FR3039195A1 - Electromagnetic monitoring with formation-matched resonant induction sensors - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de surveillance des propriétés électromagnétiques d'une formation souterraine, qui peut comprendre : l'obtention d'une distribution de résistivité dans la formation souterraine ; l'identification de positions de détecteurs le long d'un trou de forage ; la détermination d'une résistivité effective de chaque région autour d'une position de détecteur ; la dérivation à partir des résistivités effectives des régions associées à chaque position de détecteur d'une fréquence optimale de résonance ; la syntonisation d'une matrice de détecteurs pour donner à chaque détecteur la fréquence optimale de résonance ; le déploiement de la matrice de détecteurs dans le trou de forage ; et le rassemblement des mesures de champ électromagnétique. Chaque détecteur peut contenir : une antenne à spirale positionnée dans une formation souterraine présentant une certaine résistivité, l'antenne spirale produisant un signal à tension induite à partir d'un champ électromagnétique dans la formation souterraine ; et un circuit de modulation résonant qui convertit le signal induit de tension induit en un signal de télémétrie, le circuit de modulation résonant ayant une fréquence de résonance optimisée pour ladite résistivité de formation.

Description

SURVEILLANCE ÉLECTROMAGNÉTIQUE AVEC DÉTECTEURS À INDUCTION RÉSONNANTE ADAPTÉS À UNE FORMATION

CONTEXTE

Les opérateurs de champ pétrolifère cherchent à maximiser la récupération d'hydrocarbures selon un budget donné et dans les délais impartis. Alors qu'ils effectuent autant de diagraphie et d'études que possible avant et pendant le forage et la complétion de la production et dans certains cas, des puits d'injection, le processus de rassemblement d'informations ne s'arrête pas là. Les opérateurs souhaitent aussi suivre le mouvement des fluides dans les réservoirs et autour de ceux-ci, car ces informations leur permettent d'ajuster la distribution et les débits de production parmi les puits de production et/ou d'injection pour éviter des pertes précoces d'eau et d'autres obstacles pour un fonctionnement efficace et profitable. De plus, ce rassemblement d'informations permet en outre aux opérateurs de mieux évaluer les stratégies de traitement et de récupération secondaire pour des récupérations améliorées d'hydrocarbures.

La tomographie électromagnétique donne une démarche pour la transposition et la surveillance des distributions de fluides entre les trous de forage et autour de ceux-ci, qui contiennent des matrices d'émetteurs et de détecteurs de champ électromagnétique. L'utilité de la tomographie électromagnétique souffre toutefois d'un manque de conceptions sensibles et économiques de matrices de détection convenant pour un déploiement dans des conditions hostiles de fond de puits.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les dessins et la description qui suit décrivent donc des systèmes et des procédés de suivi électromagnétique avec des détecteurs à induction résonnante adaptés à la formation. Parmi les dessins :

La figure 1 représente un exemple de système électromagnétique.

Les figures 2A à 2B représentent d'autres modes de réalisation d'exemples de modes de réalisation d'émetteurs électromagnétiques.

La figure 3 A est une vue de coupe transversale d'un détecteur à induction résonante illustratif.

La figure 3B est une vue en perspective et en coupe d'exemples d'enroulements dans un détecteur à induction résonante. , La figure 4A est un schéma de circuit équivalent d'un détecteur à induction résonante illustratif.

La figure 4B est un schéma simplifié de circuit vue d'un détecteur à induction résonante illustratif.

La figure 5 est un graphe de la sensibilité en fonction de la fréquence pour différentes configurations de détecteur.

La figure 6 montre un exemple de système d’interrogation de détecteur optique.

La figure 7 est un graphe de la dépendance à la fréquence d'un exemple de signal induit.

La figure 8 représente un graphe d'un exemple de procédé de surveillance électromagnétique.

Il doit être compris, cependant, que les modes de réalisation spécifiques donnés dans les figures et leur description détaillée ne limitent pas la description. Au contraire, ils constituent la fondation permettant à un homme de métier de discerner les formes alternatives, les équivalents et les modifications qui sont englobés avec l'un ou plusieurs des modes de réalisation donnés dans la portée des revendications ci-jointes.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

La figure 1 représente un exemple de système de surveillance électromagnétique permanent (« EM ») pour un réservoir, avec un premier puits 102 comportant un train de tubage 104 placé dans un trou de forage 106. Le train de tubage 104 comprend de multiples sections de tubage tubulaire, reliées bout à bout par des couplages 108. D'autres types de trains de tubage utilisent un tubage en acier continu ou un tubage composite. Du ciment 110 a été injecté entre une surface externe de la colonne de tubage 104 et une surface interne du puits de forage 106, et on l'a laissé prendre. Le ciment 110 améliore l'intégrité de la structure du puits et scelle l'espace annulaire autour du train de tubage 104 contre des écoulements indésirables de fluide. Bien que le puits 102 apparaisse entièrement cimenté, en pratique certains intervalles peuvent rester sans ciment, par ex. dans des essais horizontaux du trou de forage où il peut être souhaité de faciliter des écoulements de fluide.

La figure 1 montre encore des perforations 114 au niveau d'au moins une position le long du trou de forage 106, pour faciliter l'écoulement d'un fluide 116 d'une formation environnante au trou de forage et donc à la surface. Le train de tubage 104 peut contenir des ouvertures préformées 118 au voisinage des perforations 114, ou il peut être perforé en même temps que la formation. Typiquement, le puits 102 est équipé d’un train de tubage de production dans un trou interne de la colonne de tubage 104. (Le puits 152 montre juste ce train tubulaire de production 112 dans la vue en coupe.) Au moins une ouverture du train de tubage de production accepte les fluides de trou de forage et les conduit jusqu'à la surface de la terre et plus loin vers les installations de stockage et/ou de traitement par une sortie de production 120. La tête de puits peut contenir d'autres orifices tels que l'orifice 122 pour un accès à l'espace annulaire ou aux espaces annulaires et un bloc obturateur 123 pour bloquer les écoulements dans des conditions d'urgence. Divers autres orifices et passages sont généralement prévus pour permettre l'utilisation de détecteurs externes 124 et de détecteurs internes. L'exemple de câble 126 couple ces détecteurs à une unité d'interface de puits 128. Il est à noter que cette configuration de puits est uniquement illustrative et pas à l'échelle, et qu'elle ne limite pas la portée de la description. L'unité d'interface 128 fournit typiquement de l'électricité aux transducteurs et permet une acquisition et un stockage des données, éventuellement avec une certaine part de traitement de données. Le système de surveillance EM permanent illustré contient des émetteurs et des détecteurs EM couplés à l'unité d'interface 128 par au moins un câble blindé 130, 131, qui sont attachés à l'extérieur du train de tubage 104 par des bandes 132 et par des protecteurs 134. (Les protecteurs 134 guident les câbles 130, 131 au-dessus des couplages 108 et empêchent pincement du câble entre le couplage et la paroi du trou de forage.) Le câble 130 se raccorde à au moins un émetteur EM 136 attaché au train de tubage 104, alors que le câble 131 se connecte à au moins un détecteur à induction résonnante 140 à 144 adapté à la formation.

La figure 1 représente aussi un deuxième puits 152 comportant un deuxième train de tubage 154 dans un trou de forage 155, alors qu'au moins un module émetteur d'EM 156 est attaché au train de tubage et communique par un câble 158 jusqu'à une deuxième unité d'interface de puits 160. Le deuxième puits contient en outre un câble 159 comportant une matrice de fond de puits de détecteurs à induction résonnante adaptés à la formation 190 à 194 couplés à la deuxième unité d'interface de puits 160. La deuxième unité d'interface de puits 160 peut être raccordée d'une manière câblée ou sans fil à la première unité d'interface de puits 128 ou à un système central qui coordonne le fonctionnement des puits. D'autres puits et d'autres unités d'interface de puits peuvent faire partie du fonctionnement coordonné du site et du système de surveillance permanent d'EM. (Certains modes de réalisation de système emploient des détecteurs d'EM et des émetteurs dans uniquement un puits, mais on préfère généralement disposer de détecteurs et d'émetteurs d'EM à la surface et/ou dans d'autres puits proches.

Le système illustré comprend également des modules transducteurs de surface 170. Les modules de transducteur de surface 170 peuvent employer : des électrodes espacées qui créent ou qui détectent des signaux EM, des bobines de fil qui créent ou qui détectent des signaux EM ou des magnétomètres ou d'autres détecteurs EM servant à détecter les signaux EM. Au moins un des émetteurs EM 136, 156, 170 transmet des signaux EM périodiques ou transitoires (c.-à-d. à impulsions) tandis que les détecteurs EM obtiennent des mesures de réponse.

La figure 1 montre en outre un ordinateur tablette 180 qui communique sans fil avec l'unité d'interface de puits 128 pour obtenir et pour traiter les données de mesure d’EM et pour obtenir un affichage représentatif des informations pour un utilisateur. L'ordinateur 180 peut prendre différentes formes comprenant une tablette, un notebook, un ordinateur portable, un ordinateur de bureau, un serveur ou un ordinateur virtuel sur un réseau, un téléphone mobile ou une certaine combinaison de tels éléments qui couplent la capacité de traitement configurée pour un logiciel à une interface d'utilisateur. Quel que soit le type d'ordinateur employé, on dispose de logiciels qui configurent le ou les processeur(s) de l'ordinateur pour effectuer le traitement nécessaire et pour permettre à l'utilisateur de visualiser et de préférence d'interagir avec un affichage des informations obtenues. Le traitement comprend au moins une compilation d'une série temporelle de mesures pour permettre un suivi de l'évolution dans le temps, mais peut comprendre en outre l'emploi d'un modèle géométrique du réservoir qui prend en compte les positions et les configurations relatives des modules de transducteur et qui inverse les mesures pour obtenir au moins un paramètre. Ces paramètres peuvent comprendre des cartes volumétriques de la résistivité et de l'eau ou de la saturation en hydrocarbures.

Le réservoir et la formation souterraine environnante comprennent des régions présentant différentes résistivités, typiquement dans des couches plus ou moins horizontales, comme l'indique la figure 1. La résistivité de la formation est affectée non seulement par le matériau de matrice de formation, mais aussi par les fluides rencontrés dans les pores de la formation. Ainsi, alors que l'eau de la formation remplace les hydrocarbures qui sont drainés hors du réservoir, la résistivité de la formation est modifiée, ce qui permet à l'ordinateur 180 de surveiller le front fluide grâce aux variations de la distribution de résistivité dans les cartes volumétriques. L'ordinateur 180 peut en outre permettre à l'utilisateur d'ajuster la configuration des transducteurs, en employant des paramètres tels que l'allure de chauffe des transducteurs, la séquence d'allumage des émetteurs, les amplitudes de transmission, les formes d'onde de transmission, les fréquences de transmission, les filtres de réception et les techniques de démodulation. Dans certains modes de réalisation du système envisagé, l'ordinateur permet en outre à l'utilisateur d'ajuster les débits d'injection et/ou de production pour optimiser la production à partir du réservoir.

La figure 2A montre une vue partiellement coupée d'un exemple de module émetteur d'EM. Un évidement 210 a été usiné dans la paroi du carter 104 et rempli de matière ferritique 212. Une antenne en spirale 214 recouvre la matière ferritique, et elle est protégée au-dessous d'une coque fine 216 de matière non conductrice et non magnétique telle que de la fibre de verre. Un ensemble de bras centralisateurs non magnétiques 218 protège en outre l'antenne émettrice. , On peüt trouver de l'électronique dans le module émetteur pour dériver l’électricité à partir du câble 130 et pour réguler le processus d'émission.

La figure 2B montre une vue partiellement coupée d'un autre mode de réalisation de module émetteur d'EM qui peut être divisé sur l'extrémité de broche d'une pièce tubulaire de carter juste avant que la pièce tubulaire ne soit raccordée pour étendre le train de tubage. Le module peut être fixé sur place avec de l'adhésif ou avec une pince. Le corps du module d'émetteur 220 est d'abord formé de matière ferritique, avec une rainure circonférentielle coupée pour la bobine 222 et une coque protectrice 224. Le corps 220 comprend également un évidement 226 pour l'électronique. On peut prévoir des connecteurs 208 pour faciliter la connexion du câble 130.

La figure 3 A représente une vue de coupe transversale d'un exemple de détecteur à induction résonante pour la détection de signaux électromagnétiques. La figure 3 B est une vue en perspective en coupe d'éléments choisis de l'exemple de détecteur. Une fibre optique 302 du câble 131 est divisée ou autrement couplée à un enroulement de fibre optique 344 autour d'un élément piézoélectrique cylindrique 320. Une masse-tige à bride 304 fixe le câble 131 où elle vient en contact avec un connecteur fileté 306 sur le corps de détecteur 308. Un écrou fileté 310 fixe la masse-tige à bride 304 d'une manière scellée au connecteur fileté 306. Un coffre 312 peut être doté d'une matière de charge adhésive (telle qu’un scellant résilient) pour mieux protéger la connexion contre la pénétration de fluide.

Dans des configurations de matrices traversantes, le câble 131 continue à partir du côté opposé du corps de détecteur 308, avec une deuxième masse-tige à bride attachée à un deuxième connecteur fileté par un deuxième écrou scellé dans un deuxième coffre. Dans une autre configuration à une seule extrémité, une terminaison réfléchissante ou absorbante est prévue à l'extrémité de l'enroulement de fibre optique 334. Typiquement, les détecteurs à extrémité simple doivent chacun être couplés à la fibre optique 302 par un diviseur qui dirige une partie de la fraction de la lumière dans le détecteur et qui fait passer la lumière résiduelle plus loin le long du câble 131 jusqu'à d'autres détecteurs de la matrice. Le diviseur agit aussi pour renvoyer la lumière réfléchie ou rétrodiffusée issue du détecteur le long du câble jusqu'à l’unité d'interface.

Quoi qu'il en soit, une antenne en spirale 314 entoure le corps de détecteur 308 pour convertir les champs électromagnétiques en un signal à tension induite. (Une telle antenne à spirale peut parfois s'appeler un magnétomètre à induction). Un couvercle 316 protège l’antenne spirale des dommages mécaniques et de la pénétration de fluides. Le couvercle 316 et le corps de détecteur 308 sont de préférence constitués d'un matériau non conducteur et non magnétique pour éviter l'atténuation de la réponse de l’antenne spirale 314. Sinon, on peut employer un matériau conducteur fin pour limiter l'atténuation de champs électromagnétiques quand ils traversant le couvercle 316. Dans ce cas, on préfère un matériau non magnétique conducteur, comme il produit l’atténuation moindre. L'intérieur du corps du détecteur 318 loge un élément piézoélectrique cylindrique 320 comportant des électrodes 322, 324 sur les faces opposées. Les fils électriques 326, 328 couplent respectivement les électrodes 322, 324 aux points terminaux de l’antenne spirale 314.

Les électrodes 322, 324 appliquent le signal de tension induite aux bornes de l’élément piézoélectrique 320 sous la forme d’un champ électrique. L’élément piézoélectrique 320 se déforme en réponse au champ électrique, en étendant par ailleurs son diamètre au détriment de sa longueur axiale et en contractant son diamètre en faveur de son allongement le long de son axe. L’extension et la contraction du diamètre modifie la déformation de l’enroulement de la fibre optique 334. Les variations de déformation se traduisent par de légères variations de l’indice de réfraction de la fibre optique, qui de leur côté se traduisent par des variations de la longueur de chemin optique de l’enroulement 334. Ces variations sont détectables sous forme de variations du temps de parcours ou de la phase des signaux lumineux revenant du détecteur à l’unité d’interface.

On peut employer une capacité de syntonisation et une résistance optionnelle à l’amortissement pour syntoniser le détecteur, en plaçant un pic de résonance de largeur de bande souhaitée (par ex., 400 Hz) à une fréquence souhaitée (par ex. 2 kHz). La capacité de syntonisation peut prendre la forme d’un condensateur discret 332 branché entre les électrodes 322, 324, ce qui le place en parallèle avec l’élément piézoélectrique 320. La résistance éventuelle d’amortissement peut prendre la forme d’une résistance discrète 330 branchée en série entre une des électrodes et le point terminal associé de l’antenne en spirale. Dans un autre mode de réalisation, la résistance éventuelle à l’amortissement prend la forme d’une résistance discrète branchée en parallèle avec le condensateur discret, ce qui permet à une résistance plus grande de procurer la même ampleur d’amortissement. (La résistance en parallèle peut valoir [1+Q2] fois la résistance en série, où Q représente le facteur de qualité.) Quoi qu’il en soit, la fréquence de résonance peut être choisie pour correspondre à une fréquence porteuse d’un signal EM transmis. Quand on emploie un signal de transmission à bande large, les détecteurs peuvent donner différentes fréquences de résonance pour permettre un multiplexage à division de fréquence de leurs réponses. La résistance à l’amortissement peut être choisie pour réduire la sensibilité du détecteur à la variation du paramètre.

Dans au moins certains modes de réalisation, le condensateur discret 332 est un condensateur variable, monté d’une manière qui permet l’ajustement de la capacité une fois que le détecteur a été produit. Dans la figure 3A, le corps de détecteur 308 comprend une ouverture 333 destinée à l’accès à une vis ou à un bouton de commande dans le condensateur variable 332. L'ouvefture 333 peut être rescellée une fois que le condensateur est ajusté selon le réglage souhaité pour faire concorder la fréquence de résonance du détecteur avec la résistivité de la formation autour de laquelle le détecteur sera situé.

Dans certains modes de réalisation envisagés, l’élément piézoélectrique 320 est un Noliac NAC2125-H20, dont le diamètre extérieur vaut 20 mm, le diamètre intérieur 12 mm et la longueur 20 mm. Dans certains modes de réalisation envisagés, l'enroulement de la fibre optique atteint 96 spires (environ six mètres) de Fibercore SM 1500. Pour maximiser le rayon de courbure de la fibre optique, l’axe de l’élément piézoélectrique cylindrique peut être placé perpendiculairement à l'axe du corps de détecteur cylindrique 308. Cette disposition évite par ailleurs l'atténuation de la réponse de l’antenne spirale par des courants induits dans les électrodes 322, 324. Pour améliorer encore la réponse de l'antenne en spirale 314, l'espace résiduel de l'intérieur 318 du corps de détecteur peut être rempli d'un matériau non conducteur et ferritique ou d'un autre matériau présentant une perméabilité magnétique relativement élevée.

La figure 4A représente un circuit équivalent pour le détecteur à induction résonante adapté à la formation. Le circuit contient trois circuits partiels 400, 410, 420. Le circuit partiel 400 est le circuit équivalent pour l'antenne en spirale 314. Le circuit partiel 410 est le circuit équivalent pour le filtre de syntonisation de résonance. Le circuit partiel 420 est le circuit ✓ équivalent pour l’élément piézoélectrique 320.

Le circuit partiel 400 contient une source de tension 402 représentant le signal de tension induit par les champs électromagnétiques autour de l'antenne en spirale 314. Un inducteur en série 404 représente l'inductance de la bobine de l'antenne, alors que la résistance en série 406 représente la résistance de la bobine. Un condensateur 408 en parallèle avec la combinaison en série de la source 402, de l'inducteur 404 et de la résistance 406 représente la capacité parasite de la bobine.

Le circuit partiel 410 contient une résistance d'amortissement 416 en série entre une borne de l’antenne en spirale et une borne de l’élément piézoélectrique. L'autre borne de l’antenne spirale est reliée à l'autre borne de l’élément piézoélectrique. Le circuit partiel 410 contient en outre un condensateur à syntonisation variable 418 entre les bornes de l’élément piézoélectrique. Le circuit partiel 410 modifie la fréquence de résonance de l’élément piézoélectrique, en fonctionnement en lien avec l’élément piézoélectrique pour convertir le signal de tension induite en un signal filtré.

Le circuit partiel 420 contient trois branches en parallèle entre les bornes de l’élément piézoélectrique. La première branche est un condensateur 421 représentant une capacité intrinsèque de l’élément piézoélectrique. Pour le transducteur Noliac, elle vaut 3,77 μ F environ. La deuxième branche est une combinaison en série d'une résistance 426, d'un inducteur 424 et d'un condensateur 428, représentant la résonance mécanique en mode anneau. Pour le transducteur Noliac, les valeurs avoisinent 100 mQ, 5,49 μΗ et 1,86 pF. La troisième branche est aussi une combinaison en série d'une résistance 436, d'un inducteur 434 et d'un condensateur 438, représentant la résonance mécanique en mode axial. Pour le transducteur Noliac, les valeurs avoisinent 1,5 Ω, 4,6 μΗ et 1,37 μΡ.

Suivant les hypothèses suivantes, le circuit équivalent de la figure 4A peut être simplifié comme le montre la figure 4B. (1) L’inductance de la bobine d'antenne est bien plus grande que les inductances associées aux résonances mécaniques. (2) La capacité parasite de la bobine à spirale est bien plus petite que la capacité intrinsèque de l’élément piézoélectrique. (3) Les résistances associées aux résonances mécaniques sont suffisamment petites pour être ignorées (ou elles peuvent être réunies dans la résistance à l'amortissement).

Le circuit simplifié obtenu est une boucle simple comportant la source 402, l'inducteur 404, une résistance équivalente 456 et un condensateur équivalent 458. La résistance équivalente 456 est la somme des résistances 406 et 416. Le condensateur équivalent 458 est la somme des condensateurs 418, 421, 428 et 438. La représentation du fonctionnement de ce circuit par le rapport de la tension aux bornes de l’élément piézoélectrique Vpzt à la tension induite dans la bobine Vsrc donne :

(1) où L représente l'inductance de l'inducteur 404, R est la résistance de la résistance 456, C la capacité du condensateur 458, j la racine carrée de - 1 et f la fréquence du signal. Une simulation exacte du circuit équivalent a vérifié l'exactitude de cette relation.

Pour relier la tension aux bornes de l’élément piézoélectrique au champ électromagnétique, nous avons d'abord noté que la densité du champ magnétique B est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique H.

(2) où μο représente la perméabilité du vide (4π.1(Γ7 H/m). Pour une bobine à N tours de surface de boucle en coupe transversale A, la tension induite par une densité de flux magnétique B vaut :

(3) où peff est la perméabilité efficace de la matière à l’intérieur de la bobine et où Θ représente l'angle entre l'axe de la bobine et la direction du champ magnétique. Cela se traduit par une sensibilité de champ détecteur valant :

(4)

La figure 5 compare trois graphiques de sensibilité. La courbe 502 représente la sensibilité d’une bobine d'antenne seule (c.-à-d., Veff/B). La courbe 504 représente la sensibilité des détecteurs d'inductance à résonance représentée par les circuits équivalents ci-dessus. On notera que l'emploi de résonance amplifie nettement la réponse du détecteur aux champs EM, au moins dans la bande de fréquence choisie. La courbe 506 représente la sensibilité du même détecteur avec une résistance accrue à l'amortissement. La fréquence de résonance (c.-à-d. la fréquence à laquelle le pic se produit) vaut

(5) quand la bande passante à 3 dB du pic vaut

(6)

On effectue des expériences fondées sur des simulations pour analyser les effets causés par la variation des paramètres matériels et électriques susceptibles de se produire pour une variation importante de la température du détecteur. Pour une résistance nominale d'amortissement de 1 Ω, la fréquence de résonance observée pour passer de 2 kHz à 1,8 kHz quand la température augmente de 100 à 150 °C alors que la largeur de bande (400 Hz) et la sensibilité de pic (environ 7,3) restent pratiquement constantes.

La figure 6 montre un exemple de système de système d'interrogation susceptible de fonctionner en tant que partie de l'unité d'interface 128 pour mesurer les réponses des détecteurs d'inductance à résonance 141 à 144 vis-à-vis des champs électromagnétiques, en termes d'effets sur la fibre optique dans le câble 132. Le câble 132 est couplé à un circulateur 612 dans l'unité d’interface 128 (cf. figure 1) pour recevoir une séquence d'impulsions lumineuses d’interrogation et pour obtenir un signal de retour. L'unité d'interface 128 produit les impulsions lumineuses d'interrogation à l'aide d'un laser continu 602 et d'une porte 604 pour former une séquence d'impulsions dotée d'un espacement qui dépasse le temps d’aller-retour entre les premier et dernier transducteurs de détection optique 141, 144. (D'autres configurations de générateur à impulsions peuvent employer un amplificateur optique à semi-conducteurs ou « SOA ».)

Un compensateur 606 comprend un premier diviseur de faisceau 607 pour diriger chaque impulsion lumineuse le long de deux voies optiques et un deuxième diviseur de faisceau 610 pour recombiner la lumière à partir des deux voies. Comme les voies optiques ont des temps de propagation différents, chaque impulsion est convertie en une double impulsion. Une des impulsions est légèrement déviée en fréquence du fait de la présence d’un modulateur acoustico-optique 609 sur une voie. L'autre voie optique procure un retard optique 608 par rapport à la première voie pour créer la double impulsion. La largeur totale de la double impulsion ne doit pas dépasser le temps minimal de trajet aller-retour entre des transducteurs adjacents.

Les impulsions lumineuses se propageant le long du câble 132 rencontrent des imperfections de diffusion dans la fibre optique, qui amènent une petite fraction de lumière à revenir depuis chaque point le long de la fibre jusqu'au circulateur 612 avec un retard qui correspond à la position des imperfections de diffusion en ce point. La lumière reçue au niveau du circulateur est une combinaison de la lumière diffusée depuis les deux impulsions dans l'air soumis à des impulsions, et cette lumière interfère de manière constructive ou destructive en fonction de sa différence de phase. Un récepteur 620 mesure cette lumière d'interférence, en produisant un signal 628 qui représente le déphasage. Le signal 628 peut être produit grâce à un groupeur de puissance à 180° qui fait la différence entre les signaux issus des deux photodétecteurs 622, 624 qui détectent les composants de lumière transmise et réfléchie à partir d'un diviseur de faisceau.

En plus d'un déphasage à variation linéaire procuré par le modulateur acoustico-optique 609, la différence de phase associée au segment de fibre optique entre les deux points de diffusion associés à la paire d'impulsions dépend de la déformation régnant dans ce segment de fibre. Par division du signal de mesure en fenêtres pour chaque segment et par suivi de la phase provenant de chaque fenêtre en fonction du temps, l'unité d'interface peut suivre la déformation en fonction du temps pour chaque segment. (On utilise une démodulation cohérente pour supprimer le déphasage variable introduit par le modulateur acoustico-optique). Pour les segments comprenant un transducteur, la mesure de déformation représente les réponses filtrées de détecteur aux champs électromagnétiques dans les antennes à spirale.

Nous notons ici que la déformation dans d'autres segments peut aussi être suivie pour permettre une surveillance distribuée d'autres paramètres affectant la déformation, par ex. la pression, la température. D'autres transducteurs discrets peuvent aussi être compris pour détecter d'autres paramètres de fond de puits, par ex. des signaux acoustiques, des concentrations en espèces chimiques, une atténuation de fluide, etc. Bien que les systèmes illustrés ne montrent que trois transducteurs, en principe, la seule limite sur le nombre de transducteurs peut être imposée par l'atténuation de lumière se propageant le long de la fibre. Certains modes de réalisation envisagés comprennent des centaines de détecteurs d'inductance à résonance sur une fibre optique donnée.

On connaît d'autres systèmes d'interrogation appropriés à fibre optique, et ils peuvent servir à mesurer les déformations sur fibre par chaque détecteur à induction résonante et dériver en conséquence les mesures de champs EM. Ces systèmes d'interrogation peuvent employer d'autres techniques pour effectuer des mesures interférométriques de phase des effets de l’élément piézoélectrique sur la bobine de fibre optique, y compris l'emploi de réflecteurs partiels en ligne (tels que des réseaux de Bragg ou des miroirs) et comprenant en outre d’autres , arrangèments de circuits interférométriques (tels que Fabry-Perot, Michelson, Mach-Zender et Sagnac) pour la matrice de détection. Pour chacun d'entre eux, l'unité d'interface peut coordonner le fonctionnement du système d'interrogation avec le fonctionnement des émetteurs EM, comme discuté ci-dessous.

On notera que l'essentiel de la description précédente sur les détecteurs à fibre optique a des fins d'explication. D'autres modes de réalisation de système emploient des détecteurs à induction résonante qui communiquent des signaux de télémétrie à l'unité d'interface par des conducteurs électriques dans le câble 132. Ces détecteurs peuvent aussi être alimentés par le câble 132 pour numériser les mesures du signal de tension induite telle qu'amplifiée par un circuit résonant, et pour transmettre ces mesures sous forme de signaux numériques multiplexés de télémétrie numérique.

Revenons brièvement à la figure 1, et notons que les détecteurs sont positionnés dans différentes régions de la formation souterraine, et leurs performances sont liées aux différentes résistivités de ces diverses régions. Quand par exemple le détecteur 142a mesure des champs EM issus de l'émetteur 156a, l'atténuation des signaux est déterminée par la distribution de la résistivité dans la région entre celui-ci et l'émetteur. De même, ces mesures de champs depuis le détecteur 156b et 156c sont affectées par la distribution de la résistivité des régions entre celui-ci et ces émetteurs.

Concernant les principes illustrés à la figure 7, ces effets d'atténuation peuvent être modélisés par introduction du détecteur dans une formation homogène infinie présentant une « résistivité effective » dérivée de la distribution réelle des résistivités de la région concernée. Pour un espacement et pour un arrangement donné d'émetteur-récepteur, le signal reçu s'atténue avec la constante de décroissance exponentielle qui est proportionnelle à la racine carrée de la résistivité effective, et inversement proportionnelle à la fréquence. De plus, la réponse d’une bobine d'antenne est proportionnelle au carré de la fréquence. La figure 7 montre la dépendance obtenue en fréquence de l'amplitude du signal de réception pour un arrangement arbitraire d'antenne d'émission-réception. Les courbes 702 à 712 représentent les réponses pour des résistivités effectives de 10'1, 10°, 101, 102, 103et 104 Q.m, respectivement. Notamment, les fréquences optimales de signal sont proportionnelles à la résistivité.

Un autre changement notable de la figure 7 est que les courbes de réponse pour des résistivités plus élevées dépassent toujours celles correspondant à des résistivités moindres. Ainsi, à chaque fois qu'un détecteur est associé à de multiples régions présentant des résistivités effectives nettement différentes, la fréquence optimale de signal pour ce détecteur est une fréquence qui maximise la courbe de réponse pour la région présentant la plus petite résistivité effective.

La figure 8 représente un organigramme d'un exemple de procédé de surveillance EM utilisant des détecteurs à induction résonante correspondant à la formation. Le procédé commence au bloc 802 par la dérivation d'un modèle de la distribution de résistivité pour la formation souterraine. Ce modèle peut dériver d'études sismiques interprétées et de diagraphies de puits. Au bloc 804, le modèle est augmenté par les positions de tout émetteur existant ou envisagé. Ces positions ainsi que la distribution de résistivité effective sont généralement disponibles dans une base de données de connaissances pour la région du champ pétrolifère. L'ordinateur détermine ensuite les positions envisagées du détecteur, éventuellement avec l'assistance de l’utilisateur. Dans au moins certains modes de réalisation, les positions sont espacées régulièrement le long de la trajectoire d'au moins un trou de forage.

Dans le bloc 806, l'ordinateur emploie le modèle de distribution de la résistivité pour modéliser la propagation des signaux de chacun des émetteurs à chacune des positions de détecteur, en déterminant quelles positions de détecteur sont dans la classe de quels émetteurs et les résistivités effectives associées aux voies partant de chaque émetteur vers chaque position de détecteur. Au bloc 808, on analyse les résistivités effectives associées à chaque position de détecteur pour déterminer la fréquence optimale de signal pour chaque position de détecteur et l'on indique ces fréquences optimales à l'utilisateur.

Au bloc 810, on syntonise la fréquence de résonance de chaque détecteur à la fréquence optimale pour sa position de détecteur. On souhaite que cette syntonisation soit effectuée manuellement avant le déploiement de la matrice de détecteurs dans le trou de forage, mais dans d'autres modes de réalisation du système, la syntonisation peut avoir lieu électroniquement après déploiement. Quoi qu'il en soit, cette syntonisation adapte le détecteur à sa formation environnante.

Au bloc 812, une équipe déploie le câble de détection avec une matrice intégrée de détecteurs à induction résonnante au fond du puits. Dans au moins certains modes de réalisation, le câble est attaché à un carter alors que le train de tubage est assemblé et descendu dans un puits de forage avant d'être cimenté en place. L'équipe peut en outre achever le puits, en effectuant toute opération nécessaire de perforation, de traitement, d'équipement et de conditionnement pour optimiser la production. Le puits peut sinon être un puits d'injection ou un « puits sec » créé uniquement pour la surveillance.

On envisage aussi d'autres déploiements, en particulier l’intégration en un train de forage câblé permettant la diagraphie pendant le forage, et comprenant en outre un déploiement dans le puits dans le cadre d'une ligne câblée soutenant une sonde de ligne câblée. Les détecteurs à induction résonante sont interrogés par le câble détecteur, qui peut aussi transporter de l'énergie électrique pour des émetteurs, et qui peut en outre procurer des voies optiques ou électriques . pour une télémétrie numérique. Une fois que le déploiement est achevé, le câble de détection est attaché à une unité d'interface pour interrogation.

Au bloc 814, l’unité d'interface active au moins un émetteur EM choisi. Dans certains modes de réalisation, les émetteurs EM sont activés à tour de rôle pour qu'un seul à la fois ne fonctionne. Dans d’autres modes de réalisation, les émetteurs EM sont conçus pour moduler leurs signaux de manière reconnaissable (par ex. grâce à un multiplexage à division de fréquence ou de code), ce qui permet à de multiples émetteurs EM de fonctionner à la fois. Certains modes de réalisation envisagent l'emploi d'un signal à bande large ou une fréquence porteuse balayée pour au moins l'activation initiale de chaque émetteur, ce qui permet à l'unité d'interface d’identifier la fréquence de résonance de chaque transducteur et éventuellement d'adapter les émissions EM suivantes en conséquence.

Au bloc 816 pour les matrices de détecteurs fondées sur des fibres optiques, l’unité d'interface produit un faisceau laser qui peut éventuellement être à impulsions ou modulé pour permettre le multiplexage de réponses à partir de multiples transducteurs dans le signal de retour. Au bloc 818, les au moins un détecteurs à induction résonante modifient la déformation dans la fibre optique, ce qui modifie le temps de parcours et la phase de la lumière qui passe en fonction d'un signal filtré dérivé de la réponse d'antenne à spirale aux champs EM. Au bloc 820, l'unité d'interface mesure la lumière modifiée, en utilisant de préférence une mesure de phase interférométrie. Au bloc 822, l'unité d'interface numérise le signal de mesure et associe les mesures aux divers détecteurs. L'unité d'interface répète les blocs 814 à 822 pour mesurer la réponse de chaque détecteur à chaque émetteur, et en outre pour suivre ces réponses en fonction du temps. Au bloc 824, l'ordinateur calcule les mesures pour dériver les diagraphies des champs EM par chaque détecteur ou les mesures liées telles que des cartes tomographiques d'impédance de formation, des diagraphies de distance du front fluide, etc., qui sont ensuite affichées à un utilisateur pour permettre une surveillance à long terme du statut de réservoir.

La matrice de détecteurs à induction résonante a de faibles exigences en matière de puissance, ce qui la rend intrinsèquement sûre, conforme à diverses normes électriques liées au champ pétrolifère comprenant la norme d'interface de puits intelligent (IWIS) et s’avère particulièrement appropriée pour des environnements de puits offshore disposant d'une électricité disponible limitée depuis des installations sous-marines. Dans au moins certains modes de réalisation, les émetteurs peuvent se trouver au fond du puits et être alimentés par des batteries, des turbines de fond de puits ou d’autres alimentations électriques intégrées. Le système convient également pour une utilisation dans des environnements acides ou basiques à haute pression et à haute température, et peut tolérer une vibration continue pendant une période prolongée. ' Les modes de réalisation décrits ici comprennent donc : A : Un système de surveillance électromagnétique qui comprend : un câble disposé le long d'un puits de forage à travers une formation souterraine comportant de multiples régions de différentes résistivités ; une matrice de détecteurs à induction résonante espacés le long du câble ; et une unité d'interface qui recueille les mesures de champ électromagnétique depuis les détecteurs à induction résonante présents dans la matrice, chacune des multiples régions étant associée à au moins un détecteur à induction résonante présent dans la matrice, et où chaque détecteur à induction résonante a une fréquence de résonance qui est fondée au moins en partie sur la sensibilité associée de la région. ### B : Procédé de surveillance des propriétés électromagnétiques d'une formation souterraine, le procédé comprenant : l'obtention d'un modèle de distribution de résistivité dans la formation souterraine ; l'identification de positions de détecteurs le long d’un trou de forage dans la formation souterraine ; la détermination d'une résistivité effective de chaque région associée à chaque position de détecteur ; la dérivation à partir des résistivités effectives des régions associées à chaque position de détecteur d'une fréquence optimale de résonance pour un détecteur en cette position de détecteur ; la syntonisation d'une matrice de détecteurs pour donner à chaque détecteur la fréquence optimale de résonance pour cette position de détecteur : le déploiement de la matrice de détecteurs dans le trou de forage ; et le rassemblement des mesures de champ électromagnétique à partir des détecteurs dans la matrice. C : Un détecteur à induction résonante qui comprend : une antenne à spirale positionnée dans une formation souterraine présentant une certaine résistivité, l’antenne spirale produisant un signal à tension induite à partir d'un champ électromagnétique dans la formation souterraine ; et un circuit de modulation résonant qui convertit le signal induit de tension en un signal de télémétrie, le circuit de modulation résonant ayant une fréquence de résonance optimisée pour ladite résistivité.

Chacun des modes de réalisation A, B et C peut avoir une ou plusieurs des caractéristiques supplémentaires, selon une combinaison quelconque : (1) au moins un émetteur de signaux électromagnétiques à bande large, l'unité d'interface déterminant une réponse de chaque détecteur à induction résonante à chacun desdits émetteurs. (2) au moins un émetteur qui émet un signal électromagnétique à bande étroite avec une fréquence porteuse ajustable, avec une unité d'interface qui détermine une réponse à chaque détecteur à induction résonnante dont la fréquence de résonance est à peu près égale à la fréquence porteuse. (3) un câble qui contient au moins un conducteur électrique, et chacun des détecteurs à induction résonante produit un signal de détecteur par le conducteur électrique à l'unité d'interface. (4) un câble qui contient une fibre optique, et chacun des détecteurs à induction résonante module une contrainte dans la fibre en fonction d'un champ électromagnétique détecté. (5) une unité d'interface qui transmet des impulsions lumineuses le long de la fibre optique et qui dérive une phase de signal interférométrique à partir de la lumière rétrodiffusée pour suivre le signal à partir de chaque détecteur présent dans la matrice. (6) un circuit de modulation résonante qui contient : un élément piézoélectrique qui se déforme en réponse à une tension appliquée ; et un filtre de syntonisation couplé à l’antenne spirale et à l’élément piézoélectrique pour produire la tension appliquée depuis ledit signal de tension induite. (7) un filtre de syntonisation qui comprend un condensateur variable pour ajuster la fréquence de résonance. (8) une fibre optique mécaniquement couplée à l’élément piézoélectrique, l’élément piézoélectrique modifiant une déformation de la fibre optique en fonction de la tension appliquée. (9) un signal de télémétrie qui est transporté vers une unité d'interface sous forme de modulation de phase d'un signal optique dans la fibre. (10) un filtre de syntonisation qui comprend en outre une résistance à l'amortissement qui donne au détecteur une largeur de bande de réponse souhaitée. (11) des fonctions comprenant : le déclenchement d'au moins un émetteur de signaux électromagnétiques, ledit rassemblement comprenant la mesure d’une réponse de chaque détecteur de la matrice à chacun desdits au moins un émetteur. (12) ledit déclenchement comprenant l'ajustement de la fréquence porteuse pour avoisiner au moins une desdites fréquences optimales de résonance. (13) le dit rassemblement comprenant l'emploi du conducteur électrique pour obtenir des signaux de données électriques depuis lesdits détecteurs. (14) ledit rassemblement comprenant la dérivation des mesures à partir de chaque détecteur par mesure de la lumière rétrodiffusée à partir des impulsions lumineuses. (15) la fréquence optimale de résonance pour une position de détecteur est proportionnelle à une résistivité minimale effective des régions associées à cette position de détecteur.

De nombreuses modifications et variations seront apparentes aux spécialistes du domaine une fois que la description susmentionnée aura été totalement comprise. Par exemple, les figures montrent des arrangements de système convenant pour la surveillance de réservoirs (en particulier en réponse à des opérations améliorées de récupération de pétrole ou de drainage par gravité assistée par de la vapeur), mais ils sont aussi facilement utilisables pour des opérations de traitement, des opérations de cimentation, une surveillance de fluide de l’espace annulaire et une surveillance de la séquestration de C02 ou des eaux usées. Bien que la description qui précède se concentre sur une surveillance permanente, les techniques décrites peuvent aussi être facilement adaptées à des applications de ligne câblée et de diagraphie pendant le forage. Les revendications suivantes visent à couvrir ces variantes dans la mesure du possible.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS REVENDICATIONS :

   1. Un système de surveillance électromagnétique qui comprend : un câble disposé le long d'un trou de forage à travers une formation souterraine comportant de multiples régions de différentes résistivités ; une matrice de détecteurs à induction résonnante espacés le long du câble ; et une unité d'interface qui rassemble des mesures de champ électromagnétique à partir des détecteurs à induction résonnante présents dans la matrice, dans lequel chacune des multiples régions est associée à au moins un des détecteurs à induction résonante présents dans la matrice, et dans lequel chaque détecteur à induction résonante a une fréquence de résonance qui est fondée au moins en partie sur la sensibilité de la région associée.
2. 2. Système selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un émetteur de signaux électromagnétiques à bande large, l'unité d'interface déterminant une réponse de chaque détecteur à induction résonante à chacun desdits émetteurs.
3. 3. Système selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un émetteur qui émet un signal électromagnétique à bande étroite avec une fréquence porteuse ajustable, avec une unité d'interface qui détermine une réponse à chaque détecteur à induction résonnante dont la fréquence de résonance est à peu près égale à la fréquence porteuse.
4. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel le câble contient au moins un conducteur électrique, et chacun des détecteurs à induction résonante produit un signal de détecteur par le conducteur électrique à l'unité d'interface.
5. 5. Système selon la revendication 1, dans lequel le câble contient une fibre optique, et chacun des détecteurs à induction résonante module une contrainte dans la fibre en fonction d'un champ électromagnétique détecté.
6. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel une unité d'interface transmet des impulsions lumineuses le long de la fibre optique et dérive une phase de signal interférométrique à partir de la lumière rétrodiffusée pour suivre le signal à partir de chaque détecteur présent dans la matrice.
7. 7. Procédé de surveillance des propriétés électromagnétiques d'une formation souterraine, le procédé comprenant : l’obtention d'un modèle de la distribution de résistivité dans la formation souterraine ; l'identification de positions de détecteur le long d'un trou de forage dans la formation souterraine ; la détermination d'une résistivité effective de chaque région associée à chaque position de détecteur ; la dérivation, à partir des résistivités effectives des régions associées à chaque position de détecteur, d'une fréquence optimale de résonance pour un détecteur dans cette position de détecteur ; la syntonisation d'une matrice de détecteurs pour donner à chaque détecteur la fréquence de résonance optimale pour cette position de détecteur ; le déploiement de la matrice de détecteurs dans le trou de forage ; et le rassemblement de mesures de champ électromagnétique à partir des détecteurs présents dans la matrice.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant également : le déclenchement d'au moins un émetteur de signaux électromagnétiques, ledit rassemblement comprenant la mesure d'une réponse de chaque détecteur de la matrice à chacun desdits au moins un émetteurs.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit au moins un émetteur émet un signal électromagnétique à largeur de bande suffisant à inclure l'ensemble desdites fréquence de résonance optimales.
10. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ledit au moins un émetteur produit un signal électromagnétique ayant une fréquence porteuse ajustable, et dans lequel ledit déclenchement comprend l'ajustement de la fréquence porteuse pour avoisiner au moins une desdites fréquences optimales de résonance.
11. 11. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite matrice de détecteurs est attachée à un câble comprenant au moins un conducteur électrique, et où ledit rassemblement comprend l'emploi du conducteur électrique pour obtenir des signaux de données électriques depuis lesdits détecteurs.
12. 12. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ladite matrice de détecteurs est attachée à un câble contenant au moins une fibre optique, et dans lequel chacun desdits détecteurs module une contrainte dans l'au moins une fibre en fonction d’un champ électromagnétique détecté.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel ledit rassemblement comprend la dérivation des mesures à partir de chaque détecteur par mesure d'une phase de la lumière rétrodiffusée à partir des impulsions lumineuses.
14. 14. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la fréquence optimale de résonance pour une position de détecteur est proportionnelle à une résistivité minimale effective des régions associées à cette position de détecteur. '15. Détecteur à induction résonante qui comprend : une antenne à spirale positionnée dans une formation souterraine présentant une certaine résistivité, l’antenne spirale produisant un signal à tension induite à partir d'un champ électromagnétique dans la formation souterraine ; et un circuit de modulation résonant qui convertit le signal induit de tension en un signal de télémétrie, le circuit de modulation résonant ayant une fréquence de résonance optimisée pour ladite résistivité.
15. 16. Détecteur selon la revendication 15, dans lequel le circuit de modulation à résonance comprend : un élément piézoélectrique qui se déforme en réponse à une tension appliquée ; et un filtre de syntonisation couplé à l’antenne spirale et à l’élément piézoélectrique pour produire la tension appliquée depuis ledit signal de tension induite.
16. 17. Détecteur selon la revendication 16, dans lequel le filtre de syntonisation comprend un condensateur variable pour ajuster la fréquence de résonance.
17. 18. Détecteur selon la revendication 16, comprenant en outre une fibre optique mécaniquement couplée à l’élément piézoélectrique, l’élément piézoélectrique modifiant une déformation de la fibre optique en fonction de la tension appliquée.
18. 19. Détecteur selon la revendication 18, dans lequel le signal de télémétrie est transporté vers une unité d'interface sous forme de modulation de phase d'un signal optique dans la fibre.
19. 20. Détecteur selon la revendication 16, dans lequel le filtre de syntonisation comprend en outre une résistance à l'amortissement qui donne au détecteur une largeur de bande de réponse souhaitée.