FR2582108A1 - Procede et appareil de diagraphie pour la determination de la masse volumique des formations en cours de forage - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES INSTALLATIONS DE DIAGRAPHIE. ELLE SE RAPPORTE A UNE INSTALLATION DESTINEE A DETERMINER LA MASSE VOLUMIQUE D'UNE FORMATION TERRESTRE TRAVERSEE PAR UN SONDAGE. L'APPAREIL COMPORTE UNE SONDE 14 DANS LAQUELLE SONT MONTEES DEUX SOURCES 42, 43 DE RAYONS GAMMA ET DEUX ARRANGEMENTS DE DETECTEURS 52, 53, LA SONDE ETANT SOUS FORME D'UN RACCORD DOUBLE INCORPORE AU TRAIN DE TIGES. APPLICATION AUX OPERATIONS DE DIAGRAPHIE EN COURS DE FORAGE, NOTAMMENT DANS LES APPLICATIONS PETROLIERES.

Description

i La présente invention concerne la diagraphie des sondages dans des

formations souterraines, permettant la détermination de la masse volumique des formations à l'aide de rayons gamma et plus précisément la détermination de la masse volumique des formations pendant le forage

d'un sondage traversant de telles formations terrestres.

L'invention concerne ainsi la détermination de la masse volumique des formations, indépendamment de la position radiale de la sonde de diagraphie dans le sondage ou de la conformation des rayons gamma utilisés pour l'obtention

des mesures de masse volumique.

Lors du forage de sondages dans des formations terrestres, il est très souhaitable que des informations concernant la nature et la structure de la formation dans laquelle est formé le sondage soient obtenues pendant que

le forage progresse. La possibilité de transmission d'infor-

mations à l'opérateur de forage, concernant les caracté-

ristiques des formations en cours de forage, permet une diagraphie du sondage pendant le forage et en conséquence un fonctionnement plus efficace. Une telle diagraphie des sondages réalisés par mesure en cours de forage élimine partiellement ou totalement la nécessité de l'interruption de l'opération de forage pour l'extraction du train de tiges du sondage afin que des sondes de diagraphie portées

par des lignes soient transmises dans le sondage et permet-

tent la détermination des caractéristiques des formations placées le long du sondage. En outre, la possibilité du relevé des caractéristiques de la formation dans laquelle se trouve le trépan, par exemple la masse volumique, accroît beaucoup la sécurité de l'opération de forage. L'opérateur de forage est ainsi averti de la pénétration du sondage dans des formations qui risquent de créer des conditions

dangereuses de forage, par exemple une éruption.

Jusqu'à présent, on a utilisé de nombreuses tech-

niques pour la diagraphie des sondages, à l'aide d'appareils suspendus afin que la nature des formations dans lesquelles

le sondage passe soit déterminée. Une technique de diagra-

phie permettant la détermination de la masse volumique de la formation met en oeuvre des sondes de mesure de masse volumique mettant en oeuvre des rayons gamma, ces sondes comprenant une source et un détecteur de rayons gamma, protégés l'un de l'autre afin que le détecteur ne compte

pas les rayons gamma qui viennent directement de la source.

Pendant le fonctionnement de la sonde, les rayons gamma (photons) proviennent de la source et pénètrent dans la formation à étudier. Dans celle-ci, ils interagissent avec les électrons des atomes de la matière de la formation par absorption photoélectrique, par diffusion Compton ou par production de paires de porteurs de charge. Dans les phénomènes d'absorption photoélectriques et de production de paires de porteurs, les photons particuliers impliqués dans l'interaction sont extraits des faisceaux de rayons gamma. Dans l'opération de diffusion par effet Compton, le photon impliqué perd une partie de son énergie tout en changeant de direction de déplacement, la perte d'énergie étant fonction de l'angle de diffusion. Certains des photons provenant de la source et introduits dans la matière de

la formation sont donc renvoyés vers le détecteur. De nom-

breux rayons diffusés n'atteignent pas le détecteur puisque

leur direction est à nouveau modifiée par une seconde diffu-

sion Compton, ou ils sont ensuite absorbés par le processus

d'absorption photoélectrique' ou par le processus de produc-

tion de paires de porteurs. Les photons diffusés qui attei-

gnent le détecteur et interagissent avec lui sont comptés par un appareillage électronique de comptage associé au

détecteur.

Les principales difficultés rencontrées lors de la mesure classique du rayonnement par les rayons gamma sont la définition rigoureuse de la taille de l'échantillon et la profondeur efficace et les temps d'échantillonnage limités qui sont possibles. D'autres difficultés importantes sont les effets perturbateurs des matériaux indésirables perturbateurs placés entre la sonde de mesure de masse volumique et l'échantillon de la formation, par exemple la boue de forage et un gâteau de boue formé sur la paroi

du sondage, si bien que la sonde a dû être placée direc-

tement contre la paroi du sondage.

On a essayé d'utiliser de nombreuses sondes de diagraphie des sondages mettant en oeuvre des rayons gamma, suspendues à un câble, afin que l'effet, sur les mesures de masse volumique de la formation, de la masse volumique du gâteau de boue formé sur les parois du sondage soit

compensé par utilisation de deux détecteurs espacés axia-

lement le long du sondage, à des distances différentes de la source de rayonnement. Le détecteur le plus proche

est destiné à recevoir le rayonnement diffusé essentielle-

ment dans les matériaux proches de la paroi du sondage et en conséquence dans le gâteau de boue. Le détecteur placé plus loin est destiné à recevoir le rayonnement

qui a été diffusé essentiellement dans la formation.

La plupart des installations de diagraphie des sondages mettant en oeuvre des rayons gamma, utilisées jusqu'à présent, ont nécessité des arrangements complexes

de conformation de faisceaux destinés à délimiter étroite-

ment soit le faisceau provenant de la source et dirigé vers une région particulière de la formation, soit le faisceau renvoyé jusqu'au détecteur de manière que seul le rayonnement renvoyé par une région particulière de la formation soit détecté, les deux possibilités pouvant aussi être utilisées en combinaison. En outre, les sondes connues de diagraphie mettant en oeuvre des rayons gamma ont été très sensibles aux variations des mesures de masse volumique dues à l'épaisseur de boue de forage ainsi qu'au gâteau de boue se trouvant sur les parois du sondage et à travers lequel le rayonnement doit passer, si bien que la précision des mesures est fortement affectée par

l'excentricité de l'outil se trouvant dans le sondage.

Pour cette raison, les outils connus comportent des méca-

nismes élaborés destinés à repousser fermement la surface de l'outil contre la paroi du sondage, sur le côté auquel

est réalisée la mesure.

Evidemment, les difficultés rencontrées par la

diagraphie des sondages réalisée à l'aide de sondes sus-

pendues émettant des rayons gamma, seraient encore accrues si l'outil de mesure de la masse volumique était incorporé

au train de tigeset commandé pendant le forage du sondage.

La seule sonde connue de mesure de masse volumique d'une formation par des rayons gamma, utile dans un appareil de mesure en cours de forage, est décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 478 979, déposée le 25 mars 1983 par Daniel Coope, sous le titre "Formation

Density Logging While Drilling', cédée à la Demanderesse.

Cette demande de brevet décrit une technique de mesure de densité d'une formation de type gamma-gamma, en cours de forage, mettant en oeuvre la délimitation du rayonnement gamma et deux détecteurs espacés axialement le long du sondage, l'un par rapport à l'autre et par rapport à la source du rayonnement, afin que le rayonnement rétrodiffusé par deux régions différentes de la formation soit examiné

à des distances différentes des parois du sondage.

Une sonde connue de mesure de masse volumique

de type suspendu, fonctionnant indépendamment de l'épais-

seur et de la composition chimique des matériaux placés entre la sonde et l'échantillon, est représentée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 846 631. Cette technique comprend la transmission de deux faisceaux de

rayons gamma provenant de deux sources intermédiaires tra-

vaillant par intermittence, dans l'échantillon, la récep-

tion du rayonnement rétrodiffusé, provenant des deux sources,-

par deux détecteurs séparés, et la construction de rapports des produits des quatre comptages séparés de manière que

le résultat numérique soit représentatif de la masse volu-

mique de l'échantillon. Dans une installation ayant deux sondes de détection espacées longitudinalement et qui

doivent être déployées contre la paroi du sondage, l'espa-

cement des détecteurs est une dimension primordiale. Lorsque les matériaux perturbateurs de la formation ne sont pas uniformes sur des distances comparables à l'espacement des deux détecteurs, la masse volumique mesurée peut être erronée. Dans les sondes de mesure de la masse volumique d'une formation par des rayons gamma, comprenant la conformation du rayonnement gamma, on suppose initialement que la région d'interaction du rayonnement et de la formation peut être

délimitée étroitement et restreinte à une faible étendue.

Non seulement la conformation des faisceaux des rayons gamma est difficile à réaliser, mais l'hypothèse selon laquelle un faisceau conformé n'interagit qu'avec une partie définissable avec précision de la formation entourant

le sondage est erronée.

Il est avantageux de supprimer les restrictions et imprécisions des installations connues par utilisation d'une installation de mesure de la masse volumique des formations souterraines au cours du forage d'un sondage traversant la formation, sans délimitation d'une région

étroite de coopération entre les rayons gamma et la forma-

tion ou sans utilisation d'une conformation du rayonnement ou sans nécessiter du déploiement des outils contre la

paroi du sondage.

La présente invention concerne une telle installa-

tion, mettant en oeuvre une nouvelle configuration géomé-

trique de la source et des détecteurs des rayons gamma, permettant la mesure de paramètres de la formation à partir des rayons gamma rétrodiffusés, quelle que soit la position excentrique de l'outil dans le sondage. La mesure est aussi réalisée indépendamment de toute hypothèse portant sur la région particulière de la formation à partir de

laquelle le rayonnement a été rétrodiffusé.

La présente invention concerne un appareil, une installation et un procédé de mesure de la masse volumique d'une formation, à l'aide de rayons gamma rétrodiffusés,

dans une installation de diagraphie en cours de forage.

Un premier mode de réalisation de l'invention est constitué par un appareil de diagraphie destiné à mesurer la masse volumique d'une formation entourant un sondage qui traverse cette formation. L'appareil est destiné à être utilisé dans un train de tiges et il comporte un dispositif destiné à émettre des rayons gamma vers la formation et plusieurs détecteurs destinés à compter le rayonnement gamma émis

et diffusé dans la formation puis revenant vers l'appareil.

Tous les dispositifs de comptage sont à une même distance axiale de la source le long de l'appareil, et ils sont tous placés symétriquement autour de l'axe longitudinal de l'appareil. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'appareil comporte un premier et un second détecteur disposés avec des angles de symétrie de 180 ,

sur des côtés diamétralement opposés de l'appareil.

L'invention concerne aussi un procédé de détermina-

tion de la masse volumique moyenne de la formation terres-

tre entourant un sondage qui traverse cette formation près de l'appareil de mesure. Le procédé comprend l'émission

de rayons gamma dans la formation et la mesure de la quan-

tité de rayonnement rétrodiffusé par la formation à plusieurs emplacements de détecteurs. Ces emplacements sont également espacés le long de l'axe du sondage par rapport à la source qui émet le rayonnement, et ils sont disposés symétriquement

par rapport à l'axe longitudinal de l'appareil de mesure.

L'invention concerne aussi un appareil de diagraphie des sondages destiné à mesurer la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons gamma, dans un sondage passant dans une formation terrestre. L'appareil comporte une sonde allongée ayant un axe longitudinal et une source

de rayons gamma placée dans la sonde. Un ensemble de détec-

tion de rayons gamma est monté dans la sonde et comporte un premier et un second détecteur de rayons gamma, se trouvant à une même distance et dans la même direction à partir de la source de rayonnement, suivant la longueur

de la sonde. Les deux détecteurs sont diamétralement oppo-

sés sur un cercle commun se trouvant dans un plan imaginaire perpendiculaire à l'axe longitudinal. Les signaux de sortie du premier et du second détecteur qui sont obtenus pendant que la sonde tourne autour de son axe longitudinal dans le sondage, sont utilisés pour la formation d'un signal de sortie proportionnel à la masse volumique de la matrice ou roche-mère de la formation entourant le sondage dans la région de la sonde. Cette dernière peut comporter un raccord double cylindrique faisant partie du train de tiges, dans une installation de diagraphie en cours de forage. L'invention concerne aussi un procédé de mesure de la masse volumique d'une formation dans laquelle passe

un sondage, à l'aide de rayons gamma, comprenant l'entraî-

nement en rotation d'une sonde allongée à l'intérieur du sondage avec émission de rayons. gamma dans la formation, à partir d'un premier emplacement se trouvant dans la sonde. Les rayons gamma émis et diffusés par la formation sont détectés à un second et un troisième emplacement

dans la sonde, ces deux emplacements étant diamétrale-

ment opposés sur des côtés opposés de la sonde et étant à une même distance du premier emplacement en direction longitudinale. Un signal de sortie est formé sous l'action

des rayons gamma détectés au second et au troisième empla-

cement, ce signal proportionnel à la masse volumique de la matrice ou roche-mère de la formation entourant le

sondage dans la région de la sonde.

L'invention concerne aussi un dispositif rotatif destiné à être utilisé dans un sondage traversant une formation terrestre, une boue de forage de masse volumique

connue remplissant le sondage, le dispositif rotatif com-

prenant un dispositif destiné à émettre des rayons gamma dans la formation autour du sondage. Un premier et un second dispositif de détection de rayons gamma sont placés sur un cercle commun, en des points diamétralement opposés, le premier et le second dispositif se trouvant à la même distance axiale du dispositif d'émission dans la même direction axiale. Un dispositif de calcul de la masse volumique de la matrice est aussi incorporé et reçoit les signaux de sortie des détecteurs, la valeur de la masse volumique de la boue, un premier facteur d'étalonnage d'outil associé au premier détecteur et dépendant de la

distance comprise entre le premier détecteur et le disposi-

tif émetteur, du métal compris entre le détecteur et la paroi. du sondage et du rendement du premier détecteur, un second facteur d'étalonnage d'outil associé au second détecteur et relié à la distance comprise entre le second détecteur et le dispositif émetteur, au métal compris entre le détecteur et la paroi du sondage et au rendement du second détecteur, et un troisième facteur d'étalonnage d'outil relié à la différence entre le diamètre de l'outil

et le diamètre du sondage.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale schématique illustrant une opération de forage d'un sondage, avec une installation de diagraphie destinée à déterminer la masse volumique de la formation en cours de forage, selon l'invention; la figure 2 est une élévation latérale en coupe partielle d'un mode de réalisation de raccord double destiné à la mesure de la masse volumique de la formation à l'aide de rayons gamma, pendant le forage, selon l'invention;

la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-

3 de la figure 2, représentant la disposition des détecteurs des rayons placés dans l'appareil de la figure 2;

la figure 4 est un diagramme synoptique d'un appa-

reil de traitement destiné à calculer la masse volumique de la matrice de la formation, selon l'invention; la figure 5 est un graphique représentant une courbe d'étalonnage d'un détecteur de rayonnement, donnant la relation entre la vitesse de comptage, portée en unités

logarithmiques arbitraires en ordonnées, et la masse volu-

mique de la formation, portée en abscisses; la figure 6 est un graphique représentant une famille de courbes d'étalonnage donnant la relation entre la masse volumique de la formation, mesurée par un détecteur de l'installation selon l'invention, et la masse volumique

réelle de la formation, pour différentes distances d'éloi-

gnement entre le côté du raccord double et des parois du sondage, le long du diamètre commun de la paire de détec- teurs, la valeur mesurée étant indiquée en ordonnées et la valeur réelle en abscisses; et

la figure 7 est un graphique représentant la rela-

tion entre la distance d'éloignement de l'outil, portée en abscisses et le logarithme de la pente, ce graphique permettant la détermination des constantes k1 et k2 des outils. La figure 1 représente une installation 11 de forage placée à la partie supérieure d'un sondage 12. Une installation 10 de diagraphie destinée à déterminer la masse volumique de la formation à l'aide de rayonnement gamma-gamma simultanément est portée par une sonde ou un raccord double 14 comprenant une partie d'une masse- tige

, et il est destiné à assurer la mesure de la masse volu-

mique des formations entourant le sondage pendant la

progression des opérations de forage.

Un trépan 22 est monté à l'extrémité inférieure du train de tiges 18 et il creuse le sondage 12 dans les formations terrestres 24 alors qu'une boue 26 de forage est pompée à partir de la tête de puits 28. Un tubage métallique 29 est représenté dans le sondage 12 au-dessus du trépan 22 afin qu'il assure l'intégrité du sondage 12 à proximité de la surface. L'anneau 16 délimité entre le train de tiges 18 et la paroi 20 du sondage forme un trajet

de circulation de la boue renvoyée, ce trajet étant théori-

quement fermé. La boue est pompée à partir de la tête de puits 28 par un système 30 de pompage par l'intermédiaire d'une canalisation 31 d'alimentation reliée au train de tiges 18. La boue est ainsi chassée dans le passage axial central du train de tiges 18 et sort au niveau du trépan 22 afin qu'elle entraîne les déblais de forage, comprenant des morceaux de terre, de roche et de matières associées détachées par creusement, du trépan vers la surface. Un conduit 32 est disposé au niveau de la tête de puits afin

qu'il transmette la boue du sondage 18 à une cuve 34.

La boue de forage est habituellement manipulée et traitée à la surface par divers appareils (non représentés), par exemple des ensembles de dégazage, et des réservoirs de

circulation destinés à donner une viscosité et une consis-

tance choisies à la boue. L'installation de diagraphie destinée à déterminer la masse volumique de la formation à l'aide de rayons gamma selon l'invention permet la mesure de la masse volumique de la formation dans les régions entourant le sondage pendant le pompage du fluide de forage

dans le train de tiges et dans le sondage.

Comme l'indique la figure 1, le raccord double 14 et la masse-tige 15 forment une partie de l'installation de diagraphie selon l'invention et de l'appareillage

se trouvant au fond du puits. L'installation 10 est réa-

lisée de manière qu'elle crée une série de signaux destinés à être renvoyés par télémétrie vers la tête de puits ou vers une installation d'enregistrement placée au fond du sondage, ces signaux étant représentatifs de la masse volumique de la matrice ou de la roche-mère de la formation adjacente au sondage. Les installations nécessaires de télemétrie et d'analyse peuvent être de type classique et on ne les décrit pas dans le présent mémoire. Le procédé et l'appareil de mesure de la masse volumique de la formation sont cependant décrits en détail dans la suite, dans le

cadre de l'invention. -

On se réfère maintenant à la figure 2 qui repré-

sente, en élévation partiellement en coupe et schématique-

ment, un raccord double 14 portant une installation réali-

sée selon l'invention. Le raccord double 14 comporte de préférence une masse-tige 15 faisant partie.du train de tiges 18 et aussi représenté juste au-dessus du trépan 22, ceci étant simplement illustratif car le raccord double

14 peut avoir toute autre position dans le train de tiges.

Le raccord double 14 est formé d'un tronçon de masse-tige 15 qui a un trou cylindrique interne 41 destiné

à la transmission du fluide de forage sous pression prove-

nant de la surface, vers le trépan 22. La masse-tige 15 a été modifiée de manière qu'elle comporte deux sources 42 et 43 de rayons gamma, comprenant chacune un élément rapporté fileté destiné à se loger dans des orifices taraudés des parois latérales de la masse-tige 15. Les sources de rayon gamma 42 et 43 peuvent être de tous types

classiques, par exemple au césium 137. Bien que l'instal-

lation selon l'invention ait un fonctionnement satisfaisant avec une seule source, l'utilisation des deux sources 42 et 43 donne au niveau de rayonnement une amplitude suffisante pour que les signaux de sortie des détecteurs soient importants. Les deux sources 42 et 43 se trouvent de préférence à une même position axiale suivant l'axe de l'outil 10 et sont représentées sur un diamètre commun

44 qui est perpendiculaire à l'axe central 46 de la masse-

tige 15.

La masse-tige comporte une cavité cylindrique centrale élargie 61 coaxiale au trou 41 et disposée sur

une partie de la longueur de la masse-tige 15. Deux détec-

teurs 52 et 53 de rayons gamma sont placés à une certaine distance axiale des sources 42 et 43 dans un ensemble rapporté 62 formé de tungstèneassurant une protection et formant un ensemble de détection, à l'extrémité inférieure de la cavité centrale 61. Les deux détecteurs 52 et 53 sont tous deux à la même distance axiale des sources 42 et 43 et on les a représentés dans un plan imaginaire commun 54 qui est aussi perpendiculaire à l'axe central 46 de la masse-tige 15. Un élément rapporté 55 de protection formé de tungstène et ayant une forme annulaire est placé entre les sources 42 et 43 et les détecteurs 52 et 53, et il fait partie de l'élément rapporté 62 et est placé dans le corps de la masse-tige 14 afin qu'il réduise au minimum la détection des rayons gamma des sources pouvant atteindre les détecteurs par "canalisation" du rayonnement suivant l'axe de la masse-tige et du trou 41. Les détecteurs 52 et 53 peuvent être formés de tous dispositifs classiques de détection des rayons gamma, par exemple un arrangement

de tubes de Geiger-Mueller, ou il peut s'agir de scintil-

lateurs à l'iodure de sodium.

On se réfère maintenant à la figure 3 qui est une courbe schématique suivant la ligne 3-3 de la figure 2 indiquant la disposition relative des détecteurs 52 et 53 placés dans le corps de la masse-tige 15. Le détecteur gauche 52 est représenté comme formé d'un arrangement de

trois tubes 52a à 52c de Geiger-Mueller alors que le détec-

teur droit 53 est représenté formé d'un arrangement de trois tubes de Geiger-Mueller 53a à 53c. Un blindage de tungstène 56 lui aussi faisant partie de l'élément rapporté 62, est représenté entre le détecteur gauche 52 et le trou 41 alors qu'un blindage analogue 57 est représenté entre le trou 41 et le détecteur droit 53. Les blindages 56 et 57 réduisent au minimum la détection du rayonnement par les détecteurs 52 et 53, lorsque le rayonnement ne vient

pas de la formation.

Une caractéristique importante de la configuration géométrique originale de l'installation de diagraphie selon l'invention est que les deux détecteurs 52 et 53 sont placés

symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la masse-

tige 15, en étant séparés par des angles azimutaux égaux, c'est-à-dire de 180 , sur des côtés diamétralement opposés de la masse-tige. Les deux arrangements 52 et 53 se trouvent sur un diamètre commun 58 d'un cercle commun se trouvant dans le plan imaginaire 54 qui est perpendiculaire à l'axe de la masse-tige 15. Les deux détecteurs sont aussi à une même distance des sources 42 et 43. Comme l'indique la figure 3, l'installation selon l'invention permet une mesure précise de la masse volumique de la formation quelle que soit l'excentricité de la masse-tige dans le sondage 12 car les distances entre l'outil excentré et la paroi du

sondage sont automatiquement compensées d'une manière mathé-

matique et par les effets de moyenne obtenus lorsque l'outil

tourne pendant l'opération de diagraphie.

Il faut maintenant définir certains termes avant

de démontrer la signification de la configuration géométri-

que originale des différents éléments mis en oeuvre selon

l'invention et des conséquences mathématiques obtenues.

La distance d'éloignement gauche entre la paroi latérale du trou 12 et la masse-tige 15 est appelée "A" et est mesurée le long du diamètre commun 58. De même, la distance "B" est la distance d'éloignement droit entre le côté de la masse-tige 15 et la paroi du sondage, cette distance mesurée aussi suivant l'axe commun 58. La distance "TD" mesurée suivant l'axe commun 58, désigne le diamètre de

l'outil. La distance "BD" est le diamètre du sondage.

Les deux détecteurs 52 et 53 sont placés de part et d'autre de la massetige 15, et à des distances axiales égales des sources de rayonnement 42 et 43 (ou d'une seule

source le cas échéant). Ainsi, on peut utiliser les carac-

téristiques géométriques du sondage lui-même pour la résolu-

tion de trois équations simultanément et pour la détermina-

tion de la masse volumique de la matrice de la formation.

Si l'on appelle PL la masse volumique mesurée

par le détecteur à gauche sur la figure 3, la masse volumi-

que de la formation est donnée par l'équation PL: (1 0 Pma + P p] (1 -a) + aPm-, ou (6)

P

p UP (7) óL Pma (1 -) + apm, (7) L ma m avec Pma = masse volumique de la matrice de la formation, = porosité de la formation, Pf = masse volumique du fluide se trouvant dans -la formation, Pm = masse volumique de la boue a = fraction des rayons gamma intéragissant dans la boue, et P ma =(1 - 0) a + OPf = masse volumique apparente mamf

de la formation.

Il faut noter que les équations (6) et (7) sont aussi valables dans le cas des configurations ayant des outils suspendus aussi bien que pour la détection de la formation par des rayons gamma pendant la mesure en cours

de forage.

Si l'on appelle PR la masse volumique de la formation mesurée par le détecteur se trouvant à droite sur la figure 3, la masse volumique de la formation est aussi donnée par la relation PR =P ma (1 -) +BPm (8) 8 étant la fraction des rayons gamma interagissant dans

la boue. On sait aussi, d'après la configuration géométri-

que, que le diamètre TD de l'outil et le diamètre BD du sondage sontreliés à la position des outils dans le sondage par la relation suivante:

A + B + TD + BD (9)

A étant la distance mesurée entre la face gauche de l'outil et la surface gauche du sondage, perpendiculairement (éloignement gauche), et B étant l'éloignement droit de l'outil comme indiqué sur la figure 3. On peut noter que la probabilité de propagation d'un photon (rayon gamma) sur une distance A avant une collision est simplement sous la forme exp(-klA). La probabilité d'une interaction à une distance quelconque inférieure à A est donnée par (1-exp(-klA)). De même, la probabilité d'une interaction à une distance inférieure à B est donnée par (1-exp(-k2B)). Les valeurs k1 et k2 sont des constantes géométriques spécifiées dans la suite. Avec les relations précédentes, on peut écrire les relations suivantes: a=1 - eklA (10) et : k 2B a = 1 - e-, i2 (11)

a et B sont les probabilités pour que les rayons gamma inte-

ragissent dans la boue, et (1 -e) et (1 -a) sont les proba-

bilités pour que les photons interagissent dans la matrice de la formation et non dans la boue. La combinaison des équations (7) et (10) donne PL P + e -K1A ( ma) (12) La configuration géométrique impose des contraintes physiques à l'outil dans le sondage si bien qu'on a la relation suivante A = BD-TD - B = k3-B (13) et nous pouvons réécrire l'équation (10) en fonction de la distance d'éloignement B sous la forme PL = PM + e k (k3 B) (Pma - P) (14)

On peut aussi réécrire l'équation (8) en fonction de l'éloi-

gnement B sous la forme: e-k2B = (pR -Pm)/(P ma P) (15)

ou, en élevant à la puissance kl/k2, on peut écrire l'équa-

tion (15) sous la forme e-klB = (PR -Pm)/(P'ma P 1m)l12 (16) La combinaison des équations 16 et 14 donne alors -kk)/P PL =Pm + e 1 3 (p' ma -pm)[(P' ma- m)/(PRPm)l /k2 (18) 2 cette équation pouvant être résolue afin qu'elle donne la masse volumique de la matrice de la formation, P'ma =Pm + Jeklk2k3( PL-pm)k2( pR-pm)kl 1/kl+k2 (19)

Lorsque k' = k2, la description montrant ultérieurement

que les deux valeurs peuvent être égales, on peut réécrire k=kl=k2 et l'équation (19) devient ma = fe k3 (PL -Pm) (PR Pm)] +Pm (20) A partir de ces équations, on peut déterminer en principe la masse volumique de la formation d'après les masses volumiques observées et enregistrées par les détecteurs droit et gauche et d'après la masse volumique de la boue utilisée au moment des mesures. La constante k3 est directement déterminée d'après la différence entre le diamètre de l'outil et le diamètre du sondage dans lequel il est utilisé. Les constantes k1 et k2 des outils sont déterminées par la distance comprise entre les détecteurs et la source, l'épaisseur de la paroi de la masse-tige

placée entre le détecteur et la surface externe de la masse-

tige, et le rendement des détecteurs. Dans le cas de détec-

teurs appariés et d'une masse-tige symétrique, k1 est égal à k2. Les constantes k1 et k2 des outils sont déterminées pendant l'étalonnage de l'outil d'une manière analogue à ce qui est réalisé lorsque les outils suspendus classiques sont étalonnés dans un puits d'essai comme indiqué dans

la suite.

Pendant l'étalonnage, un puits d'essai ayant plu-

sieurs formations dont les lithologies sont connues, est utilisé par exposition de l'outil à des conditions connues de masse volumique. La figure 5 est préparée. Elle indique le logarithme de la vitesse de comptage du détecteur (en unité arbitraire) en fonction de la masse volumique indiquée, lorsque la surface de l'outil est directement en butée

contre la surface de la formation.

L'outil est ensuite placé à une valeur prédéterminée de la distance d'éloignement et une série de formations ayant une masse volumique connue est étudiée afin qu'une masse volumique mesurée soit indiquée pour chaque valeur réelle comme l'indique la figure 6. L'outil est alors

monté pour toute une série de distances différentes d'éloi-

gnement et l'opération est répétée afin que toute une famille

de courbes soit obtenue comme indiqué sur la figure 6.

Le logarithme de chaque pente de la famille de courbes de la figure 6 est alors porté en fonction de la distance d'éloignement, sur un papier semilogarithmique afin qu'une droite de pente négative telle qu'indiquée sur la figure

7 soit obtenue. La pente de cette droite constitue la cons-

tante k1 ou k2 associée au détecteur considéré.

Comme l'indique la figure 4, le nombre donné par le détecteur gauche 52 est déterminé en 62 alors que le nombre donné par le détecteur droit 53 est déterminé en 63, par unité de temps et, de manière classique, la valeur de la masse volumique de la formation est déterminée en

64 et 65 pour les détecteurs gauche et droit respectivement.

Ensuite, cette information est introduite dans le processeur 66 avec une masse volumique connue ou mesurée de la boue 67 et les constantes d'étalonnage mesurées de l'outil k1 et k provenant de la mémoire 68. Le processeur donne ensuite une valeur calculée de la masse volumique de la matrice de la formation, et la porosité peut être déduite d'après

les opérations classiques dans cette technique.

La technique selon l'invention repose sur trois hypothèses fondamentales qui permettent la mise en oeuvre

efficace des caractéristiques géométriques de l'outil.

D'abord, on suppose que le sondage est relativement proche de la valeur nominale et ne comporte pas un nombre important de cavités ou de parties à fouiller. Dans la région du

sondage proche du trépan, il s'agit d'une hypothèse fiable.

Cependant, lorsque cela n'est pas le cas, un outil de diamé-

trage peut être incorporé à l'installation selon l'invention

afin qu'il permette la compensation en fonction des varia-

tions du diamètre du sondage. Néanmoins, cette restriction

n'est pas aussi importante que dans le cas des détec -

teurs suspendus car l'outil selon l'invention ne nécessite pas un contact avec la paroi pour donner des résultats valables, comme dans la très grande majorité des détecteurs suspendus. La seconde hypothèse est que le gâteau de boue formé sur les parois du sondage n'a pas encore eu le temps

de se former pendant les opérations de diagraphie du puits.

Comme l'outil selon l'invention fonctionne dans une opéra-

tion de mesure en cours de forage en un point proche du

trépan, cette hypothèse est raisonnable. La troisième hypo-

thèse est que la masse volumique de la boue est connue ou peut être facilement déterminée. Il s'agit aussi d'une

très bonne hypothèse.

Il faut noter qu'une installation de diagraphie destinée à la détermination de la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons gamma selon l'invention peut être réalisée avec trois détecteurs ou plus à la place des deux qui sont représentés dans le mode de réalisation préféré. Dans tous les cas, les détecteurs se trouvent dans un plan imaginaire perpendiculaire à l'axe du boîtier et sont disposés symétriquement en azimut les uns par rapport aux autres, c'est-à-dire qu'ils présentent une symétrie de rotation autour de l'axe du sondage. Evidemment, les équations destinées à déterminer la masse volumique de la matrice de la formation sont de plus en plus compli-

quées dans le cas des structures ayant plus de deux arran-

gements, mais elles peuvent être résolues de la même manière

que pour la configuration à deux détecteurs dans l'arrange-

ment. Il faut aussi noter que l'appareil selon l'invention a été représenté comme étant placé dans un bottier ou dans une sonde comportant une masse-tige faisant partie du train de tiges. Bien que l'appareil soit particulièrement utile dans les installations de diagraphie en cours de forage, les caractéristiques particulières de l'outil peuvent aussi être utilisées dans des sondes suspendues à un câble qui ne sont pas utilisées pendant l'opération

de forage.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses

éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.

Claims (26)

REVENDICATIONS

1. Appareil de diagraphie destiné à déterminer la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons

gamma, destiné à être utilisé dans un sondage (16) traver-

sant une formation terrestre, caractérisé en ce qu'il comprend une sonde allongée (14) ayant un axe longitudinal, une source (42,43) de rayons gamma, placée dans la sonde, un ensemble de détection de rayons gamma placé dans la sonde et comprenant plusieurs détecteurs (52,53), tous placés à une même distance, en direction longitudinale, de la source du rayonnement suivant la longueur de la sonde, les détecteurs étant placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la sonde, et un dispositif destiné à recevoir les signaux de sortie des détecteurs et à former un signal de sortie proportionnel à la masse volumique de la matrice de la

formation entourant le sondage dans la région de la sonde.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde comporte un raccord double cylindrique (14) raccordé à un train de tiges (18), afin qu'il soit

utilisé pour des mesures en cours de forage.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un second détecteur (52,53) disposés symétriquement à 18'0 , sur des côtés

diamétralement opposés de la sonde.

4. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3, caractérisé en ce que le signal de sortie est formé en fonction de signaux provenant des détecteurs (52,53) pendant que la sonde (14) tourne autour de son

axe longitudinal dans le sondage.

5. Appareil selon l'une des revendications 1 et

2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un blindage (62) de protection contre le rayonnement, placé dans la

sonde entre la source du rayonnement (42,43) et les détec-

teurs (52,53) afin que la quantité de rayonnement reçue

directement de la source par les détecteurs soit limitée.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre un blindage (56,57) de protec-

tion placé dans la sonde radialement vers l'intérieur par rapport à chaque détecteur afin qu'il limite la quantité de rayonnement reçue directement d'une région de la formation se trouvant du côté de la sonde opposé à celui auquel

se trouve le détecteur.

7. Installation de diagraphie destinée à déterminer la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons gamma, destinée à être utilisée dans un sondage traversant une formation terrestre, caractérisée en ce qu'elle comprend un bottier allongé (14) raccordé à un train de tiges (18), une source de -rayons gamma (42,43) placée dans le bottier, un ensemble de détection de rayons gamma, placé dans le bottier et comprenant plusieurs détecteurs (52,53) de rayons gamma, tous placés à une même distance de la

source le long du bottier, dans une même direction longitu-

dinale, et placés symétriquement par rapport à l'axe longi-

tudinal du bottier, et un dispositif destiné à recevoir les signaux de sortie des détecteurs formés pendant que le boîtier est placé dans le sondage et destiné à former un signal de sortie proportionnel à la masse volumique de la. matrice

de la formation entourant le sondage.

8. Installation selon la revendication 7, carac-

térisée en ce que le bottier (14) est raccordé au train de tiges (18) près-du trépan (22), à un endroit o le diamètre

du sondage est relativement constant.

9. Installation selon l'une des -revendications

7 et 8, caractérisée en ce qu'elle comprend aussi un blin-

dage (62) de protection contre le rayonnement, placé dans le bottier dans la région comprise entre la source (42,43)

du rayonnement et les détecteurs (52,53) afin que la quanti-

té de rayonnement reçue directement de la source par les

détecteurs soit limitée.

10. Installation selon la revendication 9, carac-

térisée en ce qu'elle comprend en outre un blindage (56,

57) de protection contre le rayonnement, placé dans le bol-

tier radialement vers l'intérieur par rapport à chaque détecteur et destiné à limiter la quantité de rayonnement reçue par les détecteurs et provenant d'une région de la formation se trouvant du côté de la sonde opposé à celui

auquel se trouve le-détecteur.

11. Installation selon la revendication 7, carac-

térisée en ce que la source de rayons gamma comporte deux sources (42,43) ayant une position axiale commune et placées dans un plan imaginaire commun perpendiculaire à l'axe

du boîtier.

12. Installation selon la revendication 7, carac-

térisée en ce qu'elle comprend un premier et' un second détecteur (52,53) disposés symétriquement à 180 sur des

côtés diamétralement opposés du bottier.

13. Installation selon l'une des revendications

7 et 11, caractérisée en ce que la source (52,53) des rayons

est le césium 137.

14. Installation selon l'une des revendications

7 et 12, caractérisée en ce que le signal de sortie est transmis en fonction des signaux provenant des détecteurs (52,53) pendant que le bottier tourne autour de son axe

longitudinal dans le sondage.

15. Installation selon la revendication 7, carac-

térisée en ce que les détecteurs de rayonnement (52,53)

sont formés chacun d'un arrangement de tubes Geiger-Mueller.

16. Installation selon la revendication 6, carac-

térisée en ce que les détecteurs de rayonnement (52,53)

sont formés chacun d'un arrangement de détecteurs à scintil-

lation.

17. Procédé de diagraphie destiné à la détermina-

tion de la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons gamma, destiné à être utilisé dans un sondage (16) traversant une formation terrestre, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'une sonde allongée (14) dans le sondage, l'émission de rayons gamma dans la formation à partir d'un premier emplacement à l'intérieur de la sonde, la détection des rayons gamma émis et diffusés par la formation à plusieurs emplacements dans la sonde, les emplacements étant placés symétriquement par rapport

à l'axe longitudinal de la sonde et étant à une même dis-

tance du premier emplacement, dans une même direction longitudinale, et la formation d'un signal de sortie en fonction des rayons gamma détectés aux différents emplacements, ce signal de sortie étant proportionnel à la masse volumique de la matrice de la formation entourant le sondage dans

la région de la sonde.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé

en ce que la disposition de la sonde comprend -l'entralne-

ment en rotation de la sonde (14) dans le sondage (16), et l'opération de détection comprend la détection des rayons gamma émis à un second et à un troisième emplacement

qui sont disposés symétriquement à 180 et qui sont diamé-

tralement opposés, sur des côtés opposés de la sonde (14).

19. Dispositif rotatif destiné à être utilisé dans un sondage (16) traversant une formation terrestre, une boue de forage de viscosité connue remplissant le sondage, caractérisé en ce qu'il comprend -un dispositif (42,43) destiné à émettre des rayons gamma dans la formation entourant le sondage, un premier et un second dispositif (52,53) de détection des rayons gamma, placés sur un cercle commun en des points diamétralement opposés, le premier et le second dispositif se trouvant à une même distance axiale du dispositif d'émission, dans une même direction axiale, un dispositif destiné à recevoir les signaux de sortie des détecteurs, la masse volumique de la boue et les facteurs suivants d'étalonnage d'outils, et à calculer la masse volumique de la matrice, ces facteurs d'étalonnage comprenant un premier facteur d'étalonnage d'outils (kl) associé au premier détecteur (52) et relié à la distance comprise entre le premier détecteur et le dispositif émetteur, au métal placé entre le détecteur et la paroi du sondage et au rendement du premier détecteur, un second facteur d'étalonnage d'outils (k2) associé au second détecteur (53) et relié à la distance comprise entre le second détecteur et le dispositif émetteur, au métal compris entre le détecteur et la paroi du sondage, et au rendement du second détecteur, et un troisième facteur d'étalonnage d'outils (k3) relié à la différence entre le diamètre de l'outil et

le diamètre du sondage.

20. Installation de diagraphie destinée à déterminer la masse volumique d'une formation à l'aide de rayons gamma et à être utilisée dans un sondage traversant une formation terrestre, du type dans lequel une source de rayons gamma (42,43) et un dispositif de détection (52, 53) sont placés dans un boîtier (14) destiné à être placé dans un sondage (16) afin que les rayons gamma soient

émis et détectés, les rayons se propageant dans la forma-

tion terrestre, ladite installation étant caractérisée en ce que

le bottier est destiné à être raccordé longitidu-

nalement à un train de tiges rotatif (18) placé dans le sondage, le dispositif de détection des rayons gamma comprend plusieurs capteurs (52, 53) de rayons gamma placés dans le boîtier à une même distance longitudinale de la source, dans un plan imaginaire commun perpendiculaire à l'axe longitudinal du boîtier et séparés par des angles égaux, et un dispositif destiné à recevoir les signaux de

sortie des capteurs et à former un signal de sortie propor-

tionnel à la masse volumique de la matrice de la formation

terrestre adjacente.

21. Installation selon la revendication 20, carac-

térisée en ce que le boîtier est une sonde cylindrique (14) raccordée au train de tiges (18) près du trépan (22), le diamètre du sondage étant relativement constant.

22. Installation selon la revendication 20, carac-

térisée en ce que le dispositif de détection des rayons gamma comporte un premier et un second capteur (52,53) placés à 180 l'un de l'autre sur des côtés diamétralement

opposés de la sonde.

23. Installation selon la revendication 20, carac-

térisée en ce que le dispositif destiné à former le signal de sortie reçoit les signaux des capteurs obtenus pendant

que le train de tiges et le boîtier tournent.

24. Installation selon la revendication 20, carac-

térisée en ce que la source comporte deux sources de rayonnement (42,43), ayant une position axiale commune

et placées dans un plan imaginaire commun qui est perpendi-

culaire à l'axe du boîtier (14).

25. Installation selon la revendication 20, carac-

térisée en ce que le dispositif de détection (52,53) com-

porte des arrangements de détecteurs à scintillation.

26. Installation de diagraphie destinée à la déter-

mination de la masse volumique d'une formation à l'aide

de rayons gamma et à être utilisée dans un sondage traver-

sant une formation terrestre, du type dans lequel une source et un dispositif de détection de rayons gamma sont placés dans un bottier cylindrique (14) destiné à être disposé dans un sondage (16) afin que des rayons gamma émis et détectés se propagent dans la formation terrestre et dans la boue de forage du sondage, caractérisée en ce que

le boîtier est destiné à être raccordé longitudina-

lement à un train de tiges rotatif (18) placé dans le sondage, le dispositif de détection de rayons gamma comporte

un premier et un second capteur (52,53) disposés géométri-

quement à l'intérieur du boîtier à une même distance lon-

gitudinale de la source,-dans un plan imaginaire commun qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du bottier et à une même distance de son centre, et un dispositif est destiné à former un signal de sortie représentatif de la masse volumique de la matrice de la formation, pendant que le train de tiges (18) et le bottier (14) tournent, le signal étant proportionnel aux signaux de sortie des capteurs, à la masse volumique de la boue de forage se trouvant dans le sondage, à la configuration géométrique des capteurs par rapport à la source, et au diamètre du sondage par rapport au diamètre du bottier, ainsi qu'à une probabilité établie d'interaction de la fraction de rayons gamma avec la formation et la boue

de forage.