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L';nvention a pour objet une methode pour corriger des
mesures magnetiques faites dans le but de determiner l'inclinaison et
l'az;mut d'un puits traversant une format;on souterraine, par un outil
qui y est déplacé. La methode convient en particulier pour corr;ger
des mesures faites par une sonde intercalee entre un outil de ~orage
et la garniture qui le relie à une installation de surface. La methode
selon l'invention permet par exempLe de tenir compte du champ
magnet;que parasite créé par la garniture de forage, qu; vient se
superposer au champ magnétique terrestre~
Des exemples d'art antérieur dans le domaine de la mesure
de l'orientation de puits sont decrits dans les brevets US 4 435 454
4 472 884 4 559 713, 4 819 336 etc.
Au cours du forage de puits et notamment de pu;ts profonds
plus ou moins devies~ on cherche habituellement à déterminer avec
precision l'angle d'inclinaison du puits ains; que son azimut~ A cet
effet, on utilise un appareil de mesure inclus dans une garniture
(drill string) intercalée au-dessus de l'outil de forage.
Cet appareil comporte generalement trois magnetomètres pour
la mesure de composantes du vecteur champ magnétique local, su;vant
trois directions orthogonaLes Ox, Oy, Oz. L'un des axes Oz est
parallèle à l'axe de l'outil et de la garniture de forage. les deux
autres, Ox, Oy sont dans un plan orthogonal a l'axe de la garniture et
leur orientation par rapport à la verticale est cluelconque. Suivant
ces trois mêmes axes, on d;spose également trois acceleromètres pour
determiner les composantes Gx, Gy, Gz du vecteur local de grav;tat;on.
les mesures des acceleromètres permettent de calculer l'inclinaison I
de l'outil et son orientation souvent designee par TF (pour Tool
.
.
. ~ . . :
: :
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face), qui est l'angle entre l'axe Ox et le plan vertical. En
combinant les mesures Px, By, 8z des trois magnl~tomètres avec les
valeurs de I et TF obtenues, on peut calculer l'azimut de l'outil et
donc du pu;ts, qui est l'angle entre les projections dans le plan
horiæontal, de l'axe de l'outil et du champ magnetique.
La garniture de foraye qui est métallique, se magnetise
sous l'influence du champ magnetique terrestre. Elle créet de ce fait,
un champ magnetique parasite qui se superpose au champ terrestre et
fausse les mesures. Pour minimiser l'influence parasite, on intercale
l'outil de mesure dans une certaine longueur de masse-tiges en
materiau non magnetique. La perturbation résiduelle P due aux parties
magnetiques plus éloignees de la garniture, est alors supposee
parallèle ~ l'axe de la garniture ~Fig. 5).
En fait, on observe souvent l'existence d'une magnetisation
locale ("hot spots") de tiges reputees non magnétiques. ~e champ cree
par ces anomalies n'est pas dans le cas géneral, parallèle à l'axe de
la garniture. On est donc conduit à considerer le cas d'une
perturbation magnetique P tFig. 6 ) de direction queLconque pourvue
d'une composante axiale (perturbation axiale) suivant Oz mais aussi
une composante radiale (perturbation radiale) orthogonale à la
precedente.
Dans le brevet US 4 163 324, est decrite une méthode pour
éliminer les erreurs dues a une perturbation magnetique dans le cas où
l'on peut supposer que celle-ci est purement axiale.
Dans le cas justifie dans la pratique ou l'on ne peut pas
faire d'hypothèse sur la direction du champ perturbateur, on peut
utiliser une méthode decrite dans le brevet US 4 682 421 et qui
consiste essentiellement à eliminer son influence en faisant tourner
l'appareil de mesure suivant son axe qui est sensiblement parallèle à
la direction locale d'allongement du puits et, pour des positions
angulaires differentes réparties sur 360, à mesurer les composantes
du vecteur champ magnétique. Par comparaison des mesures effectuées
suivant plusieurs orientations differentes~ on peut eliminer la
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composante transversale de la la perturbat;on magnet;que.
Lorsque l'outil de forage est relie à une installation de
manoeuvre en surface par une garniture rigide que l'on allonge
progressivement par fixation de sections de t;ges, la méthode de
S mesure ment;onnee ci-dessus peut être mise en oeuvre par exemple aumoment des allongements de la colonne~ La progression de l'outil est
interrompue. On fait tourner la colonne sur elle-même et avec elle les
instruments de mesure. Leurs posit;ons success-ives sont réparties
suivant un cercle dans un plan tranversal à la direction d'allongement
du puits. Des mesures sont repétees pour differentes positions
angulaires success;ves au même emplacement long;tud;nal du puits.
Chaque séquence de mesure est relativement longue, de
l'ordre dlune dizaine de minutes par exemple. La multiplicité des
mesures à faire à chaque emplacement d'arrêt a pour conséquence un
ralentissement certain dans la vitesse d'avancement du forage si
chaque sequence est repetée à intervalles réguliers. Le stationnement
de l'outil presente un autre inconvenient dans le cas relativement
fréquent où l'on pratique un turbo-forage. L'outil est mu par une
turbine de fond entraînee en rota~ion par un courant de boue circulant
dans la garniture de forage et dans l'annulaire entre celle-ci et le
puits. La rotation de l'appareil de mesure lie à l'outil de forage,
d'une position angulaire à la suivante, necessite l'entretien d'un
courant de boue qui a tendance à élargir le puits et créer dans
celui-ci des zones d'instabilite.
La méthode selon l'invention permet de corriger des mesures
magnetiques faites dans le but de determiner l'azimut d'un puits
traversant une formation souterraine, par un outil qui y est déplace
et notamment par un outil de mesure intercalé sur une garniture rigide
reliant un outil de forage à une installation de surface, comportant
l'utilisation d'un ensemble de mesure comprenant des moyens de mesure
magnétiques des composantes (Bx, sy, Bz) du champ magnetique regnant
localement au voisinage de l'outil de forage, en tenant compte du
champ magnetique perturbateur (P) crée par la présence de la garn;ture
rigide, et des moyens de mesure des composantes (Gx, Gy, Gz) de
,,
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l'acceleration de la pesanteur.
La methode est caractérisee en ce que
- la mesure desdites composantes est effectuee en arrêtant l'outil au
cours de sa progression dans le pu;ts en une success;on de positions
d'arrêt longitudinalement decalees les unes par rapport aux autres~
les positions angulaires successives de l'ensemble de mesure dans
lesd;tes posit;ons d'arrêt etant aleato;res; et
- la determ;nation du champ magnet;que perturbateur comporte
l'appl;cat;on d'une methode statistique pour prendre en compte les
mesures effectuées par ledit ensemble de mesure dans lesdites
positions angulaires aléatoires prises par l'outil de mesure~
Su;vant un prem;er mode de m;se en oeuvre, la methode
comporte la determinat;on de la correction rad;aLe à apporter, en
determ;nant une valeur moyenne sur un intervalle f;xé, des composantes
rad;ales du champ magnet;que perturbateur par une corrélat;on entre
une quantité dependant du carre de l'intens;té du champ mesuré par
led;t ensemble de mesure, et une ser;e de mesures des composantes
rad;ales du champ perturbe effectuées auxd;tes pos;t;ons d'arrêt
aleato;res de l'outil de mesure.
Lad;te correlation compor~e par exemple un calcul de
regression entre d'une part une quant;té egale à la difference entre
le carré de l';ntensité du champ perturbe (R) et le carre de
l'intens;te (Bo) du champ magnét;que régnant dans le puits en
l'absence de perturbation induite par la garn;ture rigide, et d'autre
part les composantes du champ perturbe.
Su;vant un deux;ème mode de mise en oeuvre, on determine la
correct;on rad;ale à apporter, en determinant une valeur moyenne sur
un intervalle fixe~ des composantes radiales du champ perturbateur,
par une mise en corrélation d'un ecart entre les projections sur un
plan hor;zontal du champ perturbe et du champ magnétique en l'absence
de perturbation d'une part, et des composantes radiales de
l'accéleration de la pesanteur effectuees auxdites positions d'arrêt
aleatoires de l'outil de mesure.
La methode definie ci-dessus peut comporter en outre la
~ ~ 7~ 7
determination de la correction ax;ale à apporter qu; m1nimise la
difference entre le champ magn~tique corrige et le champ magnbt;que
non perturbe.
La methode selon l'invent;on supprime, dans le cadre d'une
appl;cat;on au forage, par exemple, beaucoup des contraintes
operationnelles imposees par les mesures faites avec un out;l
stationnant dans un puits. Il n'est pas nécessaire, pour l'acquisition
de diff~rentes mesures angulairement d;st;nctes les unes des autres,
de fa;re des stations prolongées de l'outil de forage à un mème n;veau
de profondeur, qui, on le sait, peuvent déstabiliser le puits. Il
suff;t d'arrêter tempora;rement la rotation de l'outil de frJrage dans
une position angulaire aleatoire au cours de sa progression pour ~a;re
des mesures et de répeter la même operation à plusieurs profondeurs
successives. Les contra;ntes sont encore diminuees si l'on prof;te
d'interruptions imposees dans les opérations de forage, telles que par
exemple le raccordement de sections supplémentaires à la colonne de
forage pour faire progresser plus avant l'outil de forage.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du
dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la
description ci-après d'un mode de realisation decrit à titre d'exemple
non lim;tatif, en se reférant aux dessins annexes où
- la Fig.1 montre schématiquement un outil de forage dans un puits,
surmonté d'un appareil de mesure;
- la Fig.2 montre une représentation de vecteurs magnétiques dans le
plan vertical du champ magnétique;
- la Fig.3 est un schéma vectoriel montrant la trace du plan vertical
contenant l'outil et l'angle TF definissant son or;entation;
- la Fig.4 est un schéma vectoriel montrant l'angle d'azimut A
recherché;
- la Fig.5 montre schématiquement un outil de mesure intercalé entre
des masse-tiges amagnétiques; et
- la Fig.6 montre la perturbation magnetique creee par l'existence
locale d'un défaut dans une masse-tige non magnetique.
Un outil de mesure 1 est intercale sur une garniture rigide
,, , ~
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2 reliant un out;l de forage 3 à une installat;on de ~orage non
représentee. Dans l'outil de mesure 1 est place un ensemble de mesure
4 de l'acceleration de la pesanteur et du champ magnet;que. Cet
ensemble ~ comporte par exemple tro;s acceleromètres pour mesurer les
composantes Gx, Gy, Gz de l'acceleration de la pesanteur G suivant
trois axes orthogonaux OX,OY, OZ~ L'a~e OZ est parallèle à l'axe de la
garniture 2, et les axes OX et OY sont f;xes par rapport à l'out;l de
mesure et à la garniture. L'ensemble de mesure 4 comporte aussi trois
magnetomètres pour mesurer su;vant les memes axes, les composantes du
champ magnetique terrestre Bo. En l'absence de champ perturbateur, on
sait obtenir l'azimut du puits 5 par une combinaison des composantes
de l'acc~lération G et du vecteur Bo. On calcule d'abord l'inclinaison
I de l'outil et son orientation designee souvent par TF (pour Tool
Face Angle), par les deux relations suivantes :
tg I = ~ tGz et
tg TF = - Gy/Gx
L'azimut A du puits est l'angle entre les projections dans
le plan horizontal du champ magnétique terrestre non perturbe BO et
l'axe de la garniture OZ. Il est calculé à partir des mesures brutes
Box, Boy, Boz effectuees respectivement par les trois magnetomètres,
de l'inclinaison I et de l'angle TF par la relation :
tg A = -B'y/ ~Bo2 sin I + 3'x cos I) (1)
sachant que les valeurs de B'x et B'y sont obtenues par les
relations :
B'x = 80x cos TF - Boy sin TF (2) et
B'y = Box sin TF ~ Boy cos TF (3)
Dans l'application decrite, on doit tenir compte de la
perturbation magnetique apportee par un defaut local possible d'une
des masse-tiges voisine de l'outil de mesure, qui fausse les calculs
précedents. Dans ce qui suit, so designera l'intensite du champ
magnetique terrestre dont les composantes suivant les trois axes sont
Box, 80y et Boz, Do designera son angle de pendage et P la
perturbation magnétique de coordonnees Px, Py, Pz.
La méthode de correction d'azimut selon l'invention
:
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comporte d'abord une determinat;on de la correction rad;ale
apporter. En tenant compte de la perturbation, les composantes Bx, ~y,
Bz du cha~p magnetique mesurees par les trois magne-tomètres sont
respect;vement :
Bx = Box + Px
By = Boy + Py
Bz = Boz + Pz
Su;vant une première var;ante de la méthode selon
L';nvention, on détermine la correction radizle en cherchant une
valeur moyenne sur un intervalle ~ixe, des composantes Px, Py de la
perturbation et des composantes Bx, ay du champ perturbe, et ce~i par
une corr~lation entre le carre de l'intensite du champ mesure et une
série de mesures des composantes Bx, By obtenues de façon aléatoireD
Cette série est obtenue dans la presente méthode en
arrêtant l'outil dans des positions angulaires aleatoires. L'arret de
l'outil peut se faire à n'importe quel moment de la progression de
l'outil. Dans le cas d'un forage du type rotary, on peut proFiter des
arrêts imposes au cours des opérations de forage pour l'adjonct;on de
nouvelles tiges à la garniture, en sachant que la position angulaire
occupée par l'outil au moment de ces pauses est tout à fait aleatoire.
La relation suivante :
B = (Box+Px) + (Boy+Py) + (Boz~Pz)
entre le champ Bo, le champ perturbé B et la perturbat;on P, s'écrit
encore :
B2 = Bo2 + 2(Px.Box + Py.Boy ~ Pz.Boz) ~ P .
La per~urbation P etant géneralement petite devant le champ terrestre
Bo, on peut négliger les termes du 2e ordre et ecrire la relation
précedente sous la forme :
B2 _ Bo2 = 2(Px.Bx + Py.By + Pz.Bz).
L'angle d'orientation TF varie rapidement d'une mesure à la
suivante du fait de la rotation de la garniture. Les axes Ox, Oy
tournant avec elle, les projections Bx, By du champ magnetique sur ces
axes changent vite et de façon aleatoire sur un ensemble de mesures.
Par contre, comme l'axe Oz reste parallèle à la direction du puits, la
',
'
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variation de la composante Bz est beaucoup plus lente et regul;ère.
D'autre part, la perturbation magnetique etant generee par la
garn;ture, ses composantes Px, Py, Pz dans un repère qui lu; est li~,
sont constantes.
Sur l'ensemble de mesures effectuees, il est donc justifie
de considerer que
- Bx et 8y sont des var;ables aleatoires ;ndependantes,
_ B2 est une variable aleatoire dépendante de Bx et By,
- Px et Py sont les coefficients de regress;on correspondants, et
- Bo2 et Pz.Bz sont des termes constants.
On obtient donc une bonne approximation de Px et Py en
calculant la valeur de B2, pour chacune des mesures de la sér;e de
mesures effectuees au cours des arrêts aleatoires de l'outil, et en
effectuant un calcul de regression multiple sur les valeurs de B2 par
rapport à Bx et By de manière à déterminer Px et Py qui sont les
coefficients de regression recherchés.
Suivant une variante, la correction radiale à apporter est
calculee en utilisant la valeur du pendage D du champ perturbé que
l'on mesure au cours de la même serie d'arrêts aleatoires que
precedemmentO D etant le pendage du champ B, sa projection B.cos D
dans un plan horizontal s'obtient par la relation :
B.cos D = Gx.Bx + Gy.By + Gz.Bz
= Gx.(Box~Px) + Gy.(Boy+Py) + GZz.(Boz+Pz)
Comme Bo.cos 30 est egal a Gx.Box + Goy.Boy + Gz.Boz, il
resulte que l'ecart E = B.cos D et Bo. cos 30 entre les projections
s'exprime par :
E = PxoGx + Py.Gy + Pz.Gz
Par un calcul de régression analogue entre E d'une part et
Gx et Gy d'autre part, on obtient des coefficients de correlation que
l'on peut relier aux composantes Px et Py.
La correction radiale ayant ete calculée, on peut calculer
ensuite une valeur de la perturbation axiale Pz de façon à minimiser
la difference entre le vecteur champ magnetique corrige B-Pz et le
champ magnetique non perturbe B qui est connu.
,
.. :
_ 9 - ~?~t~ 7
Sur la Fig.2 qu; montre des vecteurs projetes dans un plan
vertical
- s' et D' representent respectivement l'intensite et le pendage de la
projection dans ce plan du champ magnetique mesure apr~s
incorporation des corrections Px et Py précedentes;
- Theta designe l'angle entre la project;on dans le même plan de l'axe
de la garn;ture et la verticale;
- Z designe la projection dans le même plan de l'axe de la garniture;
- Psi est la difference D' - theta; et
- P'z designe la projection de Pz dans le même plan.
On cherche la composante P'z telle que le vecteur Bo - ~8'
- P'z) lui soit orthogonal~ L'angle theta est lié a l'inclina;son I et
l'azimut mesuré A par la relation :
tg theta = tg I ~ cosA.
Les ecarts b = (Bo-B') et d = tDo-D') etant petitsr le
segment c (Fig.2) peut se calculer par la rela~ion c = b.d.
On calcule la projection P'z en projetant les segments b et
c sur la direction Oz ce qui conduit à la relat;on :
P'z = b.sin psi ~ c.cos psi.
P'z étant la projection de Pz sur le plan vertical du champ
magnetique on obtient finalement Pz par la_relation :
Pz = P'z/ ~(sin2 I cos2 A + cos I)
Ayant successivement calcule les composantes de la
perturbation Px et Py puis Pz on détermine les composantes Bx By et
Bz du vecteur B et en appl;quant les relations 1 à 3 precedentes
appliquees au vecteur B on peut determiner l'azimut exact A
recherché~
. . :
