FR2855210A1 - Logement sur l'exterieur d'un cuvelage de puits pour capteur a fibre optique - Google Patents

Abstract

Un système pour mesurer la contrainte appliquée à un cuvelage (1) qui est déployé au bas d'un puits et est concentrique à un axe central comprend au moins un capteur à fibre optique (7) couplé à la circonférence extérieure du cuvelage et détectant une contrainte dans une section de détection, et un boîtier (9) fixé à l'extérieur du cuvelage (1) et définissant une cavité fermée à l'extérieur du cuvelage le long de la section de détection et contenant au moins un capteur à fibre optique, en isolant la section de détection vis-à-vis de l'environnement extérieur.Application notamment à des systèmes de contrôle de l'intégrité du cuvelage de puits de forage.

Description

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L'invention concerne d'une manière générale le contrôle de l'intégrité structurelle et de la contrainte appliquée à un conduit et plus particulièrement le contrôle de l'intégrité structurelle et de la contrainte appliquée à 5 un cuvelage de puits utilisé lors de l'opération de forages pétroliers.

La production de pétrole et de gaz à partir de réservoirs de pétrole conduit à des modifications du champ des contraintes dans les formations situées au-dessous de 10 la surface. Ces modifications, lorsqu'elles sont suffisamment importantes, peuvent conduire à un endommagement grave ou même à une perte complète du puits de forage en raison d'une déformation majeure du cuvelage du puits. C'est pourquoi il est souhaitable de contrôler les champs de 15 contraintes au-dessous de la surface étant donné qu'ils peuvent indiquer d'une manière indirecte la contrainte subie par un cuvelage de puits pendant la production de pétrole. Bien que le contrôle de champs de contraintes audessous de la surface puisse être d'une manière générale 20 utile pour déterminer la contrainte, à laquelle est soumis un cuvelage du puits, on s'attend à ce qu'une détection directe de la contrainte appliquée au cuvelage fournisse une meilleure compréhension des forces agissant au-dessous de la surface et qui ont conduit à la déformation du 25 cuvelage du puits et permettent un contrôle plus précis de l'intégrité du cuvelage du puits- Ceci conduit au développement à la fois des deux mesures de fonctionnement préventives incluant une élimination précoce et par avance de conditions dangereuses dans le puits et une déformation 30 du cuvelage, ainsi qu'une meilleure conception du cuvelage et des programmes améliorés de formation du puits. Par conséquent, les compagnies pétrolières ont exprimé un intérêt concernant un contrôle direct de la contrainte dans le cuvelage pendant la durée de vie du puits.

Un contrôle direct de la contrainte appliquée à un cuvelage de puits est cependant fréquemment problématique étant donné que la contrainte appliquée au cuvelage du puits peut être provoquée par un nombre de contraintes ou de modes différents incluant des contraintes de traction ou 5 de compression appliquées le long de l'axe du cuvelage et des contraintes de cisaillement appliquées au moyen d'une torsion ou de forces perpendiculaires à l'axe du cuvelage.

La contrainte appliquée au cuvelage peut apparaître sur de longues étendues du cuvelage ou peut être très localisée et 10 par conséquent peut ne pas être détectée. Les amplitudes élevées de contraintes, qui peuvent entraîner une déformation d'un cuvelage de puits et/ou l'environnement difficile dans le fond du puits, peuvent également amener des dispositifs habituellement utilisés pour contrôler la 15 contrainte, à cesser de fonctionner.

Des procédés et dispositifs actuellement utilisés pour contrôler la contrainte appliquée à un cuvelage de puits n'apportent pas une solution aux problèmes liés à un contrôle direct de la contrainte. De nombreuses techniques 20 de l'art antérieur pour le contrôle de la contrainte appliquée à un cuvelage de puits impliquent l'utilisation de jauges de contrainte classiques ou de capteurs classiques du type pouvant seulement mesurer une contrainte dans une orientation ou dans un mode à un instant donné. Des 25 jauges de contrainte classiques sont également susceptibles de mal fonctionner ou d'être endommagées lorsqu'elles sont soumises aux niveaux de contrainte élevés auxquels on s'intéresse et à un environnement difficile de puits de pétrole, et peuvent ne pas permettre un contrôle direct de 30 la contrainte appliquée au cuvelage. C'est pourquoi, des procédés et dispositifs classiques de contrôle de la contrainte appliquée au cuvelage d'un puits peuvent ne pas permettre la détection de points critiques d'une contrainte intense dans un cuvelage de puits, ce qui peut conduire à 35 une déformation du cuvelage, ou bien peuvent ne pas détecter une contrainte en des emplacements critiques isolés dans un cuvelage. C'est pourquoi un contrôle précis de la contrainte appliquée au cuvelage d'un puits est difficile avec l'utilisation de procédés et de dispositifs classiques.

Il est connu, dans la technique antérieure, que des capteurs à fibres optiques peuvent être utiles pour mesurer différentes contraintes des températures présentes dans l'environnement au fond du puits. Dans la demande de 10 brevet U.S. N de série 09/612 775, intitulée "Method and Apparatus for Seismically Surveying an Earth Formation in Relation to a Borehole" déposée le 10 Juillet 2000, on décrit une technique destinée à utiliser des capteurs à fibres optiques pour détecter des événements sismiques et, 15 dans une forme de réalisation, il est envisagé que de tels capteurs puissent être couplés au cuvelage du puits pour détecter des émissions sismiques émanant des strates du sol alentour. Cependant cette configuration ne convient pas pour mesurer en soi une contrainte appliquée au cuvelage, 20 étant donné qu'elle est configurée et fixée de manière à être couplée fermement au trou de sondage alentour. C'est pourquoi les capteurs décrits dans cette demande détectent naturellement des événements acoustiques tels que des signaux sismiques présents dans les strates du sol 25 alentour, ce qui réduit leur capacité à mesurer sans interférence, des contraintes appliquées au cuvelage-.

C'est pourquoi il existe un besoin de disposer d'un système de contrôle pour détecter une contrainte appliquée au cuvelage d'un puits et qui permet la détection 30 d'une contrainte dans une orientation quelconque ou dans un mode quelconque avant qu'il se produise une déformation excessive du cuvelage, et qui permette une capacité de détection d'une contrainte distribuée, sur de très grandes longueurs d'un cuvelage de puits, et qui ne présente pas 35 les inconvénients précédents de l'art antérieur. Il existe également un besoin de réaliser une protection de tels capteurs. La présente description fournit un tel procédé et un tel dispositif.

On décrit des procédés et dispositifs pour 5 contrôler directement ' la contrainte appliquées à un cuvelage de puits et l'intégrité structurelle, et qui permettent de contrôler une contrainte potentiellement endommageable à partir d'une orientation ou d'un mode quelconque ou sur de longues étendues du cuvelage de puits. 10 Dans une forme de réalisation préférée, des capteurs à fibres optiques sont logés dans un boîtier et fixés sur la surface extérieure du cuvelage. Les capteurs peuvent être alignés en étant parallèles, perpendiculaires ou parallèlement ou perpendiculairement à l'axe du cuvelage ou en étant 15 disposés sous un angle approprié par rapport à cet axe pour détecter respectivement des contraintes axiales, des contraintes périphériques et des contraintes de cisaillement.

Les capteurs peuvent de préférence être interrogés par voie interférométrique et sont à même de mesurer à la fois des 20 contraintes statiques et dynamiques telles que celles produites par des microfractures dans le cuvelage du puits.

De façon plus précise, l'invention concerne un système pour mesurer la contrainte appliquée à un cuvelage déployé au bas d'un puits, le cuvelage étant concentrique 25 autour d'un axe central, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins un capteur à -fibre optique couplé à une circonférence extérieure du cuvelage et qui détecte une contrainte appliquée au cuvelage le long d'une section de détection, et un boîtier fixé à l'extérieur du cuvelage, le boîtier formant une cavité fermée sur l'extérieur du cuvelage le long de la section de détection, et le au moins un capteur à fibre optique étant renfermé dans ce boîtier, ce qui isole la section de détection vis-à-vis d'un 35 environnement extérieur.

Selon une autre caractéristique, le boîtier comprend un interstice entre le capteur et le logement.

Selon une autre caractéristique, le capteur à fibre optique comprend une bobine formée d'une fibre optique.

Selon une autre caractéristique, la bobine est délimitée par une paire de réseaux de Bragg à fibre.

Selon une autre caractéristique, la bobine est allongée le long d'une droite parallèle à l'axe central du 10 cuvelage.

Selon une autre caractéristique, la bobine s'étend selon une hélice autour de l'axe central du cuvelage.

Selon une autre caractéristique, la bobine est enroulée autour de la circonférence supérieure et est concentrique à l'axe central du cuvelage.

Selon une autre caractéristique, le capteur à fibre optique comprend un réseau de Bragg à fibre.

Selon une autre caractéristique, le boîtier est 20 rempli par un gaz ou qu'un vide est établi dans le boîtier.

Selon une autre caractéristique, le système comprend une pluralité de capteurs à fibres optiques.

Selon une autre caractéristique, les capteurs à fibres optiques sont multiplexés le long d'un seul trajet 25 optique.

Selon une autre caract-éris-tique, les capteurs à fibres optiques comprennent des bobines d'une fibre optique.

Selon une autre caractéristique, les bobines sont 30 allongées le long d'une droite parallèle à l'axe central du cuvelage et sont également espacées autour de la circonférence extérieure du cuvelage.

Selon une autre caractéristique, les bobines sont enroulées autour de la circonférence extérieure et sont 35 concentriques à l'axe central du cuvelage.

Selon une autre caractéristique, les bobines sont délimitées chacune par une paire de réseaux de Bragg à fibre.

Selon une autre caractéristique, le système 5 comporte en outre un réseau de Bragg à fibre entre chacune des bobines.

Selon une autre caractéristique, les capteurs à fibres optiques comprennent des réseaux de Bragg à fibre.

L'invention concerne un procédé pour détecter une 10 contrainte d'un cuvelage, caractérisé en ce qu'il consiste a: isoler au moins un capteur qui détecte une contrainte appliquée au cuvelage le long d'une section de détection par fixation d'un boîtier au cuvelage sur des 15 extrémités axiales opposées de la section de détection, le boîtier formant une cavité fermée entre le boîtier et le cuvelage et isolant la section de détection vis-à-vis d'un environnement extérieur, enfermer le capteur dans la cavité, et détecter un signal indicatif de la contrainte appliquée au cuvelage.

L'invention concerne également un procédé pour mesurer une microfracture à l'intérieur d'un boîtier dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il consiste à : Fournir au moins un capteur couplé à une partie extérieure du cuvelage, . détecter les ondes acoustiques traversant le cuvelage et possédant un contenu en fréquences d'au moins kilohertz à l'aide du au moins un capteur, et analyser les ondes acoustiques pour déterminer la présence d'une onde acoustique de microfracture et délivrer un signal indicatif de la microfracture dans le cuvelage.

Selon une autre caractéristique, le procédé consiste en outre à déterminer un emplacement d'une contrainte 35 qui a généré l'onde acoustique de microfracture.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront de la description donnée ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 'représente une forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle un réseau de quatre capteurs à fibres optiques, alignés axialement, sont orientés à 90 degrés autour d'une surface extérieure d'un cuvelage de puits; - la figure 2 représente une vue éclatée de l'agencement des capteurs représenté sur la figure 2; - la figure 3 représente une vue en coupe transversale de l'agencement des capteurs représenté sur la figure 1, prise perpendiculairement à l'axe du cuvelage; - la figure 4 représente une forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle un capteur à fibre optique est enroulé circonférentiellement autour du cuvelage de manière à détecter des contraintes périphériques perpendiculaires à l'axe du cuvelage; - la figure 5 représente un réseau de capteurs du cuvelage comprenant un certain nombre de postes à capteurs incorporant les configurations de capteurs des figures 1 à 4, et un équipement optique et un ensemble associé formant source optique/équipement de détection et de traitement de 25 signaux; et - la figure 6 représe-nte.--des spectres de fréquences pouvant être détectés-par les capteurs décrits pour un cuvelage, sans contraintes dues à des microfractures (partie supérieure de la figure) et avec des contraintes de 30 microfractures (partie inférieure de la figure).L

Dans la description qui va suivre, pour la clarté

de l'exposé, on ne décrira pas toutes les caractéristiques d'une forme de réalisation réelle d'un système de contrôle de l'intégrité du cuvelage d'un puits. Naturellement on 35 notera que dans le développement de n'importe quelle forme de réalisation réelle de ce type de l'invention décrite, ainsi que dans n'importe quel projet de ce type, de nombreuses décisions du point de vue technique et conceptuel doivent être prises pour atteindre les objectifs spécifi5 ques des ingénieurs de développement, par exemple le respect de contraintes mécaniques et de contraintes associées au travail, qui varient d'une forme de réalisation à une autre. Bien qu'il faille nécessairement faire attention à des pratiques correctes du point de vue 10 ingénierie et conception pour l'environnement en question, on notera que le développement d'un système de contrôle de l'intégrité des cuvelages de puits serait néanmoins une entreprise de routine pour le spécialiste de la technique compte tenu des détails indiqués dans la présente 15 description, même si de tels efforts de développement sont complexes et prennent du temps.

Les formes de réalisation décrites sont utiles pour le contrôle direct d'une contrainte appliquée au cuvelage d'un puits et en particulier lorsque la contrainte 20 atteint un niveau qui peut mettre en danger l'intégrité structurelle du cuvelage de puits. Dans les formes de réalisation décrites, on utilise de préférence des capteurs à fibres otiques, qui fournissent un grand nombre d'options pour la mesure de la contrainte appliquée à un cuvelage de 25 puits et qui présentent une grande fiabilité. Les capteurs à fibres optiques possèdent également l'avantage supplémentaire consistant en ce qu'ils peuvent être aisément multiplexés le long d'un seul câble à fibre optique (utilisant un multiplexage par répartition dans le temps ou un 30 multiplexage par répartition des longueurs d'onde comme cela est bien connu) de manière à permettre le branchement en série de plusieurs capteurs ou bien leur connexion à d'autres capteurs optiques, qui mesurent des paramètres autres que la contrainte appliquée au cuvelage. Cependant, 35 on peut utiliser d'autres types de capteurs de mesure de contrainte si on le désire, comme par exemple des capteurs électriques, des capteurs piézoélectriques, des capteurs capacitifs, des accéléromètres, etc. On estime que l'amplitude d'une contrainte de 5 cuvelage de puits, que'l'on cherche à détecter, se situe entre environ 0, 01 % et 10,0 %, dont on estime qu'elle est égale à des contraintes s'étageant entre environ 20,68 MPa (3000 livres par pouce carré (psi)) pour un puits, nettement jusqu'à une valeur largement supérieure à la limite 10 apparente d'élasticité pour un cuvelage en acier standard.

Pour une contrainte axiale de 10 % (c'est-à-dire parallèle à l'axe du cuvelage), on s'attend à ce que le cuvelage soit le siège d'une déformation plastique importante et d'une éventuelle défaillance catastrophique. Les capteurs à 15 fibres optiques décrits, qui sont de préférence formés d'une fibre optique possédant un diamètre de gaine compris entre environ 80 et 125 micromètres, peuvent être soumis à une contrainte d'environ 689,47 MPa (100 000 psi) (c'est-àdire une contrainte à 1 % sur son étendue en longueur sans 20 risque grave de rupture, et par conséquent est à même de détecter des contraintes élevées et des problèmes de potentiel atteignant jusqu'à au moins l'apparition d'une déformation plastique de cuvelages en acier. C'est pourquoi, on suppose en théorie que les capteurs à fibres optiques 25 décrits peuvent être utilisés pour détecter des contraintes dans le cuvelage comprises entre 0, -01 % et 1,0 %,-ce qui englobe une grande partie dela gamme détectable à laquelle on s'intéresse, et éventuellement des gammes plus élevées lors de la détection de contraintes de cisaillement qui ne 30 sont pas alignées avec la fibre optique.

Les figures 1 à 4 décrivent des formes de réalisation préférées de capteurs à fibres optiques permettant de contrôler directement une contrainte appliquée à un cuvelage de puits et soit par mesure de la contrainte 35 statique, soit par mesure d'émissions acoustiques dynamiques provenant de microfractures apparaissant dans la structure du métal du cuvelage de puits. Plus spécifiquement, ces figures représentent un segment d'un cuvelage de puits 1 logé dans un ciment de cuvelage 4, qui est en outre 5 inséré dans la formation souterraine 3. Un tube de production 2, dans lequel du pétrole circule pendant la production, est situé à l'intérieur du cuvelage de puits 1. Une fibre optique 8 s'étend le long du cuvelage de puits 1 et est entouré par un câble de protection 5 sur toute sa lon10 gueur. Le câble 5 comprend de préférence un tube métallique d'un diamètre de 1/4 pouce pour loger le câble à fibre optique qui forme et est réuni par épissage ou couplé au capteur à fibre optique décrit ici. Le câble 5 est de préférence tendu ou serré sur l'extérieur du cuvelage en 15 différents points sur la longueur de ce dernier. La longueur de la fibre optique 8, qui est fixée à la surface extérieure du cuvelage de puits 1 pour former le ou les capteurs est recouverte par un boîtier 9 pour le capteur.

Le boîtier peut avoir un agencement similaire à celui décrit dans le brevet U.S. 6 435 030, qui décrit un boîtier pour des capteurs couplés au tube de production.

L'utilisation d'un boîtier 9 visant à protéger les capteurs à l'extérieur du cuvelage constitue un nouveau progrès par rapport à l'art antérieur décrit dans la 25 demande de brevet U.S. N de série 09/612 775 mentionné précédemment et le brevet U.S. & 43-5 030. Le brevet 6 435 030 ne décrit pas l'utilisation d'un boîtier pour des capteurs déployés sur le cuvelage. Dans la demande de brevet 09/612 775, des capteurs à fibres optiques fixés au 30 cuvelage ne sont pas confinés dans un boîtier rigide étant donné que le but de cette application est de coupler acoustiquement les capteurs à la formation souterraine pour détecter de façon efficace les événements sismiques.

Cependant, dans la présente demande, il est souhaitable d'isoler autant que cela est possible des capteurs vis-à- l1 vis d'ondes acoustiques ou de contraintes dans la formation souterraine de sorte que les contraintes et les ondes acoustiques dans le cuvelage sont mesurées avec une interférence minimale. Le boîtier 9 contribue à atteindre cet 5 objectif. Le boîtier 9 pour capteur est de préférence soudé sur la surface extérieure du cuvelage de puits 1 et couvre toute la longueur de la fibre optique 8 qui est fixée au cuvelage de puits 1. De préférence un vide est établi dans le boîtier 9 de capteur ou bien ce dernier est rempli par 10 un gaz inerte tel que de l'azote pour former un interstice isolant du point de vue acoustique entre le boîtier et les capteurs (ce qui est utile même si un bruit externe du trou de sonde peut être couplé à un certain degré aux capteurs par l'intermédiaire d'autres parties du cuvelage 1). Le 15 boîtier 9 et le câble 5 sont de préférence fixés au cuvelage avant qu'ils soient déployés dans le fond du puits, et avant l'application du ciment de cuvelage.

La fibre optique 8 peut être une fibre de communication standard, bien que des considérations 20 concernant l'environnement puissent imposer d'utiliser des fibres qui par exemple ne soient pas sensibles à l'hydrogène, qui souvent est présent dans le fluide du puits. Comme cela sera expliqué plus loin de façon plus détaillée, la fibre 8 est de préférence agencée sous la 25 forme de bobines 7 pour être réunie par épissage à des bobines 7, qui sont chacune délimitées par une paire de réseaux de Bragg à fibres (FBG) 6 de manière à former des capteurs de contrainte du cuvelage. L'utilisation de réseaux FBG dans des capteurs à fibres optiques est bien 30 connue dans la technique et le lecteur se référera aux brevets U.S. Na 5 767 411, 5 892 860, 5 986 749, 6 072 567, 6 233 374 et 6 354 147, pour mieux comprendre de telles applications. Lorsqu'elle est enroulée, chaque bobine 7 possède de préférence une longueur d'environ 10 à 100 35 mètres. Les bobines 7 sont de préférence fixées sur la surface extérieure du cuvelage de puits 1, moyennant l'utilisation d'un époxy ou d'un film adhésif. De façon plus spécifique, on fixe tout d'abord par adhérence un film époxy sur la surface extérieure du cuvelage de puits 1, et 5 on place les bobines 7 à la partie supérieure du film époxy. On peut ensuite faire durcir ou chauffer le film époxy pour fixer rigidement la fibre optique sur la surface extérieure du cuvelage de puits 1. Lors de la fixation de la fibre sur le cuvelage, il peut être préférable 10 d'appliquer la fibre à une tension d'une certaine intensité. De cette manière, une compression du cuvelage peut être plus facilement détectée au moyen de l'évaluation de la relaxation de la contrainte de traction appliquée à la fibre 8.

Dans une forme de réalisation préférée, les bobines 7 des capteurs sont fixées à plus d'une profondeur, sur le cuvelage de puits 1 (voir figure 5) . A cet égard et comme cela est bien connu, plusieurs régions du capteur telles que représentées par exemple sur la figure 1 peuvent 20 être multiplexées le long d'un câble commun à fibre optique 8 à différentes profondeurs sur le cuvelage. En fonction des types des réseaux de Bragg à fibres utilisés (qui seront expliqués plus loin) et de l'architecture des capteurs, ces derniers peuvent par exemple être multiplexés 25 selon un multiplexage par répartition du temps (TDM) ou être multiplexés selon un multiplex-age par répartition des longueurs d'onde (WDM), comme cela est bien connu des spécialistes de la technique.

Dans la forme de réalisation des figures 1 à 3, 30 les bobines 7 sont allongées dans une direction parallèle à l'axe, ce qui les rend particulièrement sensibles à des contraintes axiales dans le cuvelage 1. Lorsque le cuvelage 1 est soumis à une contrainte axiale, la longueur totale des bobines 7 est modifiée de façon correspondante. Cette 35 modification de longueur de la bobine 7 peut être déterminée par évaluation de la durée nécessaire à la lumière pour circuler dans la bobine, durée qui est déterminée de préférence par des moyens interférométriques. De tels systèmes de détection optique sont bien connus et sont 5 décrits par exemple dans la demande de brevet U.S. N de série 09/726 059 ayant pour titre "Method and Apparatus for Interrogating Fiber Optic Sensors", déposée le 29 Novembre 2000 ou dans les brevets U.S. N 5 767 411 ou 6 354 147.

Il est préférable que chaque bobine 7 soit déli10 mitée par une paire de réseaux FBG 6 de telle sorte que chaque paire de bobines possède une longueur d'onde de réflexion de Bragg unique. Il est en outre préférable d'isoler les réseaux FBG 6 vis-à-vis d'une contrainte du cuvelage, étant donné que sans une telle isolation, la 15 longueur d'onde de réflexion (de Bragg) des réseaux FBG peut présenter un décalage excessif, ce qui rend leur détection difficile et par conséquent compromet la fonction des capteurs. A cet égard, il peut être utile de placer un tampon isolant entre les réseaux FBG 6 et la surface 20 extérieure du cuvelage, de la même manière que dans le procédé décrit dans le brevet U.S. 6 501 067 attribué le 31 Décembre 2002. Lorsqu'elles sont ainsi agencées, les bobines peuvent être multiplexées conjointement en utilisant une solution à multiplexage par répartition des 25 longueurs d'onde. Sinon, chaque bobine 7 peut être séparée par un seul réseau FBG 6 (non- représenté), dans lequel chaque réseau FBG de séparation possède la même longueur d'onde de réflexion de Bragg dans une solution à multiplexage par répartition dans le temps, comme cela est 30 décrit dans le brevet U.S. 6 354 147. Un spécialiste de la technique constatera que les réseaux FBG 6 peuvent être réunis par fusion aux bobines 7 et à la fibre 8, ce qui est préférable pour réduire l'atténuation du signal lorsqu'il circule dans les différentes bobines. Etant donné que les 35 détails de l'épissage ou de la réunion par fusion sont bien connus, on ne les répétera pas ici. La longueur des bobines 7 le long de l'axe du cuvelage peut être aisément modifiée, par exemple jusqu'à des dizaines de mètres, ce qui permet de former la moyenne de contraintes statiques sur cette 5 étendue en longueur, ce qui pourrait être approprié dans certaines applications. Si on désire effectuer une mesure de longueur d'une contrainte très longue, il peut même ne pas être nécessaire de former une bobine, et au lieu de cela, un capteur 7 peut constituer une ligne droite d'un 10 câble à fibre optique fixé à l'extérieur du cuvelage.

Cependant, il faut veiller à ajuster la longueur du capteur, qu'il soit enroulé ou déroulé, de manière qu'une détection interférométrique soit possible si on utilise un système d'interrogation interférométrique.

Les bobines 7 des figures 1 à 3 sont de préférence séparées par des intervalles égaux autour du diamètre extérieur du cuvelage, par exemple à 90 degrés lorsqu'on utilise quatre bobines 7. De cette manière, on peut en déduire l'emplacement et la distribution de la 20 contrainte sur le cuvelage. Par exemple, si le cuvelage est soumis à une contrainte sous l'effet d'un coudage vers la droite, on peut voir que la bobine 7 située sur le côté droit doit être comprimée (ou que son degré relatif de contrainte de traction est relaxé) alors qu'on peut voir 25 que la bobine 7 située sur le côté gauche est relativement allongée par traction. Naturellemrent on peut utiliser plus ou moins de quatre bobines 7.

Dans une autre forme de réalisation, contrairement aux bobines 7, les réseaux FBG 6 eux-mêmes peuvent 30 agir en tant que capteurs. Dans cette forme de réalisation (non représentée), les réseaux FBG 6 sont eux-mêmes fixés au cuvelage dans la position des bobines et sont orientés parallèlement à l'axe du cuvelage. Une déformation axiale du cuvelage étire ou comprime les réseaux FBG 6, et la 35 quantité de déformation peut être déterminée par évaluation du décalage de la longueur de réflexion de Bragg des réseaux FBG, comme cela est bien connu. Si on utilise une autre solution, il est préférable que chaque réseau FBG possède une longueur d'onde de réflexion de Bragg unique de 5 manière à permettre une résolution correcte d'un réseau FBG par rapport à un autre, c'est-à-dire dans une solution à multiplexage par répartition des longueurs d'onde. Les réseaux FBG 6 dans cette solution peuvent être disposés en serpentin d'une manière sinueuse autour du cuvelage 1, 10 d'une manière similaire à ce qui est décrit dans le brevet U.S. 6 354 147 de manière à mesurer une contrainte de cisaillement.

La figure 4 représente une orientation d'un capteur à fibre optique pour la mesure d'une contrainte 15 périphérique dans le cuvelage. Sur la figure 4, la bobine 7 est enroulée autour de et est fixée à la circonférence ducuvelage 1 et à nouveau est délimitée par une paire de réseaux FBG 6. Ainsi orientée, la bobine 7 s'allonge ou est comprimée lorsque le cuvelage est soumis à une contrainte 20 périphérique. Si cela est souhaitable, la bobine 7 de cette forme de réalisation peut être enroulée sous un certain nombre autour du cuvelage ou bien peut former une structure hélicoïdale, ce qui est préférable pour les contraintes de cisaillement.

Pour mesurer tous les modes potentiels de contrainte appliqués au carterl, -.--un spécialiste de la technique notera que l'on peut utiliser une combinaison de capteurs axiaux (figures 1 à 3), de capteurs circonférentiels et de capteurs inclinés, et cette 30 combinaison peut être logée dans un boîtier commun 9 pour former un poste à capteurs de contrainte tout-inclus.

La manière, dont les capteurs décrits, assistés par leur boîtier de protection 9, doit être utilisée pour détecter les contraintes statiques dans le cuvelage est 35 évidente à partir de la description précédente. Cependant on obtient un avantage utile en supplément, qui et lié à l'aptitude des capteurs décrits à détecter des contraintes dynamiques dans le cuvelage, par exemple les ondes acoustiques émises par les microfractures apparaissant dans le 5 cuvelage lorsque ce dernier est soumis à des contraintes relativement intenses. Les sondes acoustiques des microfractures ont une durée en général très brève et possèdent un contenu relativement élevé en fréquences par exemple dans la gamme de 10 kilohertz à 1 mégahertz. Cela permet de 10 détecter aisément de telles ondes acoustiques lorsqu'on les compare à d'autres ondes acoustiques qui sont présentes au fond du puits, comme par exemple des ondes acoustiques présentes dans le fluide qui est produit par le conduit de production 2. Ces ondes acoustiques basées sur des micro15 fractures sont susceptibles d'apparaître dans tous les modes de charge du cuvelage, mais avec des signatures caractéristiques différentes du point de vue de l'amplitude, du contenu en fréquences et de la fréquence d'événements acoustiques. La libération d'une énergie relativement 20 faible pour ces émissions acoustiques requiert de préférence un capteur de contrainte qui soit très sensible, comme par exemple des dispositifs à capteurs interférométriques décrits précédemment.

Lors de la détection d'ondes acoustiques de 25 microfractures, une orientation axiale des bobines 7 (figures 1 à 3) est préférable -étant donné que des émissions acoustiques se propagent en général axialement sur l'étendue en longueur du cuvelage de puits 1. Lors de la détection de ces émissions dynamiques, les bobines 7 sont 30 fixées de préférence au cuvelage de puits 1 à une distance de zones connues de la contrainte intense de formations souterraines, qui est si possible telle que des ondes acoustiques peuvent être détectées (lorsqu'elles se déplacent) dans le cuvelage sans que le capteur soit exposé 35 directement à la contrainte. Avec cet emplacement décalé, le capteur est à même de détecter des contraintes appliquées au cuvelage jusqu'à une contrainte d'au moins dix pour cent. Les longueurs des capteurs, c'est-à-dire des bobines 7, sont ajustées de manière qu'elles soient 5 sensibles aux fréquences et à la caractéristique d'amplitude d'émissions acoustiques provoquées par des microfractures dans le cuvelage de puits 1, ce qui peut nécessiter une certaine expérimentation pour une application donnée dans le cadre des connaissances du spécialiste de la tech10 nique.

Comme cela a été mentionné précédemment, des émissions acoustiques provenant de structures métalliques, comme par exemple le cuvelage de puits 1, sont des événements distincts qui possèdent normalement un contenu carac15 téristique en hautes fréquences compris entre environ 10 kilohertz et 1 mégahertz. Ceci rend relativement simple la détection de ces événements dynamiques. Tout d'abord un contrôle de cette gamme de fréquences est normalement seulement indicatif de microfractures et pas d'autres ondes 20 acoustiques naturellement présentes au fond du trou. En second lieu, le fait que ces événements à une fréquence relativement élevée ont une durée limitée dans le temps, contribue à permettre de mieux vérifier que des microfractures dans le cuvelage sont détectées. En 25 troisième lieu, étant donné que les ondes acoustiques émises par les microfractures -se --déplacent le long du cuvelage 1, leur origine peut être déterminée. Le boîtier 9 autour des capteurs accroît la sensibilité étant donné que non seulement il protège des capteurs, mais également 30 contribue à réduire l'influence du bruit détecté à partir de l'extérieur du trou de sonde, comme mentionné précédemment. Ces points sont expliqués dans les paragraphes qui vont suivre.

La figure 5 représente un système incorporant 35 plusieurs postes à capteurs 100 de contrôle du cuvelage, qui sont déployés dans le fond du trou pour former un réseau de capteurs. Chaque poste 100 comprend les formes de réalisation de capteurs décrites sur les figures 1 à 3 ou 4 (ou l'ensemble) et peuvent être multiplexés entre eux dans 5 un câble optique commun -à fibres logé dans le câble 5 comme décrit précédemment. L'espacement entre les postes 100 des capteurs peut varier pour l'obtention d'une résolution désirée le long du cuvelage, et peuvent s'étaler sur une longueur de préférence de 15,24 m à 304,8 m (50 à 1000 10 pieds). Le réseau est couplé à la source/l'équipement de détection optique 110, qui est si tué habituellement au niveau de la surface du puits. Un tel équipement 110 est bien connu et ne sera pas expliqué de façon plus détaillée.

Le système électronique situé dans l'équipement 15 110 convertit les signaux réfléchis par les différents capteurs en des ensembles de données indicatifs des ondes acoustiques de contrainte qui se propagent dans le cuvelage et appliquent au capteur une contrainte en fonction du temps, à nouveau comme cela est bien connu, et ces données 20 sont transférées à un dispositif 120 d'analyse des signaux.

Le dispositif 120 d'analyse des signaux convertit les données de contrainte en un spectre de fréquences, qui est représenté sur la figure 6. Comme le- comprendra un spécialiste de la technique, les spectres de fréquences de la 25 figure 6 sont générés et mis à jour à différents instants pour chaque capteur dans chaque poste de capteur 100 conformément à une cadence -d'échantillonnage, à laquelle les capteurs sont interrogés. Par exemple, chacun des spectres de fréquence peut être généré et/ou mis à jour 30 toutes les 0,05 à 1,0 seconde ou à n'importe quelle cadence qui serait nécessaire pour "voir" des ondes acoustiques émises par les microfractures, qui, comme cela a été indiqué précédemment, sont des événements limités dans le temps. En l'absence de contraintes dynamiques provoquées 35 par des microfractures dans le cuvelage, et si on se réfère au spectre situé à la partie supérieure de la figure 6, des ondes acoustiques significatives ne sont pas visibles dans la gamme de 10 kHz à 1 MHz, à laquelle on s'intéresse, bien qu'une certaine quantité d'ondes acoustiques sur la ligne 5 de base soit visible dans cette gamme. Lorsque les microfractures sont présentes dans le cuvelage, des pics 130 sont visibles dans cette gamme à laquelle on s'intéresse, indiquant les ondes acoustiques émises par ces microfractures. De tels pics 130 doivent être détectés et 10 traités soit manuellement (par exemple visuellement) soit à l'aide de moyens d'analyse algorithmique de données.

Etant donné que la conversion des données acoustiques induites par la contrainte et tirées des capteurs dans leurs composantes de fréquences constitutives est bien 15 connue des spécialistes de la technique de traitement des signaux, ce processus de conversion va être décrit seulement brièvement. Comme cela est connu, et en supposant une cadence (d'échantillonnage) d'impulsions optiques élevée appropriée, les signaux réfléchis par les capteurs 20 dans les postes 100 des capteurs constituent initialement des données fournies par la réflexion des ondes acoustiques de contrainte appliquées au capteur en fonction du temps.

Ces données de variation de l'onde acoustique de contrainte en fonction du temps sont alors transformées par le 25 dispositif 120 d'analyse des signaux pour produire, pour une certaine période échantillonné-e, une variation du spectre d'amplitude en fonction de la fréquence, comme représenté sur la figure 6. Comme cela est bien connu, ceci peut être obtenu au moyen de l'utilisation d'une transfor30 mation de Fourier, bien que l'on puisse également utiliser d'autres transformations, et en particulier celles applicables au traitement de l'ensemble de données discrètes ou numérisées. Bien que les capteurs décrits puissent détecter des fréquences jusqu'à 1 MHz et par conséquent soient 35 appropriés pour détecter des microfractures dans le cuvelage, un spécialiste de la technique notera que des périodes d'échantillonnage courtes de façon appropriée peuvent être nécessaires pour résoudre une gamme de fréquences particulières à laquelle on s'intéresse. Si cela 5 est nécessaire, le dispositif 120 d'analyse des signaux peut contenir un filtre passe-haut pour séparer par filtrage des fréquences inférieures auxquelles on ne s'intéresse pas particulièrement pour la détection d'ondes acoustiques de microfractures.

Une confirmation supplémentaire de la détection d'émissions acoustiques induites par des microfractures est possible grâce au fait qu'un tel bruit se déplace avec une efficacité relativement bonne à l'intérieur du cuvelage 1, et à cet égard on estime qu'une telle émission peut se 15 déplacer sur des centaines de mètres à l'intérieur du cuvelage, sans des niveaux inadmissibles d'atténuation pour la détection. Par exemple on suppose qu'un cuvelage est soumis à une contrainte à un instant t=0 à l'emplacement 140, ce qui provoque la production d'ondes acoustiques 20 induites par les microfractures. Ces ondes acoustiques se déplacent dans le cuvelage jusqu'à ce qu'elles atteignent le poste de capteur 100 audessus d'elles (par exemple à l'instant t = to) et au-dessous d'elles (à un instant t = to'), to et to' varient en fonction du fait que l'emplace25 ment 140 est plus proche du poste supérieur ou du poste inférieur, et varie en fonction -de la vitesse du son dans le cuvelage. A ces instants, les ondes acoustiques sont détectées à chacun de ces deux postes conformément à la technique d'analyse des fréquences décrite plus haut. Si 30 elles ne sont pas fortement atténuées, les ondes acoustiques se propagent ensuite jusqu'aux postes de capteurs suivants. En supposant que les ondes acoustiques se propagent entre les postes 100 pendant une durée At, on voit que dans les postes suivants, aux instants t = to + At 35 et t = to' + At, etc. Par conséquent, en évaluant l'instant d'arrivée des ondes acoustiques dans chaque poste, on peut déterminer l'emplacement de la contrainte, qui est produite par les ondes acoustiques de microfractures, c'est-à-dire l'emplacement 140, qui peut permettre l'inspection de cet 5 emplacement ou la prise d'une autre disposition corrective.

Cette évaluation peut être exécutée avant ou après la conversion des signaux acoustiques basés sur le temps, en des spectres de fréquences. Si on utilise des signaux acoustiques basés sur le temps, on peut utiliser des 10 techniques de corrélation croisées bien connues telles que celles décrites dans le brevet U.S. 6 354 147, pour comparer les signaux dans les différents postes et les comparer de manière à comprendre les intervalles de temps relatifs, avec lesquels les ondes acoustiques atteignent 15 les différents postes de capteurs.

Lors de la description de contraintes dynamiques

telles que celles émises par des microfractures dans le cuvelage, les éléments de détection peuvent comprendre des accéléromètres, comme par exemple des accéléromètres pié20 zoélectriques aptes à détecter les fréquences auxquelles on s'intéresse. A cet égard, on notera que, bien que l'utilisation de capteurs à fibres optiques soit préférable en liaison avec la technique décrite, l'utilisation de tels capteurs n'est pas requise de façon stricte.

Etant donné que les capteurs à fibres optiques d'une manière générale et de façon spécifique des capteurs à fibres optiques décrits ici sont sensibles à la température, un spécialiste de la technique constatera que des systèmes de compensation de température sont de 30 préférence nécessaires en liaison avec les techniques et les dispositifs décrits. Une telle compensation peut être nécessaire pour distinguer si des résultats de déformations de capteurs dues à une contrainte (par exemple une compression ou une traction appliquée aux capteurs) ou à 35 une température (par exemple une dilatation thermique des - __I___I.- ------ - __ - 1 __ -- -- - ,.-.,.-," longueurs des capteurs). Par exemple un réseau FBG isolé des contraintes appliquées au cuvelage (et d'autres contraintes) peut par exemple être utilisé pour détecter la température de sorte que les capteurs décrits peuvent être 5 compensés pour la compréhension uniquement des pressions qui lui sont appliquées. Etant donné que système de compensation de température de ce type pour des capteurs à fibres optiques sont bien connus et peuvent prendre une multiplicité de formes, on n'en donnera pas ici une des10 cription plus détaillée.

Il est envisagé que différentes substitutions, modifications et/ou variantes puissent être apportées à la forme de réalisation décrit sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Système pour mesurer la contrainte appliquée à un cuvelage déployé au bas d'un puits, le cuvelage (1) étant concentrique autour d'un axe central, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins un capteur à fibre optique couplé à une circonférence extérieure du cuvelage (1) et qui détecte une contrainte appliquée au cuvelage le long d'une section de détection, et un boîtier (9) fixé à l'extérieur du cuvelage (1), le boîtier formant une cavité fermée sur l'extérieur du cuvelage le long de la section de détection, et le au moins un capteur à fibre optique étant renfermé dans ce boîtier, ce qui isole la section de détection vis-à-vis 15 d'un environnement extérieur.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier comprend un interstice entre le capteur et le boîtier (9).

3. Système selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce que le capteur à fibre optique comprend une bobine (7) formée d'une fibre optique.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine (7) est délimitée par une paire de réseaux de Bragg à fibre.

5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine (7) est allongée le long d'une droite parallèle à l'axe central du cuvelage (1).

6. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine (7) s'étend selon une hélice autour de 30 l'axe central du cuvelage (1).

7. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine (7) est enroulée autour de la circonférence supérieure et est concentrique à l'axe central du cuvelage (1).

8. Système selon la revendication 1, caractérisé -- 2855210 en ce que le capteur à fibre optique comprend un réseau de Bragg à fibre.

9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (9) est rempli par un gaz ou qu'un vide est établi dans le 'boîtier.

10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système comprend une pluralité de capteurs à fibres optiques.

11. Système selon la revendication 10, caractéri10 sé en ce que les capteurs à fibres optiques sont multiplexés le long d'un seul trajet optique.

12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les capteurs à fibres optiques comprennent des bobines (7) d'une fibre optique.

13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les bobines (7) sont allongées le long d'une droite parallèle à l'axe central du cuvelage (1) et sont également espacées autour de la circonférence extérieure du cuvelage.

14. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les bobines (7) sont enroulées autour de la circonférence extérieure et sont concentriques à l'axe central du cuvelage.

15. Système selon la revendication 12, caractéri25 sé en ce que les bobines (7) sont délimitées chacune par une paire de réseaux de Bragg à fibre.

16. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réseau de Bragg à fibres entre chacune des bobines (7).

17. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les capteurs à fibres optiques comprennent des réseaux de Bragg à fibre.

18. Procédé pour détecter une contrainte d'un cuvelage, caractérisé en ce qu'il consiste à : isoler au moins un capteur qui détecte une con- trainte appliquée au cuvelage (1) le long d'une section de détection par fixation d'un boîtier (9) au cuvelage sur des extrémités axiales opposées de la section de détection, le boîtier formant une cavité fermée entre le boîtier et le 5 cuvelage et isolant la section de détection vis-à-vis d'un environnement extérieur, enfermer le capteur dans la cavité, et détecter un signal indicatif de la contrainte appliquée au cuvelage.

19. Procédé pour mesurer une microfracture à l'intérieur d'un cuvelage (1) dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il consiste à : fournir au moins un capteur couplé à une partie extérieure du cuvelage (1), détecter les ondes acoustiques traversant le cuvelage (1) et possédant un contenu en fréquences d'au moins 10 kilohertz à l'aide du au moins un capteur, et analyser les ondes acoustiques pour déterminer la présence d'une onde acoustique de microfracture et délivrer 20 un signal indicatif de la microfracture dans le cuvelage.

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à déterminer un emplacement d'une contrainte qui a généré- l'onde acoustique de microfracture.