Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
SONDE GEOMECANIQUE POUR PUITS D~ FO~AGE
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~ a présente invention concerne des sondes destinées à être intro-
duites dans un puits de forage pour y faire agir un fluide et pour y mesurer,
simultanément, divers paramètres~
En particulier lorsqu'on doit fracturer un réservoir souterrain au
droit d'un puits, on aimerait être capable de prévoir les principales carac-
téristiques géométriques et hydrauliques de la fracture qu'induira un type
de traitement donné : l'extension maximale de la fracture ; le nombre de
couches géologiques differentes traversées ; l'azimut du plan contenant la
fracture ; la limitation de la fracture au mur et au toit du réservoir ou,
au contraire, la mise en communication de deux gisements superposés...
Pour répondre à ces questions, on peut utiliser un simulateur numéri
que capable de modeliser le comportement des fluides injectes et des roches
fracturées en tenant compte de toutes les conditions aux limites. Mais ce
simulateur ne peut fournir de résultats fiables que si l'on y introduit des
données correctes. Un des paramètres les plus delicats à mesurer est le ten-
seur de contrainte in situ dont dependent en grande partie l'azimut de la
fracture, le confinement de la fracture par les epontes du reservoir et la
vitesse de percolation du fluide de fracturation dans la roche.
Si l'on peut effectuer des mesures de certains paramètres en labora-
toire sur des échantillons de roche prélevés par carottage, il est trèsimportant de les compléter par des mesures in situ obtenues au moyen d'une
sonde descendue dans le puits. Des comparaisons entre les deux types de Mesure
peuvent donner des renseignements précieux, notamment sur l'existence de
fissures in situ. Quant au tenseur de contrainte, il nlest pas impossible que
l'on arrive à le déterminer à partir d'échantillons de roche carottés grace
à la mémoire que conservent ces echantillons des contraintes auxquelles ils
o nt eté soumis, mais cette determination n'en est encore qu'au stade de la
recherche.
Il y a donc Im tres grand interêt à pouvoir effectuer des mesures
precises in situ a l'aide d'une sonde descendue dans un puits de forage.
Les appareils proposes jusqu'ici sont de réalisation très difficile
~ .../.. .
~2
ou mê~e ~mpossible et ne donnent pas d~in~orm,ations ~uffi~
samment pr~cises,
La pr~sente in~ention se propose ae combler cette
lacune en créant un appare~l robuste, s~r, e~icace et précis.
Selon la présente invention, il est prevu une son-
de géomécanique pour puits de ~orage,,comprenant un corps
allongé muni de deux obturateurs gonflables pour s'appli-
quer, ~ l'état ~onflé, contre la paroi d'un puits et obturer
ce puits et de moyens de passage de fluide pour amener un
fluide sous pression successivement dans les obturateurs
gonflables et contre ladite paroi du puits entre les deux
obturateurs gonfles, caractérise en ce que le corps de la
sonde comprend entre les deux obturateurs un bo.~tier de mesu-
re contenant une pluralité de palpeurs dirigés radialement,
répartis circonferentiellement et montés, en étant sollicités
radialement vers l'extérieur, sur des supports mobiles dépla-
çables dans des logements radiaux entre une position de repos,
en retrait radial~ dans laquelle les palpeurs restent ~ l'in-
térieur du bo~tier et une position de travail, en avancée
radiale, dans laquelle les palpeurs font saillie hors du
boitier et peuvent s'appliquer contre la paroi du puits,
tandis que des capteurs de deplacement sont disposés dans le
bo~tier pour donner une informa~ion sur la position radiale
de ces palpeurs.
Les supports mobiles peuvent être des pistons dis-
posés dans des cylindres, sollicit~s en position de repos
par des ressorts et depla~ables en position de travail par
introduction d'un liquide de manoeuvre dans ces cylindres.
De pre~érence, le boitier de mesure comporte d'un
côte longitudinal une encein-te, dite enceinte hydraulique,
contenant ledit liquide de manoeuvre et des moyens, ~ entra~-
nement et commande ~lectriques, de mise en pression et de
transmission de liquide pour introduire ledit liquide sous
p~ession d~ns lesdits cylindres et en ce que la sonde con-
`~i
~2~ 3
~ 2~
tient de llautre cate longitudinal du boitier une pi~ce de
connexion electrique ~ui permet une connexion detachable
entre le bo~tier de mesure et llextexieur pour recevoir
de llenergie et des commandes electriques et pour trans-
. 5 mettre a l'exterieur des in~ormations electriques de mesu~e~
D~autres particularites de l~invention ressortirontde la descrip-
/
/
- . ~
-- ~2~ L3
tion d7un exemple de réalisation qui va être donné9 à titre non limitatif,
en se referant au dessin joint dans lequel :
- les fig. I et 2 representent une vue en élevation et coupe partielle d'une
sonde geomecanique avant gonflage des obturateurs ;
- les fig. 3 et 4 representent une vue analogue après gonflage des obturateurs ;
- la fig. 5 est une coupe longitudinale, à plus grande echelle, d'une portion
de boîtier de mesure dans laquelle les palpeurs ont été ramenés dans le plan
de la figure ; et
- la fig. 6 est une coupe partielle transversale selon la ligne 6-6 de la fig 5.
La sonde représentee sur les fig. I et 2 et les ~ig. 3 et 4 comprend
de haut en bas : un corps creu~ tubulaire superieur ] portant un obturateur
gonflable supérieur 2, un boîtier de mesure 3 et un corps creux tubulaire in-
férieur 4 portant un obturateur gonflable inférieur 5. Le corps creux tubulaire
supérieur est ouvert à la partie supérieure et il contient une chemise interne 6pouvant coulisser a l'intérieur de ce corps creux. La chemise 6 est pourvue
d'un teton 7 qui s'engage dans une rainure 8 en forme de J ménagée dans le corpssupérieur 1. Le profil de la rainure 8 a été représenté sur le coté des ~ig.
I et 3.
La chemise 6 est solidaire a sa partie supérieure d'un embout de
raccordement 9 qui permet de la fixer au bas d'un train de tiges, non représentéici, utilisé pour descendre la sonde dans un puits de forage ~ue l'on n'a pas
représente non plus. L'utilisation d'un train de tiges réduit considérablement
le risque de ne pas pouvoir remonter la sonde en cas de blocage de celle-ci
dans le puits~ Le train de tiges est muni d'un joint coulissant ou d'un systè~e
de compensation à force constante en tête de puits.
Un passage annulaire 10 a ete menage sur une portion interne du corps
I pour amener un fluide sous pression dans l'obturateur gonflable superieur 2.
Une ouverture 11 dans la chemise 6 se trouve en face de ce passage lorsque la
chemise ~ est en position haute qui correspond à la position du teton 7 dans
le haut de la rainure 8 comme on le voit sur les fig. 1 et 2, position
_ 4 ~ 13
qui est prise lors de la descente de la sonde au bout d'un train de tiges.
L'obturateur gonflable inferieur 5 se trouve dans la même situation de gonfla-
ge ou degonflage que l'obturateur gonflable superieur 2 grâce à une liaison
hydraulique 12 entre ces deux obturateurs 2 et 5.
Dans la position haute de la chemise 6 representee sur les fig. 1 et
2, l'envoi d'un fluide sous pression à partir de la tete de puits dans le
train de tiges et le volume cylindrique interne à la chemise 6 provoque le
gonflage des deux obturateurs 2 et 5 et leur application étanche contre la
paroi interne du puits~ Les corps de la sonde sont alors fixes en position dans
le puits et on peut en agissant sur le train de tiges faire descendre la chemise6 dans le corps 1, le teton 7 venant au bas de la rainure ~ comme on l'a repre-
sente sur les fig. 3 et 4. Dans cette position basse de la chemise 6, l'ouver-
ture 11 n'est plus en face du passage 10 qui se trouve isole : les obturateurs
2 et 5 restent gonfles. Un passage transversal 13 menage dans le corps 1 se
trouve alors en face de l'ouverture 11 et permet au fluide sous pression intro-
duit par le train de tiges à l'interieur de la chemise 6 de passer dans l'espaceannulaire compris entre la paroi interne du puits, la corps de la sonde et les
deux obturateurs, pour agir sur cette paroi interne du puits.
Le boîtier 3 contient divers appareils de mesure qui sont reliés à
la tête de puits par un conducteur électrique unique qui véhicule les commandes
et les donnees mesurees par transmission en serie des informations grace à un
système de multiplexage. Un système de connexion electri~ue du type enfichable
et utilisable dans un milieu contenant des particules en suspension tel qu'une
boue de forage est utilise au-dessus du boîtier de mesure 3. Un tel système de
connexion peut, par exemple, être celui mis au point par la societe Deutsch et
comportant un transfert de graisse, ce qui l'adapte à cette utilisation dans desconditions environnantes très speciales. Il comporte une pièce de connexion 14
portee par la sonde au-dessus du boîtier 3, dans laquelle on peut venir enficherune pièce de connexion complementaire, non representee, descendue à l'interieur
du train de tiges de forage avec des barres de charge traversees par un cable
electrique fixe à cette pièce de connexion mâle et prevues pour fournir la forcenecessaire à l'enfichage, de l'ordre d'une dizaine de kilos par exemple.
Les fig. 5 et 6 representent essentiellement le boîtier de mesure
5 -
dans la région où se trouvent disposes des palpeurs s'appliquant contre la
face interne du puits. Ces palpeurs 15 sont solidaires chacun d'une tige 1~
dont l'extrémité opposée est munie d'un noyau 17 qui permet de determiner la
pOSition du palpeur. Ces noyaux mobiles 17 coopèrent, en effet, avec des en-
~oulements fixes 18 de transformateurs differentiels montes dans un bloc 19qui porte l'ensemble des palpeurs. Chaque palpeur peut se deplacer radialement
et il se trouve sollicite vers l'exterieur par un ressort 20 s'appuyant sur un
support deplaçable 21~ Le profil des palpeurs est adapte aux fonctionssouhaitées.
Ce support depla,cable 21 forme lui-même le piston d'un système de
vérin dont le cylindre est formé par une chemise de titane 22 inseree dans un
evidement cylindrique ménage dans le corps 19. Un filtre 23 et un joint racleur
24 sont disposes sur chaque piston support 21 autour de la tige 36. Les pistonssupports 21 sont, à l'etat de repos, ramenes dans une position radiale en re-
trait par des ressorts 25. Dans cette position en retrait, les palpeurs 15 se
trouvent rentres dans le bloc 19. Si l'on envoie un fluide sous pression dans
la chambre 26 du vérin forme par le piston 21 et la chemise 22, le piston sup-
port 21 est poussé dans une position radiale avancée où le ressort 25 se trouve
comprime complètement, les spires de ce ressort étant alors jointives.
Les divers palpeurs 15 ont eté disposés dans plusieurs plans trans-
20 versaux~ ici deux plans transversaux et ils sont circonferentiellement decalesd'un plan transversal a un autre plan transversal, contrairement à la représen- tation de la fig. 5 modifiee pour mieux montrer les palpeurs.
L'alimentation en fluide sous pression des diverses chambres 26 s'ef-
fectue par un conduit hydraulique central 27. Sous le bloc 19, on a prevu une
enceinte 28 dans laquelle se trouve de l'huile hydraulique. Une pompe 29 entral-nee par un moteur electrique 30 introduit, par des canalisations et des electro-valves non representees, de l'huile hydraulique sous pression dans le conduit 27.
L'enceinte 28 peut être au moins partiellement disposee radialement à l'interieur
de l'ob~urateur 5 pour reduire la distance entre les obturateurs 2 et 5.
Des passages de conducteurs electriques sont egalement menages de
maniere etanche dans le bloc 19. On alimente ainsi le moteur électrique 30 et
on commande les électro-valves du circuit hydraulique reliant la pompe 29 au
conduit 27. On a notamment figure sur la fig. 5 un passage etanche superieur 3]
et un passage etanche inferieur 32 dans le bloc 19. On a egalement represente
des conduits 33 pour des fils relies a l'enroulement 19 des transfor~ateurs
-- - 6
differentiels.
Au-dessus du bloc l9, on a prevu lme enceinte 34 qui est , essentiel-
lement, reservee à l'electronique. On y a représenté un capteur de pression 35
qui mesure la pression au fond et qui peut être du type à quartz ou à jauges
resistives metalliques par exemple. Cette enceinte contient egalement un cap-
teur d'azimut du type magne~omètre à trois composantes, un capteur de tempera-
ture à resistance de platine, un pressiomètre pour mesurer la pression dans les
obturateurs et un ense7ib1e d'electronique de fond, non representes. Tout cet
appareillage est relie à la pièce de connexion femelle 14, par laquelle les
liaisons sont assurées avec un ensemble electronique de surface. La transmissiondes donnees mesurees s'effectue de preference par modulation de frequence. L'en-semble electronique de surface comporte notamment un module d'alimentation elec-trique, un dule generateur de signaux de commande~ un compteur mesurant les
frequences representatives des grandeurs physiques mesurees, un calculateur
pour reconvertir ces frequences en grandeur physiques, les presenter sur un
ecran cathodique et les enregistrer sur support magnetique et une imprimante
graphique pour ournir des listings de mesures et divers graphiques.
L'utilisation de la sonde qui vient d'être decrite peut être la sui-
vante.
On descend cette sonde dans un puits de forage à l'aide d'un train de
tiges, la chemise interne 6 de la sonde se trouvant dans la position des fig.
1 et 2 et les obturateurs 2 et 5 etant degonfles. Lorsque la sonde arrive au
voisinage de la formation à tester, on descend à l'interieur du train de tiges
un appareil à rayons gamma qui permet de reperer tres exactement la position
d'un manchon prevu a cet effet et ainsi d'ajuster la côte de la sonde dans le
puits. On remonte ensuite l'appareil a rayons ga~ne et on gonfle les obturateurs2 et 5 en injectant dans le train de tiges un fluide sous pression a l'aide
d'une pompe de surface. L'appareil à rayons gamma pourrait aussi être incorpore
a la sonde.
On deplace alors la chemise 6 pour l'amener dans la position repre~
sentee sur les fig. 3 et 4. On descend dans le train de tiges le câble electri-
que de liaison avec la surface muni de barres de charge et ~'Yn7? des pièces de
connexion pour enficher cet7~e derniere pièce dans la pièce de connexion comple- mentaite.
~2'~
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On commande la sortie radiale des palpeurs l5 et on rec,oit en sllr-
face des informations sur la forme du trou de forage au droit du boîtier de
mesure, la ~empérature au fond du trou de forage (ce qui permet d'apporter
des corrections aux signaux reçus des capteurs), la position de la sonde par
rapport au champ magnétique terrestre, la pression dans les obturateurs, la
pression du fluide injecte par la sonde, les déplacements de la paroi du
puits. La période d'un cycle de mesure est de l'ordre de la seconde. Les
grandeurs mesurées sont visualisees sur un écran et stockées dans une mémoire.
L'essai proprement dit commence alors et peut se dérouler de la
manière suivante : on injecte un fluide sous pression dans le train de tiges
en régime matriciel pour étudier les propriétés élastiques de la roche ~ on
injecte ensuite ce fluide en régime de fracturation et on détermine l'azimut
de la fractu~ ; on arrête l'injection ; on détermine le vecteur de contrain-
te et la vitesse de percolation ; on réinjecte du fluide et on détermine
l'énergie de surface , on arr~ete l'injection et on suit le retour à une situa-
tion stable.
Apres cet essai, on rentre les palpeurs 15 dans le boîtier de mesure,
on remet la chemise 6 dans la position repr~sentée sur les fig. 1 et 2 pour
dégonfler les obturateurs 2 et 5 et on déplace la sonde pour 17amener a un
autre niveau ou l'on procède à un autre essai de manière similaire à celle
décrite précédemment.
Quand on a terminé le dernier essai, on deconnecte d'avec la pièce
de connexion l4 le câhle electrique de liaison avec la surface et on remonte
la sonde a la surface a l'aide du train de tiges.
Cette sonde,de construction robuste, est descendue et remontee de
manière sure à l'aide d'un train de tiges. La connexion electrique se fait
apres mise en place de la sonde, ce qui evite les risques de destruction d'un
câble electrique courant à côte d'un train de tiges pendant la descente et la
remontee de celui-ci. Le deplacement des palpeurs est mesure avec une très
grande precision de l'ordre du micron et ces palpeurs ne risquent pas d'etre
endom~ages lors de la descen~e et de la remontee de la sonde. Les diverses
mesures sont corrigees d'apres la temperature mesuree. ~n outre, lors d'une
fracturation, la ~issure creee par fracturation hydraulique est plus ouverte
que celle obtenue avec une sonde a membrane ; la detection de la contrainte
. . . / . . .
3l2'~ 3
-- 8 --
principale mineure et de son azimut est nettement améliorée. Un faible volume
de fluide crée une très grande fissure. La translation de la masse rocheuse
perpendiculaire au plan de la fracture donne l'a~imut de la fracture et cet
a~imut pourra être détecté même si la fracture n'est pas meridienne.
Cette sonde trouve application dans d'autres essais que des essais
de fracturation tels que des essais de production classique où l'on peut
déterminer les fissures naturelles et l'anisotropie de la permeabilite de
la roche et des essais de fluage de la roche d'où l'on peut deduire les efforts
s'exerçant s~lr les cuvelages cimentes.
