur tout support visuel affichable et par ailleurs orientée dans l'espace, constitue donc une image artificielle des formations rencontrées. Sa mise en oeuvre nécessite pour l'essentiel :
- une investigation à l'aide du paramètre mesuré, permettant la couverture maximale de la paroi du puits ;
- des moyens de repérage dans l'espace; - un traitement de chaque mesure représentant l'amplitude de ce paramètre sous forme d'une couleur ou d'un dégradé de gris; par exemple les fortes résistivités en blanc et les très faibles en noir. L'amplitude d'une onde sonore, émise par un capteur, après réflexion par la paroi du puits, peut être traitée de la même façon. Ainsi, le brevet FR. 2.532.059 déposé le 19.08.1982 par la société SCHLUMBERGER PROSPECTION ELECTRIQUE, décrit un dispositif pour la présentation visuelle de résultats de mesure, pouvant s'appliquer à ce type de traitement.
Il est évident que pour être représentatives des formations rencontrées, ces mesures doivent investiguer un pourcentage maximal de la paroi du puits.
Pour cela, une possibilité est de réaliser une imagerie acoustique à partir d'un capteur tournant servant d'émetteur et de récepteur, et ne posant pas mécaniquement de problème. La densité des informations reçue ne dépend que de paramètres contrôlables :
- vitesse de rotation;
- vitesse ascensionnelle;
- nombre de scrutations par tour.
Il en est ainsi de toute autre mesure réalisée à partir d'un capteur tournant, tel que par exemple celui décrit dans la demande de brevet FR. 2.448.621 déposée le 09.02.1979 par 1*INSTITUT FRANçAIS DU
PETROLE et intitulée : "Sonde à patin rotatif pour effectuer des mesures dans un forage".
Par -contre, toute mesure nécessitant la mise en contact de capteurs ou de patins sur la paroi d'un puits pose des problèmes mécaniques rappelés ci-après.
Pour réaliser en effet ce contact, les sondes utilisent habituellement des patins rigides ou semi-rigides constituant un côté d'un parallélogramme, le côté opposé étant défini à ses extrémités par une ou deux articulations situées sur le corps de sonde, tel que décrit pour une imagerie acoustique dans la demande de brevet U.S. 948.206 déposée le 31 Décembre 1986 par la société SHELL INTERNATIONALE RESEARCH.
La couverture de la mesure dépend de la taille des patins, de leur nombre et du diamètre du forage. Par ailleurs, la descente d'outil dans le puits, avant la mesure, impose qu'en position repos, patins repliés, ceux-ci soient contenus à l'intérieur du diamètre du corps de sonde et dans l'utilisation acoustique ci-dessus, le frottement des patins sur la paroi génère beaucoup de bruits parasites.
Dans le cadre d'une application courante, la couverture d'une sonde de diamètre extérieur 4"l/2, par exemple dans un trou en 8"l/2 (standards pétroliers équivalant respectivement à 114,3 mm et 216 mm) ne dépasse pas 40%; elle n'est plus que de 28% dans un puits en 12"l/4 (311 mm).
Cette contrainte oblige les opérateurs à réaliser plusieurs enregistrements afin que l'outil, ayant si possible tourné entre deux mesures, obtienne une couverture de la paroi suffisante.
Dans le domaine de l'imagerie pour sondes à électrodes de microresistivite, on relève la demande de brevet 2.611.919 déposée le 05.03.1987 par la société de PROSPECTION ELECTRIQUE SCHLUMBERGER, concernant une sonde de diagraphie à large champ angulaire : cette sonde permet de doubler la couverture de la sonde usuelle mécanique en permettant l'implantation, à l'extrémité de chaque bras articulé, de deux volets latéraux de mesure disposés de part et d'autre d'un axe parallèle à l'axe de la sonde et décalés en hauteur, pour pouvoir les positionner sur le corps de sonde.
Cette implantation permet théoriquement d'obtenir 100% de couverture dans un puits en 7" (non standard en trou ouvert) et seulement 82% en 8"1/2 avec une sonde de 5" de diamètre extérieur. Cela conduit par ailleurs à une mécanique complexe et, en conséquence, onéreuse.
Une autre possibilité pour réaliser une imagerie à champ total en limitant les problèmes mécaniques, est d'effectuer celle-ci à partir de sonde ne touchant pas la paroi du trou à explorer : cependant les mesures recueillies sont perturbées automatiquement par le fluide, qui est souvent de la boue, remplissant ce trou, et s'intercalant entre les capteurs et la paroi; les résultats sont alors difficilement interprétables car, que ce soit dans le domaine électrique ou acoustique, les fluides utilisés peuvent constituer un élément parasite : en acoustique, les microparticules solides présentes dans la boue diffractent 1'onde sonore et diminuent fortement l'amplitude de l'onde reçue par le capteur; en électrique, la faible réfeistivité de la boue favorise un court-circuit partiel des lignes de courant à la sortie des électrodes..
Certes», on relève diverses études qui ont fait l'objet de dépôts de brevets pour limiter ces problèmes liés à l'influence du fluide, tant en électrique qu'en acoustique, tel que : - la demande de brevet FR. 2.611.920 déposée le 25.02.1987 par le CNRS, qui utilise des électrodes électriques de détection de fractures situées en couronne au centre de la sonde et associées à des électrodes de focalisation et de recueil aux extrémités avec des moyens de correction propres à agir sur le potentiel des électrodes d'émission pour compenser la diffusion du courant dans le milieu fluide; en variante, les électrodes de protection et d'émission ont un mouvement de rotation autour d'un axe vertical de la sonde.
- La demande de brevet U.S. 935.422 déposée le 26.11.1986 par la société SHELL INTERNATIONALE RESEARCH, qui décrit un appareil de production d'images de trous de sonde, à transducteur acoustique, et comprenant des moyens d'amplification à gains variables réglables pour réduire les effets de faux signaux générés par la boue située en anneau autour de la sonde.
Outre les problèmes donc d'influence parasite du fluide intercalé qui, malgré les projets ci-dessus ne sont pas résolus pour obtenir une bonne interprétation des mesures, il faut souligner également la difficulté de positionner les sondes et de contrôler leur orientation puisqu'il n'y a pas d'appui contre les parois, cela rend donc encore plus difficile leur mise en oeuvre pour avoir un relevé le plus complet possible de la paroi.
Une dernière possibilité pour, d'une part, diminuer l'influence du fluide des systèmes ci-dessus et, d'autre part, simplifier les moyens mécaniques, des précédents, est d'utiliser des sondes à paroi souple, qui peuvent alors se plaquer contre la paroi; cette possibilité a été développée dans diverses applications, toutes à électrodes dont on peut citer les deux exemples suivants, qui ont fait l'objet de dépôt de* brevets : le brevet U.S. 2.930.969, déposé le 16 Mai 1956 par Monsieur BAKER, décrit une enveloppe souple ouverte vers le haut et le bas, comme une ancre flottante, et portant des électrodes sur sa surface externe, de telle façon qu'accrochée à une tige de manutention, elle se referme quand on la descend dans le puits et elle s'ouvre par la vitesse du fluide, pénétrant à sa partie supérieure quand on la remonte.
Un autre brevet U.S. 4.236.113 déposé le 13 Avril 1978 par Monsieur ILEY pour PHILIPS PETROLEUM, décrit une sonde comportant un corps gonflable, sur lequel sont disposées des électrodes dans un plan horizontal et qui vient en contact avec la paroi lorsque la sonde est positionnée à l'endroit voulu.
Ces systèmes permettent effectivement de réduire la complexité mécanique des patins articulés, mais ne résoluent pas le manque de couverture totale de la paroi du puits : de plus, le premier système exige une vitesse de remontée de sonde importante, et le deuxième au contraire, une prise de mesure à l'arrêt, car il obture alors totalement ledit puits.
Ainsi, aucun de ces procédés ou dispositifs ne permet de solutionner le problème auquel la présente invention apporte pourtant des solutions : en effet, le problème posé est de pouvoir réaliser une sonde permettant une imagerie champ total du sous-sol entourant un trou, qui améliore les performances des outils actuels, d'une part dans la couverture effectivement totale de la périphérie de la paroi jusqu'à des diamètres au moins de 216 mm et même au delà, avec une définition de mesure verticale et horizontale de l'ordre du centimètre, sur toute la surface de la paroi, d'autre part, dans l'élimination maximum des effets parasites du milieu fluide existant dans le trou et enfin en permettant sa remontée en cours de mesure en limitant les vibrations éventuelles dues aux frottements et malgré la présence du milieu fluide ambiant, qui doit donc circuler de part et d'autre de la sonde.
Une solution au problème posé est une sonde d'imagerie champ total permettant d'effectuer des diagraphies d'imagerie sur toute la périphérie de la paroi d'un trou foré dans le sous-sol et remplie d'un fluide, grâce à des capteurs de mesure des caractéristiques de ce sol, montés sur ou dans le corps de ladite sonde, certaines parties de ce corps pouvant venir en contact avec ladite paroi et en position repos, sa forme extérieure étant celle d'un cylindre d'un diamètre inférieur au diamètre dudit trou : selon l'invention ledit corps de la sonde comporte au moins une enveloppe moulée à partir d'un matériau de type élastomère, comprenant des éléments en hélices, séparés par des soufflets, de telle sorte que grâce à tout moyen interne d'expansion, ladite enveloppe se déploie pour que lesdits éléments épousent la paroi du puits et que lesdits soufflets assurent les liaisons entre ces éléments et maintiennent l'ensemble de l'enveloppe d'une manière semi-rigide et suivant une continuité de sa face périphérique. Dans différents modes de réalisation, ladite enveloppe peut être complètement fermée et contient un fluide pouvant être mis sous pression, pour constituer ledit moyen interne d'expansion de l'enveloppe contre la paroi du puits, lesdits éléments en hélices étant dotés de systèmes élastiques propres de rappel pour revenir en position repos en l'absence de pression relative du fluide supérieure à celle du fluide ambiant et lesdits soufflets laissent un passage suffisant audit fluide lors de la remontée de la sonde en cours de mesure; ou ledit moyen interne d'expansion est constitué de tout système hydromécanique reliant chaque élément en hélice à un élément statique de structure du corps de sonde.
Dans une application de mesure acoustique, au moins un des capteurs est un transducteur ultrasonique, situé à l'intérieur de ladite sonde, ladite enveloppe étant complètement fermée et remplie d'un fluide autorisant un bon couplage acoustique. Dans une autre application de mesure électrique, éventuellement combinée avec la précédente, au moins certains desdits capteurs sont des électrodes connues de mesures microrésistives intégrées et moulées dans lesdits éléments en hélices pouvant venir en contact de ladite paroi du puits, et disposées le long de ces éléments afin que, quel que soit le diamètre de la position d'expansion et de mesure compatible avec ladite sonde, l'ensemble de la périphérie de la paroi dudit puits est entièrement couverte et investiguée par lesdites électrodes, lorsque l'on remonte sans rotation ladite sonde.
Différentes autres applications de mesures sont également possibles.
Le résultat est une nouvelle sonde d'imagerie champ total qui améliore considérablement les performances des outils actuels et ouvre la possibilité à de nombreuses utilisations. En effet, grâce à la combinaison d'éléments en hélices pouvant venir en contact avec la paroi du trou ou du puits, et de soufflets intercalés entre ces éléments, l'ensemble constituant un corps semi-rigide qui peut donc bien supporter les effets de frottement contre la paroi, il est possible d'adapter tous types de capteurs connus et utilisables pour les diagraphies : ces solutions techniques proposées sont d'autant plus intéressantes quand ces capteurs nécessitent un bon contact avec la formation du sous-sol à investiguer. Cette sonde selon l'invention, en effet, résout en priorité le problème de recouvrement de la paroi du puits ou des mesures de microresistivite ou toute mesure utilisant des capteurs en contact avec cette paroi. Cependant le principe de cette sonde permet également des applications et/ou améliorations pour d'autres méthodes de diagraphies d'imagerie, telles que celles décrites à titre d'exemple et plus en détail dans la description ci-après et concernant
- l'imagerie acoustique car la sonde permet de s'affranchir de la contrainte due à la qualité de la boue et de diminuer fortement l'incidence des autres (contrastes des impédances acoustiques etc...); la combinaison avec l'imagerie électrique d'un système acoustique permettant également la mesure exacte de la géométrie du trou ;
- le problème de la caméra de puits en milieu opaque, tel que la boue de forage, qui interdit en général son utilisation en dehors des forages d'eau et de géothermie basse énergie.
Un autre avantage et non des moindres, quelle que soit l'application de cette sonde, est que celle-ci, étant donné son principe et les matériaux mis en oeuvre pour sa réalisation, est extrêment légère en regard des sondes usuelles. En terme de mesure, ceci signifie :
- meilleure application des éléments et donc des segments de mesure quand ces éléments portent des capteurs;
- meilleur centrage de la sonde dans des puits déviés; - diminution de l'effet de "YO-YO" de la sonde, qui est un déplacement non linéaire dû à un effort de friction variable et que l'on rencontre dans les systèmes comportant des patins. On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en démontrer la nouveauté et l'intérêt.
La description, les dessins et les figures ci-après représentent un exemple de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif :- d'autres réalisations sont possibles à partir des revendications qui précisent la portée et l'étendue de cette invention.
La figure 1 est une vue de profil d'un exemple de sonde suivant l'invention en position repos pénétrant dans un trou.
La figure 2 est tme vue de profil de la sonde de la figure 1 en position de mesure. '
La figure 3 est une vue en coupe AA de la figure 2 d'une sonde en position de mesure. La figuré 4 est une vue perspective d'un autre exemple de sonde. La présente invention concerne la sonde elle-même, son principe de déploiement et de réalisation et aucunement l'électronique associée aux différentes mesures qui a déjà été développée pour ce type d'applications et qui n'est donc pas décrite. Dans sa position repos ou repliée, tel que représentée sur la figure 1, la sonde 5 peut être déplacée dans le trou foré 1, sa forme extérieure étant celle d'un diamètre inférieur à celui dudit trou 1. Celui-ci est en général rempli de fluide 3, qui dans le cas d'un forage en cours est de la boue opaque, et qui sépare donc la paroi 2 du trou du corps de sonde 5 : ce fluide doit pouvoir passer d'un côté à l'autre de la sonde lorsque celle-ci est déployée comme dans la figure 2 et déplacée linéairement pendant la mesure.
Ledit corps de sonde 5 comporte suivant l'invention une enveloppe 6-, moulée à partir d'un matériau de type élastomère résistant bien à l^abrasion, aux huiles, à la chaleur etc.. Cette enveloppe comprend des éléments 7 en hélices, qui lorsqu'ils sont en position repos, sont pratiquement adjacents les uns des autres : ces éléments 7 peuvent comporter pour les applications de mesure nécessitant un contact avec la paroi 2, des capteurs 4 tels qu'électrodes ou transducteurs, qui sont alors distribués hélicoïdalement sur ladite enveloppe 6.
En ce cas, on peut envisager de recouvrir les seules zones 7 en contact direct avec la paroi du puits lors du déploiement, en dehors des capteurs, d'une faible épaisseur de matière résistant particulièrement à l'abrasion, sans nuire à la souplesse nécessaire. L'ensemble des électrodes ou des transducteurs peut être moulé dans la matière du corps de sonde, selon des techniques bien connues et utilisées par ailleurs.
En variante, la matière des électrodes peut être en élastomère ou matériau similaire conducteur.
La figure 2 représente la même sonde 5 en position de mesure, grâce à une expansion et un déploiement de son enveloppe 6 contre ladite paroi 2 du puits ou trou 1.
L'élasticité radiale, nécessaire au déploiement, est obtenue par 1'intermédiaire de soufflets 8, pouvant être disposés conformément à la figure 3. Par ailleurs, quand l'enveloppe 6 est étanche et fermée, la section disponible entre ces soufflets 8 et la paroi du puits 2 permet le passage du fluide tel que la boue de forage 10, lors de la remontée de la sonde 5 en cours de mesure.
Quelle que soit l'expansion adaptée au diamètre du trou 2, celle-ci permet, jusqu'à un diamètre de la paroi maximum fixé et propre à chaque type de sonde, d'assurer un recouvrement "d" de mesures entre le capteur 4 situé en haut d'un élément 7 et celui situé en bas de l'élément adjacent, lors de la remontée de la sonde. Suivant la précision souhaitée et la définition de la mesure, on fixera une valeur de "d" minimum négative pour avoir un recouvrement de surface assuré pour les deux capteurs et minimum positive quand on accepte une tolérance de non recouvrement.
Les parties supérieures et inférieures des zones de mesure de l'enveloppe 6 peuvent être protégées pour éviter d'accrocher en descendant la sonde ou, en cours de., mesure, en remontant. Cette protection peut être obtenue, par exemple par un système de "pétales" se chevauchant plus ou moins en fonction du dia *tre.
Dans une réalisation préférée de l'invention, le déploiement se fait par mise en pression d'un fluide 10 à l'intérieur de l'enveloppe 6 étanche, qui doit être alors close, complètement fermée et étanche, contrôlé par un système mécanique 9 et de rappel pour revenir en position repos en l'absence de pression relative du fluide 10, assurant aux éléments hélicoïdaux 7 une géométrie connue en fonction du diamètre extérieur du cylindre sur lequel sont positionnés ces éléments et qui correspond, en position de mesure, à celui dudit trou 1, comme représenté sur la figure 3.
Dans une autre réalisation ledit moyen interne 9 d'expansion est constitué de tout système hydromécanique reliant chaque élément 7 en hélice à un élément statique de structure du corps de sonde 5 : ce système hydromécanique peut être constitué de vérins et de ressorts.
Selon -τιn autre mode de réalisation, l'enveloppe 6 comporte une double paroi, dont l'espace ainsi délimité, peut être mis sous pression pour assurer une plus grande rigidité.
Ainsi ladite enveloppe 6 et son moyen interne d'expansion 9 peuvent être réalisés suivant une des formes décrites ci-dessus ou peuvent combiner plusieurs de ces formes, telles que :
- soit ï'enveloppe 6 est fermée et étanche, et peut être déployée par un fluide sous pression;
- soit l'enveloppe 6 est fermée et étanche, et peut être déployée par un moyen mécanique 9 ou hydromécanique interne enfermé dans ladite enveloppe, qui peut être remplie alors d'un liquide 10 restant alors en équipression avec l'ambiance 3 extérieure; - soit l'enveloppe 6 est ouverte vers le haut et le bas et des bras articulés 13 assurent son déploiement, ou tout autre moyen mécanique ou hydromécanique;
- soit l'enveloppe est comme dans le cas précédent et comporte en plus une double paroi pour la rendre plus rigide. Les figures 1 et 2 illustrent des formes conformes aux deux premiers exemples ci-dessus cités. L'enveloppe 6 protège de la boue de forage l'ensemble du volume intérieur ainsi défini. Ceci implique que les ouvertures supérieure et inférieure de cette enveloppe fassent étanchéité sur les parties correspondantes du corps de la sonde 5. Cependant, les deux caractéristiques de base qui sont d'avoir un support d'une part, assurant une distribution hélicoïdale de segment pouvant porter des capteurs et d'autre part, possédant une capacité de déploiement radial, grâce à la présence de soufflets entre les zones de Mesure, peuvent aussi être assurées sans nécessiter le recours à une enveloppe étanche fermée sur le corps de sonde : cette dernière possibilité est représentée sur la figure 4, en illustration des formes conformes aux deux derniers exemples ci-dessus cités. On retrouve dans cette figure : les segments 7 avec des zones de mesure implantées hélicoïdalement et les soufflets 8.
Dans le cas représenté, des bras articulés 13 assurent le déploiement depuis le support ou corps de sonde 5; les électrodes et l'ensemble des connexions électriques nécessaires peuvent être moulées dans l'enveloppe 6 au niveau des zones de mesures.
En variante donc, l'enveloppe 6 peut être d'une double épaisseur et creuse, l'intérieur étant rempli d'un fluide hydraulique en équipression en position repos, et en légère surpression pendant les mesures avec le fluide ambiant, la géométrie d'ensemble du système restant identique.
Un des objectifs visés par cette dernière variante, est d'introduire une rigidité variable au niveau des zones de mesure et de pouvoir modifier le rayon de courbure de celles-ci en augmentant la pression à l'intérieur, de façon à s'adapter aux variations du diamètre de forage.
Dans cette variante, les soufflets 8 ne sont pas creux mais quelques passages tubulaires de faible diamètre implantés dans l'épaisseur des soufflets assurent la continuité hydraulique entre les différentes zones de mesures.
Les liaisons électriques entre l'électronique à l'intérieur de la sonde 5 et les électrodes passent derrière les bras de déploiement 13 et pénètrent dans la sonde par l'intermédiaire de connecteurs étanches. II en est de même des liaisons hydrauliques dans le cas de zones de mesures creuses 7.
La sonde comporte des moyens mécaniques 9 nécessaires à un repli régulier, tel que décrits ci-dessus; toute autre solution est possible telle que par exemple un système à ressort monté sur l'arête intérieure des soufflets 8. Cet ensemble de rappel entre les soufflets et la partie intérieure statique de la sonde 5, permet une position d'équilibre des soufflets entre cette tension de rappel et le différentiel de pression existant entre l'intérieur de la sonde et le puits, dans la version enveloppe fermée et fluide intérieur sous pression.
Les éléments hélicoïdaux 7, qui peuvent donc être de mesure, peuvent être réalisés en un ou plusieurs segments en fonction du déploiement à obtenir, la seule contrainte étant de connaître à tout moment la géométrie de ces éléments de mesure en fonction du diamètre déployé.
Le calcul théorique de recouvrement tient compte d'un déplacement linéaire ascendant de la sonde 5. sans rotation de celle- ci dans le forage, ce qui est rarement le cas.
Les contraintes régissant ce problème de rotation ont deux origines :
- contrainte existant entre les deux couches de torons dans le câble assurant la liaison mécanique pour la manutention et la transmission des mesures vers la surface;
- contrainte due aux éléments en hélices eux-mêmes et tendant, en l'absence de force s'y opposant, à faire tourner la sonde selon leur pas propre, Au cas où ce dernier effet serait prépondérant, des empreintes également en hélices ayant un pas dans une direction opposée à celle de l'hélice peuvent être moulées entre les zones de mesure pour s'opposer à ^ette action.
La détermination du diamètre peut être faite de plusieurs façons, selon le degré de précision souhaité :
- avec la technique bien connue utilisant un potentiomètre intérieur le long d'un diamètre, dont le curseur se déplace en fonction du déploiement donc du diamètre;
- en mesurant le temps de parcours d'une onde acoustique émise par un capteur 4^, qui est alors un transducteur ultrasonique 4^ situé à l'intérieur de ladite sonde 5, ladite enveloppe 6 étant complètement fermée et remplie d'un fluide 10 autorisant un bon couplage acoustique.
Au moins un ou des réflecteurs acoustiques sont placés de façon régulière quand ily en a plusieurs à l'intérieur des éléments 7 de la sonde et permettent, grâce audit capteur acoustique 4ι, alors tournant et rotatif, quand il y a plusieurs, et dont l'onde 12 est réfléchie par chacun de ces réflecteurs 11, de connaître parfaitement la géométrie du trou 1. En effet, la vitesse du son dans le fluide à l'intérieur de la sonde étant parfaitement connue, ainsi que l'épaisseur de . matière entre la paroi du puits et la surface interne du réflecteur, le rayon peut être déterminé en permanence.
Cette technique par rapport à l'utilisation de l'onde réfléchie par la paroi permet d'obtenir une amplitude beaucoup plus importante et, par ailleurs indépendante de la lithologie. Dans une autre réalisation, lesdits réflecteurs 11 acoustiques sont situés à l'intersection de chaque demi-soufflet 8 et orientés de telle façon que, quel que soit le déploiement, les perpendiculaires aux plans de ces réflecteurs passent par le capteur acoustique j, dont l'onde 12 réfléchie par chacun des réflecteurs permet toujours de connaître la géométrie du trou 1.
Comme il a été dit précédemment, la géométrie de la sonde étant connue en fonction du diamètre, la position des capteurs 4 tels que des électrodes ou des transducteurs par rapport à des références fixes de la sonde, est connue en permanence. La position de la sonde dans l'espace est connue grâce à un module de navigation constitué par exemple d'un accéléromètre à trois axes et d'un magnétomètre à trois axes, ou d'un gyromètre à trois axes, dont les principes et l'utilisation sont parfaitement connus.
Dans l'imagerie acoustique réalisée dans la configuration décrite précédemment, mais par exemple sous ou en dehors des réflecteurs acoustiques afin de connaître et d'investiguer directement la paroi 2 du puits, le cheminement de l'onde acoustique est le suivant :
- passage dans le fluide 10 du corps de sonde 5; - passage au travers de la gaine de l'enveloppe 6;
- passage dans le fluide de forage 3;
- réflexion sur la paroi 2;
- passage dans le fluide de forage 3;
- passage au travers de la gaine de l'enveloppe 6; - passage dans le fluide du corps de sonde 10;
- détection par le capteur 4]_.
L'amplitude de l'onderéfléchie et détectée par le capteur peut être altérée par différents paramètre,' : contrastes entre les diverses impédances acoustiques des matériaux ou fluide traversés : fluide de la sonde/enveloppe, enveloppe/fluide de forage etc.... ; densité de la boue et particulièrement présence de microparticules solides qui contribuent de façon prépondérante à l'affaiblissement du signal acoustique;
- excentration de l'outil dans le trou.
L'utilisation d'une sonde similaire dans le principe de déploiement -à celle décrite précédemment mais utilisant, comme fluide interne 10 et comme matériau des secteurs 7 hélicoïdaux, des constituants choisis notamment en raison de leur impédance acoustique appropriée, permet de s'affranchir de la contrainte due à la qualité de la boue et de diminuer fortement l'incidence des autres. L'incidence de 1'excentration de la sonde sur la mesure d'amplitude .pouvant être calculée, la mesure de la position de la sonde conformément au principe expliqué précédemment, permet, après traitement en surface de la mesure par l'algorithme correspondant, de restituer l'amplitude corrigée. Rien n'empêche alors, en dehors de la densité d'informations à remonter en surface, de coupler sur la même sonde différentes mesures d'imageries, par exemple acoustiques et microrésistives; ladite sonde est alors constituée d'au moins deux enveloppes 6 placées l'une au- dessus de l'autre et pouvant comporter des éléments 7 et des capteurs 4 de caractéristiques différentes de l'une à l'autre afin de pouvoir réaliser différents types de mesure. La géométrie générale de la sonde demeure inchangée; la partie supérieure étant réservée à un type de mesure, la partie inférieure à un autre et ainsi de suite s'il y en a plusieurs. Enfin cette sonde peut inclure une caméra : en ce cas le matériau des éléments 7 est transparent, ladite enveloppe 6 étant complètement fermée et remplie d'un fluide permettant un bon couplage optique, un desdits capteurs 4 placé dans l'enveloppe comme par exemple le capteur 4, acoustique représenté surla figure 3 étant une caméra de puits pouvant permettre l'observation, même en présence de boue opaque.
La caméra MCCD" de puits, dont la technique est bien connue, peut être orientée radialement selon 360° de liberté, son axe de rotation étant déplaçable axialement pour pouvoir investiguer sur toute la hauteur de la fenêtre définie par celle des éléments transparents.
Ce type de mesure est, en général, réalisé de façon stationnaire et la sonde est repliée entre chaque station. Un nettoyage des parois à l'aide gratteurs appropriés avec le train de tiges, peut être réalisé avant les mesures.

Claims

REVENDICATIONS
1. Sonde d'imagerie champ total permettant d'effectuer des diagraphies d'imagerie sur toute la périphérie de la paroi (2) d'un trou foré (1) dans le sous-sol et rempli d'un fluide (3). grâce à des capteurs (4) de mesure des caractéristiques de ce sol, montés sur ou dans le corps de ladite sonde (5). certaines parties dudit corps pouvant venir en contact avec ladite paroi et, en position repos, sa forme extérieure étant celle d'un cylindre d'un diamètre inférieur au diamètre dudit trou (1), caractérisée en ce que ledit corps de la sonde (5) comporte au moins une enveloppe (6) moulée à partir d'un matériau de type élastomère. comprenant des éléments (7) en hélices, séparés par des soufflets (8) , de telle sorte que grâce à tout moyen interne (9) d'expansion, ladite enveloppe (6) se déploie pour que lesdits éléments ( ) épousent la paroi (2) du puits et que lesdits soufflets (8) assurent les liaisons entre les éléments (7) et maintiennent l'ensemble de l'enveloppe d'une manière semi-rigide et suivant une continuité de surface périphérique.
2. Sonde d'imagerie champ total suivant la revendication 1. caractérisée en ce que ladite enveloppe (6) est complètement fermée et contient un fluide (10) pouvant être mis sous pression, pour constituer ledit moyen interne d'expansion de l'enveloppe contre la paroi (2) du puits, lesdits éléments (7) en hélices étant dotés de systèmes élastiques propres de rappel pour revenir en position repos en l'absence de pression relative du fluide (10) supérieure à celle du fluide ambiant (3) et lesdits soufflets (8) laissent un passage suffisant audit fluide (3) lors de la remontée de la sonde en cours de mesure.
3. Sonde d'imagerie champ total suivant la revendication 1. caractérisée en ce que ledit moyen interne (9) d'expansion est constitué de tout système hydromécanique reliant chaque élément (7) en hélice à un élément statique de structure du corps de sonde (5).
4\ Sonde, d'imagerie champ total suivant la revendication 3. cartactérisée en ce que l'enveloppe (6) comporte une double paroi, dont l'espace ainsi délimité, peut être mis sous pression pour assurer une plus grande rigidité.
5. Sonde d'imagerie champ total suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins certains desdits capteurs (4) sont des électrodes connues de mesures microrésistives intégrées et moulées dans lesdits éléments (7) en hélices pouvant venir en contact de ladite paroi (2) du puits, et disposées le long de ces éléments afin que. quel que soit le diamètre de la position d'expansion et de mesure compatible avec ladite sonde, l'ensemble de la périphérie de la paroi (2) dudit puits est entièrement couverte et investiguée par lesdites électrodes (4), lorsque l'on remonte sans rotation ladite sonde.
6. Sonde d'imagerie champ total suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un desdits capteurs (4) est un transducteur ultrasonique (4^), situé à l'intérieur de ladite sonde (5), ladite enveloppe (6) étant complètement fermée et remplie d'un fluide (10) autorisant un bon couplage acoustique.
7. Sonde d'imagerie champ total suivant la revendication 6, caractérisée en ce que des réflecteurs (11) acoustiques sont placés de façon régulière à l'intérieur des éléments (7) de la sonde et permettent, grâce audit capteur acoustique (4^) alors tournant et rotatif, dont l'onde (12) est réfléchie par chacun de ces réflecteurs (11), de connaître parfaitement la géométrie du trou (1).
8. Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que des réflecteurs (11) acoustiques sont situés à l'intersection de chaque demi-soufflet (8) et orientés de telle façon que, quel que soit le déploiement, les perpendiculaires aux plans de ces réflecteurs passent par le capteur acoustique (4^), dont l'onde (12) réfléchie par chacun des réflecteurs permet de connaître la géométrie du trou (1).
9. S""de selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau des éléments (7) est transparent, ladite enveloppe (6) étant complètement fermée et remplie d'un fluid permettant un bon couplage optique, un desdits capteurs (4) étant un caméra de puits pouvant permettre l'observation, même en présence d boue opaque.
10. Sonde d'imagerie champ total selon l'une quelconque de revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'a moins deux enveloppes (6) placées l'une au-dessus de l'autre e pouvant comporter des éléments (7) et des capteurs (4) d caractéristiques différentes de l'une à l'autre afin de pouvoi réaliser différents types de mesure.
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