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CA 02209423 1997-06-30
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DISPOSITIr ET MÉTHODE DE TRANSMISSION D'iNrORMA'I'IONS l'AR
ONDE ELECTROMAGNE'I'IQUE
La présente invention se situe dans le domaine des tests de production de
puits
forés dans une formation géologique, généralement dans le but d'évaluer
qualitativement et
quantitativement les effluents contenus dans la formation géologique traversée
par le
forage. Ce type de test, appelé "DST" pour "Drill Stem Test" est opéré
généralement en
cours de forage d'un puits d'exploration. On ne sortira cependant pas du cadre
de la
présente invention, si ces tests sont effectués dans des puits de production,
au début ou en
cours de la phase de production.
La présente invention concerne un dispositif pour transmettre, notamment en
temps réel, des informations de part et d'autre d'une vanne de test placée
dans une garniture
de tubes, communément appelée garniture de test, la garniture étant introduite
dans un
puits foré dans le sol, selon les procédures conventionnelles.
Il existe différents systèmes pour connaître en temps réel et depuis la
surface, les
pressions, températures, débits, etc. en un point d'un puits situé sous une
vanne de test
alors que cette vanne peut être ouverte ou fermée selon la phase
opérationnelle de ce test:
en débit (flowing) ou en remontée de pression (build up).
Certains systèmes utilisent un canal hydraulique situé dans la paroi du train
de
test, lequel met en communication le volume sous pression situé sous la vanne
de test
jusqu'à des jauges de mesure de la pression situées au-dessus de la vanne. Les
mesures
effectuées par ces jauges sont ensuite transmises vers la surface via un câble
électrique
connecté à un raccord comportant des moyens électroniques spéciaux. La
connexion se fait
par couplage au moyen d'un transformateur à mutuelle induction ou par une
boucle de
coûxant.
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D'autres systèmes utilisent une transmission acoustique dans le corps du train
de
test, par exemple selon le document WO 92/06278.
Les premiers systèmes présentent le principal inconvénient de nécessiter un
train
de test, et plus précisément une vanne de test comportant l'intégration d'un
passage
hydraulique. Ce type de réalisation est très complexe et très coûteux en
fabrication et en
maintenance. Par ailleurs dans ces systèmes, la connexion, électrique ou à
mutuelle
induction, du câble électrique reliant à la surface les moyens de mesures
situés au-dessus
de la vanne de test, s'avère très sensible à la nature du fluide situé à
l'intérieur du tube de
production. En particulier la transmission est très difficile lorsque les
fluides sont
conducteurs.
Le système illustré par le document WO 92/06278, nécessite également un
raccordement de type électrique entre le récepteur situé au-dessus de la vanne
et le câble
électrique. Que cette liaison soit réalisée par mutuelle induction ou par un
connecteur
électrique dans une ambiance liquide ("wet connector"), il en résulte les
mêmes
inconvénients que pour les autres systèmes connus.
De plus, dans ces solutions la distance de transmission est limitée
pratiquet~nent à
une longueur de tubes, soit une dizaine de mètres. Par conséquent le
connecteur fixé à
l'extrémité inférieure du câble électrique devra être obligatoirement
positionné à environ
une dizaine de mètres au dessus de la vanne de test. Dans le cas où le puits
produit un
effluent contenant du sable, celui-ci sédimente après la fermeture du débit
correspondant à
la fermeture de la vanne de test, formant ainsi un bouchon pouvant atteindre
plusieurs
dizaines de mètres de hauteur, ce qui peut empêcher le bon fonctionnement du
connecteur,
son ancrage ou son désancrage.
Ainsi la présente invention concerne un dispositif de transmission
d'information
entre le fond d'un puits et la surface du sol, ledit puits comportant un
ensemble de tubes
séparés en une partie inférieure et une partie supérieure par des moyens
d'obturation de
l'espace intérieur desdits tubes, des moyens d'étanchéité annulaire entre
lesdits tubes et
ledit puits. Dans le dispositif, ladite partie inférieure comporte un premier
ensemble
comportant des moyens d'acquisition d'informations et des moyens de
transmission et de
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réception de signaux électromagnétiques, un second ensemble de transmission et
de
réception de signaux électromagnétiques est placé dans l'espace intérieur de
la partie
supérieure des tubes par des moyens de manoeuvre comportant au moins une ligne
de
communication électrique ou optique remontant jusqu'à la surface et ledit
second ensemble
comporte des moyens de contact électrique avec lesdits tubes.
Les premier et second ensembles peuvent comporter des moyens d'injection d'un
courant électrique basse fréquence le long des tubes.
Le premier ensemble peut comporter un transformateur de forme torique
sensiblement concentrique à l'axe des tubes. La seconde partie du
transformateur peut être
l0 une spire unique constituée par les tubes se rebouclant par le casing ou
par le terrain.
Les moyens de manoeuvre peuvent être constitués par au moins une longueur de
câble à conducteurs coaxiaux et à armure extérieure métallique.
La partie supérieure des tubes peut comporter un moyen d'isolation électrique
placé entre deux éléments de tubes. Dans ce cas, au moins un des moyens de
contact entre
le second ensemble et les tubes est situé entre le moyen d'isolation et les
moyens
d'obturation.
Les moyens d'acquisition d'informations peuvent comporter au moins un capteur
de pression et un capteur de température.
Les moyens de manoeuvre du second ensemble peuvent comporter des moyens de
contact avec les tubes sur lesquels circule le courant électromagnétique,
lesdits contacts
étant avantageusement espacés de plusieurs mètres.
Le puits peut être cuvelé par un tubage métallique, et la portion de tubes
comprise
entre lesdits ensembles peut être partiellement isolée électriquement dudit
tubage par des
moyens de centrage.
Les tubes peuvent comporter au moins deux moyens de contact électrique avec le
tubage métallique, les contacts étant situés de part et d'autre de ladite
portion de tubes
centrés.
L'un des moyens de contact avec le tubage métallique peut être constitué par
lesdits moyens d'étanchéité annulaire.
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Les moyens d'acquisition d'information peuvent être télécommandés à partir de
la
surface par le canal de la ligne et de la transmission électromagnétique entre
lesdits deux
ensembles.
L'invention concerne également une méthode de transmission d'informations
entre
le fond d'un puits et la surface du sol, ledit puits comportant un ensemble de
tubes séparés
en une partie inférieure et une partie supérieure par des moyens d'obturation
de l'espace
intérieur desdits tubes, des moyens d'étanchéité annulaire entre lesdits tubes
et ledit puits,
des moyens d'acquisition d'informations. Dans la méthode, on transmet un
courant
électromagnétique porteur desdites informations de la partie inférieure à la
partie
supérieure par un premier ensemble placé sous lesdits moyens d'obturation et
un second
ensemble placé dans l'espace intérieur de la partie supérieure, et lesdites
informations sont
transmises à la surface par une ligne de communication électrique ou optique
reliant ledit
second ensemble à la surface du sol.
L'acquisition des informations peut être télécommandée à partir de la surface
par
le canal de ladite ligne et des second et premier ensembles.
On peut manoeuvrer ledit second ensemble au dessus des moyens d'obturation par
le moyen d'un câble coaxial du type "logging".
On peut communiquer de façon bi-directionnelle entre lesdits deux ensembles
par
l'injection d'un courant électrique sinusoïdal d'intensité et de fréquence
programmables, la
2o fréquence étant de préférence comprise entre 1 et 200 Hz.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus
clairement à la lecture des exemples qui suivent, nullement limitatifs, et
illustrés par les
figures ci-annexées, parmi lesquelles:
- La figure 1 illustre un schéma de principe du dispositif selon l'invention.
- La figure 2 illustre une autre mise en oeuvre du dispositif.
- La figure 3 est un schéma d'un ensemble du dispositif.
- La figure 4 montre le principe de l'émetteur/récepteur du type
transformateur.
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Sur la figure l, le dispositif objet de la présente invention comporte un
premier
ensemble 1 de communication équipé de moyens émetteur/récepteur et de divers
moyens
de mesure, notamment des capteurs de pression et de température. Le dispositif
comporte
également un deuxième ensemble de communication 2 appelé navette, et équipé de
5 moyens émetteur/récepteur complémentaires du premier ensemble 1 et de moyens
de
télémétrie numérique bidirectionnelle avec la surface par le canal d'un câble
3 (de type
Jogging) comportant des conducteurs électriques ou fibres optiques. Le câble 3
est
manoeuvré dans les tubes 4 à l'aide d'une installation de surface connue des
techniciens
concernés, c'est à dire un treuil et une cabine de commande, d'enregistrement
et de
traitement des signaux transitant par les lignes de communication intégrées au
câble 3.
Les tubes 4 sont descendus dans un puits 5 foré à travers une couche
géologique
dont on souhaite faire produire les effluents qui peuvent être contenus dans
les pores de la
couche. Pour cela, à l'extrémité des tubes 4 est assemblée une garniture dite
de test
comportant les ensembles 1 et 2, un moyen d'étanchéité du type "packer" 6 pour
effectuer
une étanchéité annulaire autour des tubes, une crépine 7 placée en dessous du
packer et
destinée à laisser l'accès de l'effluent vers l'espace intérieur des tubes 4,
un joint coulissant
8 et/ou une coulisse de battage ("jar") pour permettre la mise en place et
faciliter le retrait
du packer, une vanne de test 9 pouvant être ouverte ou fermée plusieurs fois
afin d'ouvrir
ou de fermer la communication entre la couche géologique et l'espace intérieur
des tubes 4
en communication avec la surface. D'autres équipements conventionnels, non
représentés
ici, peuvent compléter le train de test: raccord de circulation, joint de
sécurité, etc.
Dans la situation représentée sur la figure l, le puits 5 est cuvelé par un
tube en
acier 16, généralement cimenté dans le trou foré. La liaison couche
productriceltrou se fait
soit par des perforations à travers le tube de cuvelage, soit par un forage 17
s'étendant au
delà du sabot de la colonne 16. Dans cette configuration, la garniture de test
comporte de
préférence des contacts 10 et 11, par exemple sous la forme de centreurs à
lames
métalliques, du packer ou des contacts naturels procurés par un ensemble de
tubes
excentrés dans un puits. On s'arrange pour que les points de contact 10 et 11
soient le plus
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espacés possible le long de la garniture, de part et d'autre de la vanne 9 et
au moins séparés
de plus d'un segment de tube, c'est-à-dire au moins 10 mètres.
Dans le présent exemple, à savoir la transmission durant un DST ou toute autre
configuration équivalente, d'un coté à l'autre d'une vanne de test, il est
préférable de
prendre un certain nombre de précautions afin que les deux liaisons du premier
ensemble
1, constituant un émetteur/récepteur de type transformateur, avec les contacts
10 et 11
constituant les pôles, ne soient pas électriquement interrompues. On s'assure,
par exemple,
qu'aucun équipement de type joint coulissant ("slip joint") ou coulisse
("jar") ne soit
intercalé entre les deux points de contact 10 et I I. S'il ne peut en être
autrement, on vérifie
et si besoin, on effectue la continuité électrique à l'aide d'un dispositif
approprié intégré à
l'équipement en cause: "slip joint" ou "jar". De plus, ces précautions
permettent d'utiliser le
"packer" 6 comme pôle inférieur dans la mesure où il possède pratiquement
toujours des
chiens d'ancrage assurant un contact électrique sur la colonne 16. Dans le cas
où
l'ensemble 1 est du type jonction isolante et non pas de type transformateur,
il y aura une
interruption électrique sensiblement au droit du dipôle d'émission/réception
de l'ensemble
2 et de l'ensemble 1, selon le principe même de la transmission du type
jonction isolante.
Les ensembles 1 et 2 communiquent entre eux au moyen de courants
électromagnétiques guidées par le casing 16 et/ou le train de test. On utilise
en général, des
fréquences comprises entre quelques Hertz et quelques centaines de Hertz. Ces
ondes sont
modulées par saut de phase (PSK en anglais), afin de transporter
l'information. Les
ensembles 1 et 2 étant situés le plus souvent à l'intérieur d'un casing 16, il
est très
avantageux de constituer un dipôle d'injection le plus étendu possible afin de
créer derrière
le casing un signal de propagation le plus grand possible. Un tel dipôle est
décrit dans le
document US-A-5394141 cité ici comme référence. Dans le cas où il n'est pas
possible de
constituer une grand dipôle, le fonctionnement du présent dispositif de
transmission est
toujours possible. Mais dans ce cas, la distance de transmission entre
l'ensemble I et
l'ensemble 2, et/ou le débit d'informations peuvent être réduits afin de
diminuer l'énergie du
bruit selon les principes bien connus d'amélioration du rapport signal à
bruit.
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Dans le cas de constitution d'un grand dipôle, il est avantageux d'éviter le
contact
entre le train de test et le casing 16. On peut utiliser des protecteurs de
tubes standards en
caoutchouc ou tout autre bague isolante 13 et 14 montés sur un élément de tube
et
intercalés dans le train de test à des distances adéquates. On notera que
quelque soit la
nature du fluide dans l'annulaire garniture de test/puits, y compris des
saumures, la
différence de conductivité entre le fluide et les tubes de la garniture
constitue un dipôle
apparent de plus de 10 mètres, ce qui est suffisant en général pour la
présente transmission.
L'émetteur/récepteur de chaque ensemble 1 et 2 du présent dispositif servant à
injecter, ou à recevoir la fréquence porteuse se propageant le long du train
de test, peut être
l0 réalisé en utilisant une des techniques bien connues, à savoir soit une
jonction isolante telle
que décrite dans le document US-A-5163714, soit un dipôle étendu, ou bien un
transformateur dont le circuit magnétique torique entoure l'ensemble 1.
L'enroulement
primaire comportant un nombre de spires adapté à l'alimentation électrique,
tandis que le
secondaire comporte une seule spire constituée par le train de test se
refermant sur le
cuvelage via les contacts 10 et 11.
Le second ensemble émetteur/récepteur 2 appelé navette, comporte une liaison
isolante 21 et un moyen de contact électrique inférieur 18 avec l'intérieur du
tube 4, ledit
moyen pouvant être réalisé, soit par des chiens ancrés dans une gorge
correspondante
usinée dans un raccord vissé sur les tubes 4 ou bien par des patins
extractibles
télécommandés depuis la surface via la liaison électrique servant au transfert
des données
mesurées.
Le deuxième pôle, ou pole supérieur, du dipôle de réception/étnission est
constitué par l'armature métallique du câble coaxial 3 (par exemple, du type
Jogging). Ce
câble étant suffisamment centré dans les tubes jusqu'à une hauteur où il y a
un point de
contact 15, il ne pourra être en contact avec la paroi des tubes qu'à une
distance assez
grande permettant ainsi de réaliser un dipôle émetteur/récepteur de grande
longueur. De
préférence, le contact 11 est situé en dessous du point de contact 15, ou dans
le voisinage.
Cependant, dans le cas où ce grand dipôle ne pourrait pas être réalisé, on
obtiendrait des
resultats équivalents en utilisant un raccord comportant une jonction isolante
12 située au-
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dessus des moyens de contact 18 et au dessous du contact 15 de l'armature du
câble coaxial
avec le tubage. L'utilisation d'un raccord comportant une jonction isolante 12
impose donc
à la navette une position relativement à la jonction, puisque le contact 18
doit se trouver
sous le raccord isolant 12 et le contact 15 au dessus du raccord 12. En effet,
dans ce cas, on
devra décider de la position de la jonction isolante avant la constitution en
surface de la
garniture de test devant être descendue dans le puits. Il sera toutefois
possible de l' installer
à plusieurs dizaines de mètres au-dessus de la vanne de test.
La figure 2 représente la configuration où le puits 20 n'est pas cuvelé par un
tubage en acier. La garniture de test comporte au moins une crépine 7, un
packer 6, une
vanne de test 9 assemblés à des tubes 4. Le premier ensemble 1 comporte des
moyens de
mesures, des moyens électroniques et électromagnétiques pour assurer la
communication
par ondes électromagnétiques avec la navette 2. La navette 2 est descendue
dans l'espace
intérieur des tubes, au dessus de la vanne de test 9, par le moyen d'un câble
3 comportant
au moins une ligne de communication électrique ou optique. L'ensemble 2 ou
navette
comporte des moyens de contact électrique 18, de préférence sous forme de
doigts
télécommandés ou de frotteurs. La navette comporte une liaison isolante 21 de
façon à
constituer un premier pôle inférieur grâce au contact 18 et un deuxième pôle
avec
l'armature du câble 3. Pour éviter que le contact de l'armature du câble avec
les tubes 4 soit
trop proche du pôle inférieur, on peut si nécessaire entourer le câble
d'éléments isolant 22
ou de centrage sur une hauteur suffisante. Il est clair que cette
configuration n'impose pas
de position précise de la navette par rapport à la garniture de test, à moins
qu'un raccord
isolant semblable à celui 12 décrit sur la figure 1 soit utilisé pour les
besoins d'une
transmission encore plus performante.
La figure 3 illustre en coupe une réalisation de l'ensemble 1, celui-ci ayant
au
moins trois fonctions
- la mesure au moins de la pression et de la température sous la vanne de test
9,
- la transmission de ces données vers le second ensemble 2 situé au-dessus de
la
vanne de test,
- la réception et l'interprétation d'un signal émis par la navette 2.
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9
La mesure de pression et de température est assurée par trois jauges 30
standards,
dites à mémoire, alimentées par trois sources d'énergie indépendantes. Les
mesures sont
stockées dans une mémoire non volatile avec une fréquence d'échantillonnage
programmée
en surface par un opérateur. Chaque jauge mesure au choix, la pression
intérieure dans le
canal 31 via le conduit 32 ou bien la pression dans l'annulaire, c'est-à-dire
à l'extérie.ur de
l'ensemble 1. Les jauges 30 sont connectées à une cartouche électronique 33
par
l'intermédiaire d'une connexion électrique 34. La cartouche électronique 33
récupère les
données mesurées par l'une des trois jauges et injecte un signal sous la forme
préférentielle
d~un courant électromagnétique de basse fréquence modulée en phase (PSK)
représentatif
de ces données vers le tore 35. La figure 4 représente le principe d'une
réalisation et de
fonctionnement d'un transformateur torique dont le circuit primaire 40 est
relié à
la cartouche électronique 33 tandis que le circuit secondaire possède une
spire
unique 41 constituée par l'arbre intérieur 42 de l'ensemble 1. L'arbre 42 est
lié
mécaniquement et électriquement à la garniture de DST et permet de véhiculer
le courant électrique jusqu'à l'ensemble 2, assurant ainsi la communication bi-
directionnelle entre les ensembles 1 et 2. Un capot 36 solidaire de l'ensemble
1
est isolé électriquement au moins sur l'une de ses extrémités 37 tout en
protégeant le tore 35 et la cartouche électronique 33.
Dans le mode de transmission d'un signal venant de la surface vers l'ensemble
1,
via la navette 2, un signal basse fréquence modulé en phase est émis par la
navette. Il est
reçu par le tore 35 et traité par la cartouche électronique 33. Ce signal
permet, par
exemple, de modifier le mode de fonctionnement de l'ensemble I. Les deux
principaux
modes de fonctionnement peuvent être:
- un mode dit "Temps Réel" par lequel les données Fournies par une ou
plusieurs
jauges sont transmises en temps réel à la navette, puis à la surface par
l'intermédiaire du
câble,
- un mode dit "Play-Back" par lequel il y a émission de type multiplexée des
données en temps réel et des données mesurées précédemment. Ce mode permet de
connaître l'ensemble des données mesurées depuis la mise sous tension des
jauges jusqu'à
l'instant présent. Il permet en particulier d'avoir accès, alors que le test
est en cours, aux
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données correspondantes à la phase dite de débit ("flowing") alors que
l'ensemble 2 est
généralement descendu pendant la phase de fermeture de la vanne ("build-up")
qui se
déroule après la phase de débit du puits.
Le signal de commande de fonctionnement, émis de la surface, permet aussi de
5 choisir la jauge qui sera lue par la cartouche électronique.
Il est à noter que les données sont également stockées dans chaque jauge 30 et
peuvent également être lues en surface à la fin du test .
Le second ensemble 2 ou navette (figure 1 et figure 2) est reliée à la surface
par
un câble coaxial 3. Le câble permet l'alimentation électrique du compartiment
électronique
10 inclus dans la navette et le dialogue bidirectionnel entre 1a navette et la
surface.
Le compartiment électronique se compose principalement: d'un
émetteur/récepteur électromagnétique et d'un transmetteur électrique
bidirectionnel
permettant le dialogue avec la surface via les conducteurs du câble.
L'émetteur électromagnétique de la navette génère un signal basse fréquence
modulé en phase entre l'armature du câble et les moyens de contact 18, ces
deux points
étant isolés électriquement par la jonction isolante 21. La navette génère ce
signal sur
réception d'un signal d'ordre provenant de la surface via le câble coaxial. Le
signal généré
par la navette est reçu puis décodé par l'ensemble 1 pour lui permettre de
modifier son
mode de fonctionnement. D'une manière équivalente, la navette peut injecter ou
recevoir
un courant électromagnétique en utilisant des moyens comportant un
transformateur.
Le récepteur électromagnétique de la navette reçoit, puis décode, le signal
basse
fréquence émis par l'ensemble 1. Ce signal est mesuré entre l'armature du
câble 3 et le
contact 18. Il est généralement représentatif des données mesurées par les
jauges de
l'ensemble 1.
Lorsque les données sont décodées, elles sont transmises vers la surface par
l'intermédiaire du câble.
Les moyens de contact 18 peuvent, en plus d'assurer un contact électrique
entre la
navette et le train de test, assurer un ancrage mécanique de la navette dans
le train de test.
Cet,ancrage peut être nécessaire si, comme dans le cas d'utilisation d'un
raccord d'isolation
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12 dans la garniture de test, il faut une position déterminée de la navette,
ou si le débit de
l'effluent risque de créer des déplacements intempestifs, ou des vibrations
qui peuvent être
gênant pour le bon fonctionnement de la transmission.
