FR2890410A1 - Appareil et procede pour mesurer la resistivite d'un fluide - Google Patents

Abstract

Un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide comprend une canalisation adaptée pour être en communication fluidique avec des fluides de formation, caractérisé en ce que la canalisation comprend une première section composée d'une première zone conductrice, une seconde section composée d'une seconde zone conductrice, et une section isolante placée entre la première section et la seconde section pour empêcher toute communication électrique directe entre la première section et la seconde section ; un premier tore et un second tore entourant la canalisation autour de la première section et de la seconde section, respectivement, caractérisés en ce que le premier tore est configuré pour induire un courant électrique dans un fluide dans la canalisation et le second tore est configuré pour mesurer le courant électrique induit dans le fluide dans la canalisation ; et un ensemble électronique pour contrôler les fonctions du premier tore et du second tore.

Description

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APPAREIL ET PROCÉDÉ POUR MESURER LA RÉSISTIVITÉ D'UN FLUIDE HISTORIQUE DE L'INVENTION Des sondages sont forés dans la formation terrestre pour récupérer des dépôts d'hydrocarbures et d'autres matériaux recherchés piégés dans les formations inférieures. Typiquement, un puits est foré en connectant un trépan à une extrémité inférieure d'une série de sections couplées de tubes dénommée garniture de forage. Des fluides de forage, ou boue, sont pompés dans un alésage central de la garniture de forage et sortent par des orifices situés au niveau du trépan. Les fluides de forage lubrifient et refroidissent le trépan, transportent les déblais de forage jusqu'à la surface et établissent une charge hydrostatique suffisante pour empêcher les fluides de la formation de jaillir du sondage lorsqu'ils sont atteints. Quand le sondage a été foré suffisamment profondément pour atteindre un point présentant un intérêt, des opérations de perforation et de fracturation de la formation souterraine sont effectuées pour permettre aux hydrocarbures, s'ils sont présents, de s'écouler depuis la formation dans le sondage nouvellement foré. Puisque la pression hydrostatique de la colonne de boue de forage peut être plus élevée que les pressions des hydrocarbures dans le réservoir, les hydrocarbures peuvent ne pas s'écouler d'eux-mêmes depuis la formation dans le sondage. Avant d'entamer des opérations de récupération à pleine échelle, les opérateurs de forage et de production préfèrent réaliser des essais sur les fluides de formation pour s'assurer que le type et la quantité corrects d'hydrocarbures sont présents dans la formation avant de compléter le puits. Une fois que les fluides de formation ont été correctement identifiés, différentes opérations sont effectuées pour récupérer les hydrocarbures dans la formation.

Pour réaliser des essais sur les fluides, un appareil d'essai des formations est typiquement déployé en fond de trou. Différents appareils d'essai des fluides de formation sont connus dans l'art pour les applications au câble et de diagraphie en cours de forage, y compris l'appareil d'essai dynamique modulaire vendu sous le nom commercial de MDTTM par Schlumberger Technology Corp. (Houston, Texas). Une description détaillée de ces outils est incluse dans les brevets U.S. n 4 860 581 et 4 936 139 délivrés à Zimmerman et al. et la demande publiée de brevet U.S. No. 2004/0104341 par Betancourt et al. Ces brevets et la demande sont cédées au cessionnaire de la présente invention.

La Figure 1 illustre un schéma d'un appareil d'essai des formations 10 suspendu dans le sondage 12 à partir de l'extrémité inférieure d'un câble multiconducteurs typique 15 qui est enroulé de manière traditionnelle sur un treuil convenable (non illustré) sur la surface de la formation. Le câble 15 est couplé électriquement à un système de contrôle électrique 18 sur la surface de la formation. L'outil 10 comprend un corps allongé 19 qui abrite la portion de fond du système de contrôle de l'outil 16. Le corps allongé 19 transporte également un ensemble d'admission du fluide extensible de manière sélective 20 et un élément d'ancrage de l'outil extensible de manière sélective 21 qui sont respectivement placés sur des côtés opposés du corps de l'outil. L'ensemble d'admission du fluide 20 est équipé pour isoler de manière sélective des portions choisies de la paroi du sondage 12 de manière à ce que la communication de pression ou de fluide soit établie avec la formation terrestre adjacente 14. L'outil 10 comprend également des moyens de détermination de la pression et de la température de fond (non illustrés) et un module d'analyse du fluide 25 à travers lequel s'écoule le fluide. Le fluide peut ensuite être rejeté par un orifice (non illustré) ou peut être envoyé à une ou plusieurs chambres de collecte du fluide 22 et 23, qui peuvent recevoir et retenir les fluides obtenus à partir de la formation. Le contrôle de l'ensemble d'admission du fluide, de la section d'analyse du fluide et du trajet d'écoulement vers les chambres de collecte est maintenu par les systèmes de contrôle électriques 16 et 18. Comme le comprendra l'homme de métier, les systèmes de contrôle électriques peuvent comprendre un ou plusieurs microprocesseurs, une mémoire associée et d'autres matériels et/ou logiciels pour réaliser l'invention.

Avant que des échantillons de la formation soient recueillis dans les chambres de collecte 22 et 23, il est souhaitable de s'assurer que les fluides proviennent de la formation vierge, c'est-à-dire, ne sont pas contaminés par le fluide de forage provenant de la zone envahie. Pour s'assurer que des fluides de la formation vierge sont recueillis, un analyseur de fluide 25 est utilisé pour contrôler les propriétés des fluides lorsqu'ils sont soutirés. Le module d'analyse du fluide 25 peut être un module optique, un module à capteur de pression, un module de résistivité ou l'équivalent. Parmi ces derniers, le module de résistivité est particulièrement utile à cause de sa plage dynamique étendue. Un module de résistivité typique peut -3 - comprendre plusieurs électrodes qui sont en contact avec le fluide. Ces électrodes sont utilisées pour injecter des courants dans le fluide et mesurer la chute de tension sur une distance donnée. Un exemple d'un tel module est dévoilé à la Figure 1 (élément 56) du brevet U.S. n 4 860 581 délivré à Zimmerman. La Figure 2 représente un exemple d'un tel module (capteur).

Comme illustré à la Figure 2, la résistivité du fluide est déterminée par un capteur à quatre électrodes, dans lequel les quatre électrodes sont des tubes métalliques courts séparés l'un de l'autre et des canalisations d'entrée et de sortie par des tubes isolants courts. Les deux électrodes extérieures injectent un courant électrique (I) dans l'échantillon de fluide tandis que la chute de tension (V) est mesurée entre les deux électrodes intérieures. Avec un courant connu (I) et la tension mesurée (V), la résistivité du fluide est obtenue.

Cependant, ces dispositifs à électrodes sont exposés aux fluides dans la canalisation qui peuvent être à des pressions relativement élevées (jusqu'à 200 000 kPa). Par conséquent, de bons joints (par exemple, une cloison, des joints toriques ou d'autres joints mécaniques) sont nécessaires pour protéger les parties électroniques qui sont à l'extérieur de la canalisation et sont à la pression atmosphérique (environ 100 kPa). Puisque les sondages forés à de telles profondeurs sont souvent du diamètre le plus faible possible, un tel équipement de mesure et les mécanismes d'étanchéification (cloison et joints toriques) ont nécessairement de très faibles dimensions. Dans le volume restreint disponible pour le capteur de résistivité, il est difficile d'obtenir des joints résistants à la pression entre tous les tubes isolés et les tubes métalliques. Pour un capteur illustré à la Figure 2, au moins huit joints seraient nécessaires; dix sont nécessaires, y compris les joints entre les tubes isolants extérieurs et les canalisations d'entrée et de sortie du fluide. À la place, quatre passe-fils électriques dans la cloison sont utilisés pour les quatre fils qui raccordent les électrodes à l'électronique. Aux températures et pressions extrêmes, même les quatre passe-fils électriques dans la cloison peuvent s'avérer peu fiables. Par conséquent, il est très difficile de produire un capteur de résistivité fiable.

Par conséquent, il existe encore le besoin d'avoir des procédés et appareils pour la mesure de la résistivité qui puissent être utilisés de manière fiable dans des appareils d'essai des 30 formations ou des équipements de fond similaires.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION Un aspect de l'invention concerne un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide. Un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide conforme à une réalisation de l'invention comprend une canalisation adaptée pour être en communication fluidique avec les fluides de la formation, caractérisé en ce que la canalisation comprend une première section composée d'une première zone conductrice, une seconde section composée d'une seconde zone conductrice, et une section isolante placée entre la première section et la seconde section pour empêcher toute communication électrique directe entre la première section et la seconde section, caractérisé en ce que la première zone conductrice et la seconde zone conductrice sont configurées pour entrer en contact avec un fluide contenu dans la canalisation de manière à ce que, de pair avec un trajet conducteur placé à l'extérieur de la canalisation, une boucle de retour de courant soit formée; un premier tore et un second tore entourant la canalisation, caractérisé en ce que le premier tore est configuré pour induire un courant électrique dans le fluide dans la canalisation et le second tore est configuré pour mesurer le courant électrique induit dans le fluide dans la canalisation; et un ensemble électronique pour contrôler les fonctions du premier tore et du second tore.

Un aspect de l'invention concerne un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide. Un appareil conforme à une réalisation de l'invention comprend une canalisation adaptée pour être en communication fluidique avec les fluides de la formation, caractérisé en ce que la canalisation est fabriquée en un matériau isolant; un premier tore et un second tore entourant la canalisation et espacés l'un de l'autre le long de la canalisation, caractérisé en ce que le premier tore est configuré pour induire un courant électrique dans un fluide contenu dans la canalisation et le second tore est configuré pour mesurer le courant électrique induit dans le fluide; un boîtier métallique abritant le premier tore, le second tore et une section de la canalisation, caractérisé en ce que le boîtier métallique est configuré de manière à assurer un trajet de retour du courant pour le courant électrique induit dans le fluide; et un ensemble électronique pour contrôler les fonctions du premier tore et du second tore.

Un autre aspect de l'invention concerne des procédés pour mesurer la résistivité d'un fluide de formation dans un sondage. Un procédé conforme à une réalisation de l'invention comprend l'écoulement du fluide de formation à travers une canalisation d'un appareil de mesure de résistivité, la canalisation comprenant une section isolante entre une première section conductrice et une seconde section conductrice; l'induction d'un courant électrique dans le fluide de formation dans la canalisation avec un premier tore; et la mesure du courant électrique induit dans le fluide de formation avec un second tore.

D'autres aspects et avantages de l'invention seront apparents à partir de la description 5 suivante et des revendications jointes.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La Figure 1 est un schéma d'un appareil d'essai des formations de l'art antérieur placé dans un puits de forage.

La Figure 2 est un schéma d'un capteur de résistivité de l'art antérieur ayant quatre 10 électrodes.

La Figure 3 est un schéma d'un capteur de résistivité à tores conforme à une réalisation de l'invention.

La Figure 4 est une vue transversale schématique d'un appareil de mesure de résistivité d'un fluide conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 5 est une vue transversale schématique d'une canalisation de fluide conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 6 est une vue transversale schématique d'une autre canalisation de fluide conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 7 est une vue transversale schématique d'une autre canalisation de fluide 20 conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 8 est une vue transversale schématique d'une autre canalisation de fluide conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 9 est une vue transversale schématique d'une autre canalisation de fluide conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 10 est une vue transversale schématique d'une autre canalisation de fluide conforme à une réalisation de la présente invention. -6 -

La Figure 11 est un schéma qui représente une courbe de résistivité à laquelle on peut s'attendre quand un puits est foré avec une boue à base d'eau et lors de l'essai d'une zone contenant de l'huile.

La Figure 12 est un schéma mécanique d'un appareil de mesure conforme à une réalisation 5 de la présente invention.

La Figure 13 est un schéma électrique d'un circuit conforme à une réalisation de la présente invention.

La Figure 14 est un dispositif de mesure de résistivité comprenant une boucle d'étalonnage ou des enroulements secondaires sur les tores pour étalonnage conformément à une 10 réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les réalisations de l'invention concernent un capteur de résistivité pouvant être utilisé dans un appareil d'essai des formations ou un équipement similaire. Un capteur de résistivité conforme à des réalisations de l'invention n'est pas basé sur des électrodes qui sont en contact direct avec les fluides pour la mesure de la résistivité. À la place, un capteur de résistivité conforme à des réalisations de l'invention utilise des tores pour mesurer de manière inductive la résistivité des fluides dans une canalisation. Un capteur de résistivité conforme à des réalisations de l'invention peut être utilisé dans un analyseur de fluide d'un appareil d'essai des formations (par exemple, 25 à la Figure 1).

La Figure 3 est un schéma d'un capteur de résistivité à tores conforme à une réalisation de l'invention. Comme illustré à la Figure 3, le capteur de résistivité 30 comprend une canalisation 35 qui est composée d'un segment isolant 33 flanqué de deux segments conducteurs 31, 32. Il convient de remarquer que le segment isolant 33 est illustré comme étant fabriqué entièrement en un matériau électriquement isolant (par exemple, céramique, verre, PEEK, etc.), alors que les segments conducteurs 31, 32 sont fabriqués entièrement en un matériau conducteur (par exemple, métal). Cependant, l'homme de métier comprendra que le segment isolant 33 peut également être composé d'un corps conducteur avec un revêtement isolant sur la surface intérieure pourvu qu'il n'existe pas de trajet conducteur continu le long de sa longueur qui permette au courant de passer entre les segments conducteurs 31 et 32. De manière similaire, les segments conducteurs 31, 32 peuvent également être fabriqués en un matériau non conducteur avec un revêtement conducteur sur la surface intérieure. Différentes modifications de la construction d'une canalisation conformément à des réalisations de l'invention seront illustrées avec plusieurs exemples dans une section ultérieure, en référence aux Figures 5 à 10.

En se référant à nouveau à la Figure 3, deux tores Ti, T2 sont placés autour (ou circonscrivent) des segments conducteurs 31, 32. L'homme de métier sait qu'un tore est composé d'un noyau en forme d'anneau, qui est typiquement fabriqué en ferrite ou un autre matériau ferromagnétique, et d'enroulements de fil conducteur sur le noyau. Quand un courant traverse l'enroulement de fil conducteur, un champ magnétique est induit. Le champ magnétique induit, qui est essentiellement aligné avec le trajet circulaire du noyau, peut induire un courant dans un matériau conducteur entouré par le noyau. Le courant induit voyage dans une direction parallèle à l'axe du noyau.

Par conséquent, quand le tore Ti est sous tension, il induit de manière inductive un courant dans les fluides dans la canalisation 35. La présence d'un segment isolant 33 empêche le courant électrique induit de passer directement du premier segment conducteur 31 au second segment conducteur 32, et force le courant induit à traverser la colonne de fluide contenue dans le segment isolant 33 (illustrée par les flèches en pointillés 39) pour atteindre le second segment conducteur 32. Un trajet de retour du courant 38 permet alors au courant de retourner au segment conducteur 31, ce qui complète le circuit. Le courant induit dans le second segment conducteur 32 et le fluide contenu dans ce dernier induit à son tour de manière inductive un courant (ou tension) dans le second tore T2. Le courant, ou tension, détecté dans le tore T2 peut être comparé au courant (ou tension) appliqué au tore Tl pour calculer une résistance du fluide (Rf) sur le segment isolant 33. Cette résistance (Rf) est une fonction de la résistivité du fluide (pf), de la section transversale (A) de la canalisation 35 et de la longueur (l) du segment isolant 33. C'est-à-dire Rf = K x pf x l / A, où K est une constante qui dépend de la géométrie et a une value proche de 1. K peut être déterminé à partir d'un étalonnage unique en utilisant un fluide de résistivité connue. En conséquence, la résistance (Rf) peut être déterminée d'après la tension mesurée. Par conséquent, la résistivité du fluide (pf) peut être obtenue à partir de la longueur (1) connue du segment isolant 33, et de la section transversale (A) connue de la canalisation 35, et du facteur K connu. Les détails d'un tel calcul seront décrits ultérieurement en référence aux Figures 12 et 13.

Un capteur (ou appareil) de résistivité tel qu'illustré à la Figure 3 peut être incorporé dans différents outils de fond pour mesurer la résistivité du fluide dans une canalisation. Un exemple, tel qu'illustré dans la description suivante, consiste à incorporer un tel capteur de résistivité dans un module d'analyse de fluide (représenté par 25 à la Figure 1) d'un appareil d'essai des formations (par exemple, MDTTM) La Figure 4 représente un appareil de mesure de résistivité d'un fluide 100 conforme à une réalisation de l'invention. L'appareil de mesure de résistivité 100 est de préférence construit de manière à ce que la résistivité des fluides s'écoulant dans une canalisation 102 puisse être mesurée de manière inductive. La canalisation de fluide 102 illustrée comprend une section d'entrée 104 et une section de sortie 106 (correspondant aux segments conducteurs de la Figure 3) séparées par une section isolante 108. La section isolante 108 empêche les courants électriques de voyager directement de la section d'entrée 104 à la section de sortie 106. Les sections d'entrée et de sortie 104, 106 sont de préférence construites en un matériau à résistance mécanique élevée, tel que métal, PEEK, céramique, etc. Comme indiqué ci-dessus, si ces segments sont fabriqués en matériaux non conducteurs (par exemple, PEEK ou céramique), la surface intérieure des sections peut être revêtue d'un matériau conducteur pour assurer des contacts électriques avec le fluide. Ces contacts électriques font partie de la boucle (représentée en 38 à la Figure 3) qui assure le retour du courant. Il convient de remarquer que si les canalisations d'entrée et de sortie du fluide sont fabriquées en métal, alors les canalisations d'entrée et de sortie du fluide peuvent assurer les contacts électriques avec le fluide.

L'appareil de mesure de résistivité 100 comprend également une paire de tores 110 et 112 entourant la canalisation 102. Les tores 110 et 112 sont séparés axialement par un espace ouvert 114. Des capuchons d'extrémité 116, 118 maintiennent les tores 110, 112 à l'intérieur de l'appareil de mesure de résistivité 100. Le premier tore 112 peut induire un courant dans le fluide s'écoulant dans la canalisation 102 et le second tore 110 peut détecter ce courant (ou la tension induite), ou vice versa. Puisque les tores 110, 112 mesurent indirectement des courants dans les fluides sans avoir à être en contact avec le fluide, ils peuvent assurer leurs fonctions à partir de l'extérieur de la canalisation à haute pression. -9 -

L'appareil de mesure de résistivité 100 comprend un ensemble électronique 120 pour contrôler le tore 110 ou 112 et effectuer les mesures ou calculs de résistivité. Puisque l'ensemble électronique 120, les tores 110, 112, et tous les fils et câbles compris entre ces composants ne sont pas exposés aux pressions élevées dans la canalisation 102, aucun mécanisme d'étanchéification et d'isolement hydraulique complexe n'est nécessaire. Par conséquent, le fonctionnement de l'appareil de mesure de résistivité 100 sera beaucoup plus fiable en ce sens que le risque de défaillance catastrophique d'un joint hydraulique protégeant l'électronique et les capteurs est minimisé.

Dans cet exemple particulier, tous les composants de l'appareil de mesure de résistivité 100 sont encapsulés à l'intérieur d'un boîtier 122 qui est adapté pour être contenu dans un dispositif d'essai et de mesure (par exemple, un MDTTM) pour transport jusqu'à une position en fond de trou. Pour de telles applications, l'appareil de mesure de résistivité 100 est de préférence dimensionné de manière à pouvoir être contenu dans un outil existant. Conformément à une réalisation de l'invention, le boîtier 122, par exemple, peut être un boîtier cylindrique de 50 mm de diamètre pour pouvoir être contenu dans un outil MDTTM. Un dispositif de mesure et d'essai de cette dimension suppose nécessairement que le diamètre de la canalisation 102 est faible (par exemple, moins de 6 mm). Si un dispositif à électrodes traditionnel était utilisé, les joints hydrauliques nécessaires pour assurer l'étanchéité autour des électrodes seraient nécessairement de très petites dimensions et auraient vraisemblablement des difficultés à résister à des pressions supérieures à 30 000 psi et à des températures pouvant atteindre 200 C. En utilisant des tores, il est possible d'isoler toute l'électronique des pressions élevées et, par conséquent, aucun joint hydraulique n'est nécessaire.

Comme indiqué ci-dessus, différentes configurations sont possibles pour construire une canalisation ayant un segment isolant placé entre les deux segments conducteurs. Dans une réalisation, une canalisation peut comprendre une section isolante 108 fabriquée en verre (ou en autres matériaux isolants, tels que céramique ou PEEK (polyétherétherkétone)) jointe à ses deux extrémités par des sections conductrices (par exemple, sections 104 et 106 à la Figure 4) qui sont fabriquées en métal. Des joints verre-métal ont été utilisés avec succès dans des outils de fond. Le verre peut assurer l'insolation tout en résistant à une pression relativement élevée. D'autres matériaux, y compris, mais sans s'y limiter, des matières plastiques haute température (par exemple, PEEK) et des céramiques peuvent également être utilisées.

En se référant à la Figure 5, un ensemble à canalisation 102 similaire à celui de la Figure 4 est illustré schématiquement. Un joint verre-métal est formé entre les sections 104 et 106, de manière à ce que la portion en verre du joint fasse office de section isolante 108, disposition selon laquelle un espace isolé 130 existe entre les sections 104 et 106. Lorsqu'il est induit par le tore 112, un courant électrique (illustré schématiquement par les lignes 132) voyage entre la section 104 et la section 106 dans le fluide dans la canalisation 102. Dans l'exemple illustré à la Figure 5, la longueur du trajet du courant 132 est approximativement la même que la taille de l'espace axial entre les sections 104 et 106. Cependant, puisque la portion en verre 108 a une résistance mécanique et une résistance à la traction nettement inférieures à celles des sections métalliques 104 et 106, la portée en verre est relativement plus susceptible aux contraintes radiales et à la rupture quand des fluides à haute pression traversent la canalisation 102. Ceci est également vrai avec une section isolante en matière plastique. Par conséquent, il est souhaitable de réduire la portée axiale de la section en verre (ou en matière plastique).

En se référant maintenant à la Figure 6, une autre canalisation 402 est illustrée schématiquement. La canalisation 402 comprend des sections conductrices 404 et 406 qui sont axialement plus proches les unes des autres que celles de la Figure 4. Avec un espace axial plus faible entre les sections 404 et 406, les contraintes radiales dans la section isolante 408 sont réduites de manière considérable. Cependant, si l'espace axial est réduit, la mesure de résistivité peut ne pas être précise car la résistance mesurée est une fonction du segment isolant (1). Par conséquent, pour compenser l'effet de la portée axiale réduite, la section isolante 408 peut être prolongée le long d'une longueur 430 sur la surface intérieure de la canalisation 402. La portion de la section isolante 408 à l'intérieur de l'alésage de la canalisation 402 peut être relativement mince, par exemple un léger revêtement. Le courant 432 voyage essentiellement sur la même distance que le courant 132 de la Figure 5, mais la portée de verre (ou d'un autre matériau) fragile à l'intérieur de la section isolante 408 est réduite de manière considérable. Par conséquent, la section isolante 408 est beaucoup moins susceptible de casser lorsqu'elle est soumise à des hautes pressions que la section isolante 108 de la Figure 5.

La Figure 7 représente une canalisation 502 conforme à une autre réalisation de l'invention. À la Figure 7, la canalisation 502 est principalement composée d'une première section 504 et d'une seconde section 506 jointes ensemble par un engagement fileté, disposition selon laquelle un revêtement isolant existe sur les filets 534. La première section 504 et la seconde section 506 peuvent être fabriquées en métal. Le revêtement isolant sur les filets 534 empêche effectivement toute communication électrique entre les sections 504 et 506 et force le courant 532 à traverser le fluide dans la canalisation 502. Afin de prolonger la longueur axiale que doit parcourir ce courant 532, une section isolante 508 de longueur 530 est appliquée sur la surface intérieure de la canalisation 502. La section isolante 508 peut être fabriquée en n'importe quel matériau isolant, tel que verre, céramique, caoutchouc, PEEK, etc. Puisque la section isolante 508 est renforcée par les sections métalliques 504 et 506, elle devrait être capable de résister aux contraintes radiales importantes imposées par le fluide à haute pression dans la canalisation 502. La possibilité d'une défaillance est minimisée.

L'homme de métier comprendra que des variations de la réalisation illustrée à la Figure 7 sont possibles. Par exemple, la Figure 8 représente une réalisation qui présente une connexion filetée, disposition selon laquelle un matériau isolant 834 (par exemple, céramique) est appliqué sur une ou les deux extrémités filetées pour empêcher toute communication électrique entre les canalisations d'entrée 804 et de sortie 806 du fluide.

L'épaisseur du revêtement en céramique est typiquement de 25-49 mm. Des revêtements en céramique sont disponibles auprès de fournisseurs tel que Praxair, Inc. La charge mécanique imposée par la pression interne est supportée par les tubes métalliques si bien que cette conception est très robuste. La région isolante entre les deux tubes métalliques est obtenue en ajoutant une couche isolante 831, qui peut être un revêtement en céramique, une couche en caoutchouc moulée sur les tubes métalliques ou une pièce rapportée en matière plastique, verre ou PEEK. La couche isolante 831 ayant une longueur 830 force le courant à voyager à travers la colonne de fluide dans cette section.

La Figure 9 représente une réalisation similaire, mais avec un accouplement non fileté.

Comme illustré à la Figure 9, les canalisations d'entrée 904 et de sortie906 du fluide sont couplées par un emmanchement à chaud. Lors de l'assemblage des deux tubes, le tube métallique extérieur est chauffé pour le dilater, ce qui permet de l'enfiler sur le tube intérieur. Quand le tube extérieur se refroidit et retourne à la même température que le tube intérieur, les deux tubes sont comprimés et forment un joint résistant à la pression. La région d'accouplement (sur le tube intérieur, le tube extérieur, ou les deux) est revêtue d'un matériau isolant 934, tel que la céramique (ayant typiquement une épaisseur de 25-49 mm) pour empêcher toute communication électrique directe entre les canalisations d'entrée 904 et de sortie 906. Une couche isolante 931 est appliquée sur l'intérieur du tube pour constituer le segment isolant. Une autre possibilité est d'utiliser des joints toriques dans la région d'accouplement plutôt qu'un emmanchement à chaud pour assurer une barrière de pression (non illustrés).

La Figure 10 représente une canalisation 702 conforme à une autre réalisation de l'invention. Comme illustré à la Figure 10, la canalisation 702 est principalement composée d'un tube isolant 703 qui comprend deux sections à revêtement conducteur 704, 706. Les sections à revêtement conducteur 704, 706 sont séparées par une section non revêtue 730. Les revêtements conducteurs 704, 706 sont connectés extérieurement par un fil ou par le boîtier métallique entourant le capteur. Le courant 732 passe entre les deux revêtements conducteurs.

Les Figures 5 - 10 illustrent plusieurs canalisations conformes à des réalisations de l'invention. Ces exemples sont donnés à titre d'illustration uniquement. L'homme de métier comprendra que d'autres modifications sont possibles sans s'écarter de l'étendue de l'invention. Par exemple, la Figure 12 représente un capteur de résistivité conforme à une autre réalisation de l'invention, comprenant une canalisation 602 fabriquée en un matériau non conducteur (par exemple, PEEK ou céramique) et un boîtier métallique 640 qui abrite les deux tores 610, 612. Dans cette réalisation, le boîtier métallique assure des trajets de retour du courant aux points où la canalisation 602 sort du boîtier métallique 640. À. ces emplacements, le fluide entre en contact avec les canalisations métalliques d'entrée et de sortie du fluide.

Un appareil de mesure de résistivité conformément à des réalisations de l'invention peut être utilisé pour surveiller les variations de résistivité, par exemple, lorsque les fluides de la formation sont soutirés dans un appareil d'essai des formations. Quand la résistivité atteint un état stationnaire, il peut être supposé que les fluides soutirés dans l'appareil d'essai des formations sont représentatifs des fluides de la formation vierge, c'est-à-dire, essentiellement exempts du fluide de forage envahi. La Figure 11 est un schéma qui représente une courbe de résistivité à laquelle on peut s'attendre quand un puits est foré avec une boue à base d'eau et lors de l'essai d'une zone contenant de l'huile. Comme illustré, la résistivité initiale des fluides est fortement influencée par les fluides de forage conducteurs qui ont envahi la formation. Au fur et à mesure que davantage de fluides sont soutirés dans l'appareil d'essai des formations, la proportion de fluides de forage envahis diminue, alors que la proportion de fluide de formation vierge résistif augmente. Finalement, il est supposé que la résistivité détectée dans la canalisation s'approchera de celle des fluides de la formation vierge, c'est-à-dire, s'approchera d'un état stationnaire Par conséquent, un capteur de résistivité de l'invention peut être utilisé pour détecter le moment où les fluides soutirés dans un appareil d'essai des formations sont représentatifs des fluides de la formation vierge et, par conséquent, sont convenables pour être recueillis pour analyse ultérieure.

En plus des applications qualitatives décrites ci-dessus en référence à la Figure 11, un 15 appareil de mesure de résistivité conforme à des réalisations de l'invention peut également être utilisé pour déterminer les résistivités des fluides (applications quantitatives).

En se référant maintenant aux Figures 12 et 13, la physique à la base de la mesure indirecte de la résistivité d'un fluide avec deux tores sera décrite. La Figure 12 dépeint une cellule de résistivité du fluide 600 ayant deux tores 610, 612 pour mesurer la résistivité des fluides dans une canalisation 602 par couplage inductif. Comme décrit ci-dessus en référence à la Figure 4, le premier tore 612 induit un courant dans la canalisation 602 et le second tore 610 mesure le courant induit. La canalisation 602 illustrée à la Figure 12 est constituée par un tube non conducteur de l'électricité ayant un rayon intérieur a et une longueur 1. La cellule de résistivité du fluide 600 de la Figure 12 est encapsulée à l'intérieur d'un boîtier métallique cylindrique 640 et comprend une cavité intérieure 642 remplie d'un matériau non conducteur ayant une perméabilité magnétique nominale po, comprenant, mais sans s'y limiter, l'air atmosphérique, le vide ou un matériau polymérique isolant (par exemple, époxy, caoutchouc, fibre de verre, matière plastique, PTFE ou PEEK).

L'amplitude du courant induit dans la canalisation 602 dépend de la résistivité du fluide (a) 30 s'écoulant dans la canalisation non conductrice de l'électricité 602 et de différents paramètres des tores 610, 612. Chaque tore 610, 612 a un rayon intérieur b, un rayon extérieur c, une épaisseur h, un nombre de tours de fil enroulés sur le tore N, et une perméabilité p'. De préférence, les tores 610, 612 ont une perméabilité magnétique p' élevée et peuvent être fabriqués en ferrite, poudre de fer, mu-métal, superalliage ou n'importe quel autre matériau approprié pour la fréquence d'exploitation. La fréquence d'exploitation peut être n'importe quelle fréquence qui peut induire un courant dans les fluides dans la canalisation, par exemple, dans un intervalle de 5 kHz à 200 MHz, de préférence 20 kHz à 10 MHz, de préférence plus précise 20 kHz à 2 MHz. De plus, chaque tore 610, 612 peut comprendre un blindage électrostatique pour éliminer/minimiser tout couplage capacitif ou couplage inductif mutuel direct entre les tores 610, 612.

L'auto-inductance des tores 610, 612, tels qu'illustrés à la Figure 12, peut être caractérisée par: L _ ,u' N2 h ln(c / b) 27z- où }b = 4n É 107 Henry/m. L'inductance mutuelle entre chaque tore 610, 612 et le fluide dans la canalisation 602 peut être décrite par: M = p0,u'Nh ln(c/b) 2,z L'auto-inductance de la moitié de la canalisation remplie de fluide 602 est: (Éq. 1) (Eq. 2) L f,u ,u' hln(c/b) +,u h f (Éq.3)_ - -ex) bd\+ 1 + 0 /2 h) ln d\ + 4 27r \a) 4 où le premier terme est prépondérant puisque p' 1. Il convient de remarquer que d est le rayon intérieur du boîtier métallique 640. Comme indiqué ci-dessus, la résistance des fluides dans la canalisation 602 est une fonction de la résistivité du fluide (pi), de la longueur du trajet du fluide (1), et de la section transversale du tube (A=Rca2) pf Rf=K a2(Éq. 4) - 15 - En se référant à la Figure 13, un courant connu II (provenant d'une source de tension V1) met sous tension le premier tore 612, induisant ainsi un courant l' dans la canalisation 602, qui retourne à travers les faces des extrémités métalliques et le boîtier métallique (voir Figure 12). Ce courant induit l' produit un courant I2 (ou tension V2) dans le second tore 610. La sortie du second tore 610 est reliée à un amplificateur opérationnel (non illustré), de préférence ayant une impédance d'entrée élevée.

Le modèle de circuit illustré à la Figure 13 peut être utilisé pour illustrer les procédés utilisés pour la résolution en fonction de Rf et, par conséquent, Pf. Pour le premier tore 612, =jwLI, jwM1' V"= fco Lf1'+ jco MI1. Pour le second tore 612, V'=jwLf1'+jMI2 V2=jwLl2+jwMI'. Pour la canalisation 602, V" = V'+I' Rf. (Eq. 9) La résolution pour V2 donne: (Éq. 5) (Eq.6) (EqÉ7) (EqÉ8) V2=jw M2 2L f j(Rflw) I2+j M2 2Lf j(Rflw) I, (N. 10)

L

où les deux termes ont perte et réactance. Si V2 est mesurée avec un amplificateur 20 opérationnel ayant une impédance suffisamment élevée, il peut être supposé que I2 est nulle, et l'équation ci-dessus se réduit à : M2 Rf+j2wLf (Eq. 11) I, . En remplaçant l'auto-inductance dans l'équation ci-dessus donne la relation entre les quantités mesurées pour V2 et II et la quantité souhaitée Rf comme suit: VZ _ rv2,u (,u')2 N2 h21n2 (c /b) ( 1 I, 4,t-2 Rf+j2co Lf Cette équation peut maintenant être inversée et combinée avec l'Équation 4 pour déterminer Rf et pf. Il convient de remarquer que la perméabilité magnétique relative (,u') est un terme au carré dans le numérateur de l'Équation 12, et il apparaît également dans le dénominateur comme composant de Lf (voir Équation 3).

La perméabilité magnétique relative p' des tores 610, 612 peut dépendre de la température et, par conséquent, peut avoir à être étalonnée sur l'ensemble de la gamme de températures d'exploitation. Si la variation de p' en fonction de la température est faible et prédictible, une correction dépendant de la température peut être appliquée à la lecture, au besoin. Une approche consiste à mesurer la perméabilité p' des tores à différentes températures avant le déploiement en fond de trou. Une fois en place, un capteur dans la cellule de résistivité du fluide 600 peut mesurer la température et insérer dans le calcul un facteur de correction provenant d'une table de référence.

Si la variation de,u' en fonction de la température est importante ou imprédictible, il peut s'avérer nécessaire d'inclure une fonction d'étalonnage dans le système. Une approche consiste à ajouter des enroulements secondaires (Si, S2 à la Figure 14) à chaque tore 610, 612, de manière à ce que ces tores puissent être étalonnés par injection d'un courant connu et mesure de la tension ainsi induite. Des enroulements secondaires (par exemple, Si) peuvent également être utilisés pour surveiller la tension appliquée (par exemple, VI). Une autre approche consisterait à faire passer un conducteur (par exemple, un fil conducteur ou une boucle d'étalonnage (CL à la Figure 14)) à travers les deux tores 610, 612 parallèlement à la canalisation 602. La boucle d'étalonnage (CL) est en série avec une résistance connue R, et un interrupteur pour ouvrir ou fermer le circuit. La tension V2 pourrait être mesurée avec la boucle d'étalonnage, à la fois ouverte et fermée. Dans ce cas, la mesure avec la boucle ouverte est: (Éq. 12) X = -4'1 2 (G) et la mesure avec la boucle fermée est: Y=kpi2(G+S), (Éq. 13) (Éq. 14) où G=Rf+j2wLf' et S = R (Éq. 16). , X et Y sont des quantités mesurée, S est connu, et G et p' sont inconnus. La résolution des équations 13-16 ci-dessus donne: G = S (Y/X 1) Il convient de noter que la résistance de l'ensemble du système (voir Figure 13) dépend non seulement de la résistance du fluide (Rf) dans la canalisation, mais également de l'efficacité du couplage inductif entre le fluide et les tores. L'efficacité du couplage inductif dépend de la fréquence (o) et de l'inductance du fluide (Lf). Afin d'avoir une mesure fiable de la résistivité du fluide (pf), il est préférable que la conception du système et la fréquence d'exploitation soient choisies de manière à ce que Rf > CO Lf. Lors de la conception d'un système, il est important de se souvenir que pf et Rf peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur. Ce point est particulièrement important lors de la mesure de fluides de faible résistivité, tels que la boue à base d'eau ou l'eau de la formation.

En pratique, la cellule toroïdale de résistivité du fluide peut être exploitée avec une tension d'excitation idéale pour V1 et une mesure de courant idéale de I2, auquel cas nous pouvons écrire l'expression: 12C=Rf, où C = V1 1 12 Rcai Ici, C est le facteur d'étalonnage déterminé en mesurant la réponse d'une boucle de fil traversant les deux tores avec une résistance connue Ruai. La résistance d'étalonnage est supposée être une résistance de précision ayant une stabilité thermique de 5 ppm/C.

(Eq. 15) La description ci-dessus utilise un appareil d'essai des formations pour illustrer des réalisations de l'invention. L'homme de métier comprendra que des réalisations de l'invention peuvent également être utilisées dans d'autres applications, tels des outils au câble en forage ouvert, des outils au câble en forage tubé (par exemple, l'appareil d'essai dynamique en forage tubé, CHDTTM, une marque de commerce de Schlumberger Technology Corp. (Houston, TX)), des outils de diagraphie en cours de forage, le contrôle permanent (à la fois dans les équipements de fond et de surface), et dans d'autres canalisations (particulièrement, celles soumises à des pressions élevées).

Bien que l'invention ait été décrite par rapport à un nombre restreint de réalisations, l'homme de métier, ayant le bénéfice de cette divulgation, comprendra que d'autres réalisations peuvent être conçues qui ne s'écartent pas du domaine d'application de l'invention tel que dévoilé aux présentes. Par conséquent, le domaine d'application de l'invention ne doit être limité que par les revendications jointes.

Claims (16)

REVENDICATIONS Les revendications couvrent:

1. Un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide, comprenant: une canalisation adaptée pour être en communication fluidique avec des fluides de formation, caractérisée en ce que la canalisation comprend une première section composée d'une première zone conductrice, une seconde section composée d'une seconde zone conductrice, et une section isolante placée entre la première section et la seconde section pour empêcher toute communication électrique directe entre la première section et la seconde section, caractérisée en ce que la première zone conductrice et la seconde zone conductrice sont configurées pour entrer en contact avec un fluide contenu dans la canalisation de manière à ce que, de pair avec un trajet conducteur placé à l'extérieur de la canalisation, une boucle de retour de courant soit formée; un premier tore et un second tore entourant la canalisation, caractérisés en ce que le premier tore est configuré pour induire un courant électrique dans le fluide dans la canalisation et le second tore est configuré pour mesurer le courant électrique induit dans le fluide dans la canalisation; et un ensemble électronique pour contrer les fonctions du premier tore et du second tore.

2. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que la première section et la seconde section de la canalisation est chacune composée d'un tube métallique.

3. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que la section isolante est fabriquée en un matériau choisi parmi le verre, la céramique ou le PEEK.

4. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que la première section et la seconde section de la canalisation sont jointes par un engagement fileté, caractérisé en ce qu'un revêtement isolant est placé sur une région filetée de la première section, - 20 - une région filetée de la seconde section, ou les deux régions filetées de la première section et de la seconde section.

5. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que la première section et la seconde section de la canalisation sont jointes par un emmanchement â chaud ou forcé, caractérisé en ce qu'un revêtement isolant est placé sur une région d'accouplement de la première section, sur une région d'accouplement de la seconde section, ou sur les deux régions d'accouplement de la première section et de la seconde section.

6. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que la première section, la seconde section, et la section isolante de la canalisation sont composées d'un tube continu fabriqué en un matériau isolant, et caractérisé en ce que la première zone conductrice de la première section et la seconde zone conductrice de la seconde section sont composées chacune d'un revêtement en un matériau conducteur sur une surface intérieure de la canalisation.

7. L'appareil de la revendication 1, comprenant de plus une boucle d'étalonnage placée le long de la canalisation pour l'étalonnage du premier tore et du second tore, caractérisé en ce que la boucle d'étalonnage peut être ouverte ou fermée.

8. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que le premier tore et le second tore comprennent des enroulements d'étalonnage.

9. L'appareil de la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil est placé dans un appareil d'essai des formations.

10. Un appareil pour mesurer la résistivité d'un fluide, comprenant: une canalisation adaptée pour être en communication fluidique avec des fluides de formation, caractérisé en ce que la canalisation est fabriquée en un matériau isolant; un premier tore et un second tore entourant la canalisation et espacés l'un de l'autre le long de la canalisation, caractérisés en ce que le premier tore est configuré pour induire un courant électrique dans un fluide contenu dans la canalisation et le second tore est configuré pour mesurer le courant électrique induit dans le fluide; -21 - un boîtier métallique abritant le premier tore, le second tore, et une section de la canalisation, caractérisé en ce que le boîtier métallique est configuré pour assurer un trajet de retour du courant pour le courant électrique induit dans le fluide; et un ensemble électronique pour contrôler les fonctions du premier tore et du second tore.

11. L'appareil de la revendication 10, comprenant de plus une boucle d'étalonnage placée le long de la canalisation.

12. L'appareil de la revendication 10, caractérisé en ce que le premier tore et le second tore comprennent des enroulements d'étalonnage.

13. Un procédé pour mesurer la résistivité d'un fluide de formation dans un sondage, comprenant: l'écoulement du fluide de formation dans une canalisation d'un appareil de mesure de résistivité, la canalisation comprenant une section isolante entre une première section et une seconde section; l'induction d'un courant électrique dans le fluide de formation dans la canalisation en utilisant un premier tore; et la mesure du courant électrique induit dans le fluide de formation avec un second tore.

14. Le procédé de la revendication 13, déterminant de plus une résistivité du fluide de formation d'après une mesure effectuée avec le second tore.

15. Le procédé de la revendication 13, comprenant de plus l'étalonnage du premier tore et du second tore avec une boucle d'étalonnage placée le long de la canalisation.

16. Le procédé de la revendication 13, comprenant de plus l'étalonnage du premier tore et du second tore avec des enroulements d'étalonnage inclus dans le premier tore et le 25 second tore.