Chapitre I : Diagraphies sonique et acoustique

COURS DE SISMIQUE DE PUITS Ce cours a été enseigné aux étudiants 5

eme

Ingénieur en géophysique

au Département

Géophysique de la Faculté des Sciences de la Terre, de la Géographie et de l’Aménagement du

Territoire (Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene - USTHB) durant les années universitaires 2010/2011 à 2013/2014 Il comprend 3 chapitres Chapitre I Les Diagraphies Sonique et Acoustique Chapitre II Le Sismo-sondage (Carottage sismique) en préparation Chapitre III Le Profil sismique vertical (PSV) en préparation

Si vous utilisez des données de ce travail vous devez citer la référence en bibliographie bibliographie de la façon suivante : DJEDDI Mabrouk : COURS DE SISMIQUE DE PUITS. 13pp, 10 figures .Laboratoire de Physique de la http://djeddimabrouk.fr.gd/ Terre, Université Université M’Hamed Bougara Boumerdes -Algérie, 2013

CHAPITRE I DIAGRAPHIES SONIQUE ET ACOUSTIQUE INTRODUCTION Le log sonique ( CCV –sonic log) est une méthode de diagraphie de vitesse destinée à mesurer en chaque point le long du trou de forage la vitesse vitesse instantanée (c'est-à-dire (c'est-à- dire la vitesse d’une d’une couche amplement mince ) de propagation des ondes sismiques sismiques dans dans les roches traversées par un forage (puits) à l’aide d’une sonde spéciale composée

d’un système émetteur – récepteur . Celle-ci

enregistre d’une manière ininterrompue en profondeur, profondeur, le temps de parcours de l’onde acoustique de fréquence (10-40 kHz) générée par les ou l’émetteur(s) l’émetteur(s)

Rappel de la vitesse instantanée instantanée

Sol

vitesse instantanée  

Z

dz,

dt .

Fig :1

dt : étant le temps simple de propagation de l’onde du trajet On appelle vitesse instantanée la valeur de la vitesse d’une couche infiniment mince (épaisseur située à une une Profondeur z donnée.

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PRINCIPE DES DIAGRAPHIES ACOUSTIQUES Le CCV permet de mesurer mesurer le paramètre vitesse vitesse instantanée des ondes acoustiques longitudinales (Vp) ; il fournit particulièrement particulièrement une loi de vitesse vitesse en fonction du temps le long du puits. Etant donné que la propagation propagation des ondes acoustiques acoustiques est étroitement liée aux propriétés élastiques élastiques des formations géologiques, il fournit alors des informations

très utiles sur leurs propriétés pétro

physiques au voisinage de la paroi du puits. La vitesse des ondes acoustiques dépend généralement de la matrice lithologique, de la présence de la porosité et du type de fluide fluide dans les formations géologiques .La présence présence de la porosité dans la roche ralentit l’onde acoustique et donc augmente le temps de transit transit ∆T Les diagraphies acoustiques sont indispensables pour pour la résolution de nombreux problèmes tels que : -La détermination de la porosité et de la lithologie par la combinaison ave c d’autres types de diagraphies. -L’évaluation des vitesses sismiques, paramètres paramètres indispensables pour effectuer une interprétation des données sismiques

BREF HISTORIQUE Vers 1934 : Apparition des premiers brevets relatifs à la mesure mesure de la propagation du son d’une d’une manière continue en fonction de la profondeur dans un puits Dès 1952 : mise au point d’un appareil appareil du son qui renferme un émetteur d’impulsions

par la

Compagnie MPC (Magnolia Petrolum Campagny) En 1957:

mise au point d’un appareillage de diagraphie de vitesse ( CVL Continuous Velocity Log)

comportant

un seul récepteur. récepteur. Il permettait de mesurer le temps temps le plus court nécessaire nécessaire de

parcours de l’onde acoustique entre émetteur-récepteur émetteur -récepteur (selon le schéma émetteur – boue de forage - réfraction sur la formation géologique – géologique – boue de forage – forage –récepteur) récepteur)

SONDE A UN RECEPTEUR –UN EMETTEUR Lorsque la sonde comporte un émetteur et un récepteur, les ondes acoustiques émises par l’émetteur E sont réfractées le long de la paroi du trou de forage et on mesure mesure le temps entre l’émetteur E et le récepteur R .Ce temps mesuré est divisé par la distance entre le récepteur et l’émetteur pour fournir un temps de trajet en microsecondes par pied Dans une sonde sonique composée composée d’un seul récepteur (Fig. 2) le temps de propagation l’onde sonique pour se propager de l’émetteur au récepteur à pour expression mathématique :

∆T=  ⁄ +  ⁄ 

X1 : distance de traversée de l’onde acoustique dans la boue X distance parcourue par l’onde acoustique réfractée dans les formations formations géologiques

de







X2 est différente de l’espacement e car, si α est l’angle du rayon incident avec l’horizontale, on a alors

X2 =e - 2X1sin α Pour rappel, l’espacement est la distance entre l’émetteur l’émetteur et le récepteur tandis tandis que l’’écartement étant la distance entre deux récepteurs L’angle α dépend des milieux parcourus par les ondes acoustiques acoustiques (boue, formation) : ainsi, le signal sonore à étudier concorde avec avec le trajet court de l’onde acoustique, on admet alors que l’angle α coïncide avec l’angle de réfraction limite limite lié r aux deux milieux géologiques

Sonde à un seul récepteur

Paroi du Puits

E

X1 α

A

Vf

X2

V b

r R

 

 



  

B

X1

Fig. 2 : sonde acoustique acoustique à un émetteur – un récepteur

SONDE A DEUX DEUX RECEPTEURS Les compagnies H.O.R.C. (Humble (Humble Oil Refining Refining Company) et S.W.S.C (Schlumberger Well surveying Corporation) ont mis au point une une sonde acoustique dotée de deux récepteurs et un émetteur .Les ondes acoustiques émises par l’émetteur E sont réfractées le long de la paroi du trou de forage et la sonde enregistre le délai ∆T entre les deux arrivées respectivement aux récepteurs R1 et R2 . Ce







Dans une sonde sonde composée de deux récepteurs (fig. 3) , l’élément mesuré est la différence des temps d’arrivée des ondes acoustiques au premier premier et au deuxième récepteur récepteur . Le temps

t1 de parcours de l’onde entre l’émetteur E et le Récepteur R1 est défini par l’expression 

t1=  ⁄ + Le temps

 

t2 de parcours de l’onde entre l’émetteur E et le Récepteur R2 est t2 =  ⁄ +

∆T = t2 – t1 =

  

   

On remarque bien une élimination de l’influence du trajet des ondes ondes acoustiques dans la boue de forage Pour solutionner ces difficultés, une sonde à quatre quatre récepteurs ( R1, R2, R3 ,R4 ) et deux émetteurs (E 1 , E2 ) fut mise au point et porta le nom de sonde compensée (Borhole Compensated – Compensated –BHC en anglais) fig. 4

Paroi du Puits  =       =       

E

t1

s

X1

  

A

α

n

a1

X2, t2

a2 E

d e

B R1

Ecartement



Si   

o Espacement

   t4

R2

t3 X1 t5

r

  

E -    t4

r

- 

 

 



   



C

     

Fig. 3 : sonde à 2 récepteurs récepteurs

    

 







DIAGRAPHIE ACOUSTIQUE (BHC) La sonde Bore Hole Compensated ( BHC) est composée de deux émetteurs et quatre récepteurs (fig. 4) Chaque émetteur envoie un signal alternatif alternatif et l’enregistrement de celui-ci se fait alternativement par les couples de récepteurs (R1, R3) et (R2, R4) Le temps de parcours ∆T sera enregistré en faisant la moyenne des deux lectures ∆T1 et ∆T2 acquises entre les récepteurs R2 et R4 et les récepteurs R1 et R3 comme suit :

∆T = (∆t1 + ∆t2)/2 . Cela permet d’éliminer les influences des caves et de l’inclinaison de l’axe de la sonde par rapport à l’axe du puits de forage Le ∆T est l’inverse de la vitesse de l’onde acoustique dans la formation géologique En principe, le ∆T coïncide au point de mesure localisé au centre de l’intervalle entre les deux récepteurs récepteurs extrêmes . La relation entre les temps de trajets ∆T et la vitesse est la suivante suivante :

6 ∆T =10 /V

∆T étant exprimé en microseconde par pied (μs/pied) ou en microseconde par mètre (μs/m) V est exprimée en m/s m/s ou pied /s, elle indique la vitesse de tranche successive d’un pied ou d’un mètre d’épaisseur ; Ce type de sonde permet de mesurer la porosité vraie des formations traversées par le forage et estimer la porosité secondaire dans le cas des formations géologiques fracturées.

APPAREILLAGE (SONDE) La sonde acoustique est un appareil qui peut renfermer renfermer un émetteur émetteur et deux deux récepteurs comme comme il peut peut être équipé de deux émetteurs émetteurs et de quatre récepteurs etc. Chaque appareil espacement, etc.)

acoustique a ses propres caractéristiques (type de l’émetteur, type du récepteur, récepteur,

Quelque soit le type de sonde, le principe de base est le même et consiste à enregistrer des ondes acoustiques réfractées qui se propagent dans le fluide et dans les formations géologiques le long de la paroi du puits. Il existe actuellement des sondes acoustiques acoustiques multi émetteurs et multi récepteurs ce qui leurs confèrent la possibilité d’enregistrer le champ d’ondes total Dans tous les cas, l’acquisition des données (train d’ondes) s’effectue lors de la remontée de l’outil ; elle est réalisée avec un pas d’échantillonnage très petit dans le puits, d’une manière à acquérir une représentation (image) acoustique ininterrompue des formations géologiques le long de la paroi du puits. Quand les sondes acoustiques sont constituées d’un nombre nombre élevé d’émetteurs et de récepteurs, l’enregistrement des données est réalisé sur les différents couples couples (émetteur-récepteur). (émetteur -récepteur). Leur emploi permet d’effectuer les collections de traces soniques (point récepteur ,point émetteur ou point mémoir e commun), semblables à celles exécutées en sismique réfraction ou sismique réflexion, ce qui permet d’effectuer sur les données soniques enregistrées des traitements semblables à ceux effectués en sismique sismique conventionnelle Quand le nombre d’émetteurs et de récepteurs est est limité, l’enregistrement des données données acoustiques peut







1/ Caractéristiques des émetteurs : -Ils sont du type magnétostrictif (un matériau est dit magnétostrictif si ses dimensions se modifient lorsqu’il est soumis à un champ magnétique) -Soit plus fréquemment des céramiques piézoélectriques (un matériau est dit piézo-électrique piézo-électrique dimensions se modifient lorsqu’il est soumis soumis à un champ électrique)

si ses

-Leur fréquence caractéristique d’émission est est de l’ordre de la dizaine de KHz. (10.000 – (10.000 – 40.000 Hz)

2/ Caractéristiques des récepteurs : Ils se caractérisent par une vaste bande fréquentielle, allant de quelques centaines de Hz à quelques dizaines de KHz Quelque que soit la sonde acoustique utilisée, les temps d’arrivée aux récepteurs seront seront communiqués à un enregistreur placé dans un camion laboratoire situé en surface. Celui-ci calcule le temps de transit ∆T et trace un log de vitesse en fonction de de la profondeur, exprimé en μs/pied ou en μs/m. Le log de vitesse est intégré d’une manière automatique de sorte à obtenir un temps de trajet total.

3/ Résolution verticale La résolution verticale de l’enregistrement acquise est généralement prise égale au plus court écartement séparant deux récepteurs successifs ou deux émetteurs (ordre de grandeur alla nt de 10 à 50 centimètres)

4/ Profondeur d’investigation d’investigation La profondeur profondeur d’investigation pour l’évaluation des des vitesses des ondes acoustiques correspond à la profondeur d’investigation des ondes réfractées ( généralement généralement variant de quelques dizaines de centimètres au mètre) .Cette profondeur dépend de la vitesse de la formation ; en effet quand la zone envahie envahie est profonde et possède une vitesse vitesse plus faible que la vitesse de la zone vierge, un espacement espacement petit fournit une vitesse dans la zone envahie cependant un grand espacement espacement fournit la vitesse de la formation vierge

5/ Les sondes acoustiques à grand espacement permettent une bonne séparation en temps des differentes arrivées des ondes acoustiques

6/ L’enregistrement du champ d’ondes total fournit non seulement les vitesses de propagation des différentes ondes acoustiques, mais aussi aussi certains paramètres pétro -physiques et des informations lithologiques relatives aux formations géologiques le long du puits

7/ Les diagraphies acoustiques enregistrent non seulement seulement les ondes de volume (P et S) mais aussi les ondes d’interfaces

8/ Dans le cas de la diagraphie acoustique acoustique classique, seule l’arrivée de l’onde P longitudinale réfractée se produisant produisant à l’interface fluidefluide-solide sous l’angle d’incidence critique puis se propageant le long de de cet interface est prise en considération .Elle peut nous renseigner sur la porosité de la formation géologique dans laquelle elle s’est propagée. La porosité serait alors donnée par l’expression :

∆Tlu = Ø ∆Tf + ∆Tma(1- Ø)

et

Ø = (∆Tlu-∆Tma) / (∆Tf -∆Tma)









Ø : Etant la porosité en % Vlue : La vitesse lue (mesurée) par le sonique sonique Vf (m/s): la vitesse de propagation de l’onde l’onde acoustique dans le fluide contenu dans la formation géologique Vma (m/s): la vitesse de propagation de l’onde acoustique dans la matrice de la formation géologique Néanmoins, la génération des ondes longitudinale P et transversale S réfractées dans les formations géologiques géologiques le long du puits peut prendre prendre naissance naissance à condition que que les vitesses  et formation géologique soient supérieures à celle de l’onde P du fluide   (formation  de la formation géologique rapide    ). .Néanmoins, quand la vitesse vitesse( ) de l’onde transversale S dans la formation géologique est plus petite que la vitesse Vp de l’onde longitudinale dans le fluide ( ), l’onde S n’apparaitra pas sur l’enregistrement l’enregistrement (c’est le cas formation lente    ).

Axe du puits

E1 P

émetteur

Icp

R1

P Ics

Onde P S

P

R2 R: récepteurs

P onde S

R3 P

R4







Fig. 5 exemple de log Sonique

8/ Dans la formation géologique, l’onde transversale S est engendrée par l’onde longitudinale P incidente, réfractée sur la surface de discontinuité fluide- formation géologique (c'est-à-dire le long de la paroi du puits)

9/ l’estimation des vitesses des ondes P et S permettent de déterminer les paramètres de Lamé  et  de la

formation géologique sachant que

ou

est la masse volumique

On peut alors appréhender le coefficient de Poisson σ et le Module de Young facteur de qualité Q de la formation géologique en étudiant leurs atténuations

E puis, la détermination du

Au voisinage de la surface de contact fluide-formation (interface fluide-formation géologique) prennent







Récepteur

E Onde P Onde S

First -Break ∆T

Front d’onde

R

Onde de stoneley

Onde P Emetteur

Onde S

onde de Stonely

Fig : 6 champ d’onde totale enregistrée

TYPES DE SONDES ACOUSTIQUES Il existe toute une variété de sondes acoustiques, mais elles sont toutes essentiellement de deux types 1-les sondes du type monopôle monopôle 2-Les sondes de type dipôle Certaines sondes peuvent fonctionner en même temps en mode monopôle et en mode dipôle

1- SONDES DU TYPE MONOPÔLE MONOPÔLE Ce sont des sondes acoustiques à symétrie axiale et composées de sources et récepteurs récepteurs monopôles et multidirectionnels Les émetteurs émetteurs engendrent dans la boue de forage une onde acoustique de compression qui créée dans la formation géologique une onde longitudinale P et une onde transversale S aux angles limites de la







Les sondes sondes du type dipôles sont équipées d’émetteurs et de récepteurs polarisés. De telles sondes sont équipées d’émetteurs qui produisent des ondes longitudinales polarisées perpendiculairement à l’axe du puits .Celles-ci engendrent à la paroi du puits des modes de flexures qui créent, dans la formation géologique des pseudo-ondes pseudo-ondes transversales se propageant parallèlement à l’axe du puits. Les sondes de type dipôle sont conçues pour obtenir des informations sur les paramètres liés à l’onde transversale S particulièrement dans les formations géologiques lentes.

SONDE SPECIALE XMAC-ELITE La sonde XMAC-Elite est composée de quatre émetteurs dont deux sont monopôles et les deux autres dipôles caractérisés par une polarisation verticale. verticale. Elle referme huit récepteurs ou l’on peut peut enregistrer les données en modes monopôle, inline-dipôle et et cross-dipôle

Fig 7 : L’outil X MAC -Elite

Les récepteurs employés dans la sonde XMAC-Elite est le « 4-directional sensitive sensitive acutec design ». Chaque Chaque récepteur peut être utilisé en modes d’acquisition monopôles, inline-dipôles inline -dipôles et cross-dipôles En acquisition d’ondes par mode monopôle, l’ émetteur est écarté de 12 pieds du premier premier récepteur, le train d’ondes total est enregistré enregistré par les huit récepteurs dont l’écartement est de 0.5pieds







L’enregistrement des données se fait tous les 0.5 pieds. pieds. Tout récepteur récepteur enregistre un train d’ondes total constituant une trace à chaque niveau de profondeur. La durée d’enregistrement de la trace est fixée selon l’objectif

En conclusion , nous avons abordé les sondes soniques soniques et les sondes acoustiques.la acoustiques.la différence différence entre les deux sondes est que les outils acoustiques sont plus destinés pour enregistrer le champ total .Dans ce type de sonde pour qu’un signal indique la signature de la formation formati on géologique traversée, il faut employer employer une chaîne chaîne d’acquisition pourvue d’une large bande passante passante pour mieux respecter respecter les caractéristiques spectrales du du signal acoustique afin de mieux reconnaître les diverses composantes des ondes acoustiques véhiculées par le signal. Les sondes soniques sont destinées essentiellement pour enregistrer le train d’onde qui permet de tracer la courbe de temps de transit de la première arrivée (lenteur) en fonction de la profondeur , c’est le cas du log sonique sonique

DIAGRAPHIE D’IMAGERIE ULTRASONIQUE

Introduction Ce sont des outils très performants qui permettent d’obtenir une visualisation correcte de la surface du puits de forage autrement dit une véritable échographie (image acoustique) de la formation géologique Son principe est comme suit : une énergie ultrasonique (signal ultrasonique) est émise à partir d’un transducteur. Une partie de cette énergie énergie est transmise dans la formation géologique géologique et l’autre partie sera réfléchie et captée par le transducteur Le transducteur enregistre enregistre à la fois l’amplitude du signal et le temps de trajet directe et l’onde acoustique acoustique réfléchie

suivi par l’onde acoustique

L’image en amplitude est extraite extraite de l’amplitude du signal ultrasonique enregistré, enregistré, alors que celle en rayon est déterminée en comptant le temps du trajet de l’onde ultraacoustique. On désigne cette modification génération de l’image, elle montre à chaque amplitude ou temps de trajets un niveau de gris ou une couleur représentant représentant les modifications de l’amplitude ou de temps de trajet de parcours dans la formation géologique

Les outils ultrasoniques les plus connus sont : 1/ Ultra Sonic Borehole Imaging(UBI) 2/Circumferential Berhole Imaging Log (CBIL)

I / ULTRA SONIC BOREHOLE IMAGING (UBI) L’outil est constitué d’un transducteur à grande résolution résolution qui fournit des









L’outil UBI mesure l’amplitude et le temps de pa ssage de l’onde ultra sonique Il utilise deux differentes fréquences. -La fréquence 500.000 Hz fournit une meilleure résolution de l’image du signal, (donc de très haute définition) -la fréquence fréquence de 250.000 Hz assure de meilleures meilleures mesures mesures en cas de boues dispersives

B / LOG UBI Le Log UBI renferme deux panels

1/ Un panel correspondant à l’image en amplitude .celle-ci .celle-ci est est liée à la densité de la formation géologique .Quand l’amplitude est est grande, la couleur de l’image est éclatante, cela correspond à une formation géologique dense, c'est-à-dire c'est-à-dire compacte. Inversement, quand l’amplitude est est faible, la couleur de l’image est est obscure,

2/ Le second panel correspond au rayon du trou (Image en Berehole radius) Cette image fournit divers changements du rayon du trou de forage .Une couleur sombre indiquerait un rayon grand et une couleur claire montrerait un rayon réduit Les discriminations de couleurs de l’image fournie par l’UBI sont provoquées provoquées par de nombreux facteurs tels l’ovalisation du puits, les irrégularités de la paroi du puits, les glissements d’une partie du puits par rapport à l’autre, la déformation du coté de la paroi du trou par le train de tige etc. Les images de l’UBI sont également très sensibles aux modifications de la surface surface de la paroi du trou mais, mais, elles le sont moins aux changements changements de la lithologie .Le mud cake peut avoir une influence influen ce l’image ultrasonique. Il atténue une partie partie du signal, diminuant aussi l’amplitude

C / APPLICATIONS DU UBI -Détection des fractures (enregistrement (enregistrement en trou ouvert) -Détermination de la stabilité du puits (précision sur la forme du trou)

CUMFERENTIAL BERHOLE BERHOLE IMAGING LOG (CBIL) Cet outil d’imagerie acoustique acoustique a pour principe d’émettre des signaux acoustiques







a Fig 10 a) exemple de détection de fracture

b c b) aperçu détaillé sur la forme du trou du puits c) log CBIL

Chapitre I : Diagraphies sonique et acoustique

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