Types d'outils de levé gyroscopique dans les puits de pétrole et de gaz

Gyroscope conventionnel

Le gyroscope conventionnel, ou gyroscope libre, existe depuis les années 1930. Il détermine l'azimut du puits de forage grâce à un gyroscope rotatif. Il ne détermine que la direction du puits et non son inclinaison. L'angle d'inclinaison est généralement mesuré à l'aide d'accéléromètres. Le gyroscope à film unique utilise un pendule suspendu au-dessus d'une rose des vents (fixée à l'axe extérieur du cardan) pour obtenir l'inclinaison. Un gyroscope conventionnel possède une masse en rotation, généralement entre 20 000 et 40 000 tr/min (certains tournent même plus vite). Le gyroscope reste immobile si aucune force extérieure ne s'exerce sur lui et si la masse est supportée par son centre de gravité exact. Malheureusement, il est impossible de maintenir la masse précisément en son centre de gravité, et des forces extérieures agissent sur le gyroscope. Par conséquent, celui-ci dérive avec le temps.

En théorie, si un gyroscope se met à tourner et est orienté dans une direction précise, son orientation ne devrait pas varier sensiblement avec le temps. Par conséquent, une fois descendu dans le puits, même si le boîtier tourne, le gyroscope reste libre de ses mouvements et conserve son orientation initiale. Cette orientation étant connue, on peut déterminer la direction du puits en calculant la différence entre l'orientation du gyroscope et celle du boîtier qui le contient. L'orientation de l'axe de rotation doit être connue avant la descente du gyroscope dans le puits. Cette opération est appelée référencement du gyroscope. Un référencement incorrect du gyroscope fausse l'ensemble du levé ; il est donc impératif de référencer correctement l'outil avant sa descente dans le puits, notamment pour les puits de pétrole et de gaz.

Inconvénients

Un autre inconvénient d'un gyroscope conventionnel est sa dérive au fil du temps, entraînant des erreurs de mesure de l'azimut. Cette dérive est due aux chocs du système, à l'usure des roulements et à la rotation de la Terre. Elle peut également provenir d'imperfections du gyroscope, défauts pouvant survenir lors de sa fabrication ou de son usinage, car le centre de masse exact ne coïncide pas avec l'axe de rotation. La dérive est moindre à…L'équateur terrestre et plus encore aux hautes latitudes, près des pôles. En général, les gyroscopes conventionnels ne sont pas utilisés à des latitudes ou des inclinaisons supérieures à 70°. La vitesse de dérive typique d'un gyroscope traditionnel est de 0,5° par minute. La dérive apparente due à la rotation de la Terre est corrigée par l'application d'une force spécifique sur la bague de cardan interne. Cette force dépend de la latitude d'utilisation du gyroscope.

Pour ces raisons, tous les gyroscopes conventionnels présentent une certaine dérive. Cette dérive est contrôlée lors de chaque utilisation d'un gyroscope traditionnel, et le levé est corrigé en conséquence. Si la référence ou la dérive n'est pas correctement compensée, les données de levé recueillies seront erronées.

Gyroscope à intégration de vitesse ou gyroscope à recherche du nord

Un gyroscope à intégration de vitesse radiale, ou gyroscope à recherche du nord, a été développé pour pallier les limitations du gyroscope conventionnel. Un gyroscope à intégration de vitesse radiale et un gyroscope à recherche du nord sont essentiellement identiques : il s'agit d'un gyroscope à un seul degré de liberté. Le gyroscope à intégration de vitesse radiale est utilisé pour déterminer le nord géographique. Il décompose le vecteur de rotation de la Terre en composantes horizontale et verticale. La composante horizontale pointe toujours vers le nord géographique. L'utilisation d'un gyroscope de référence est ainsi éliminée, ce qui améliore la précision. La latitude du puits doit être connue car le vecteur de rotation de la Terre varie en fonction de la latitude.

Lors de l'installation, le gyroscope à vitesse angulaire mesure automatiquement la rotation de la Terre afin de corriger la dérive due à cette rotation. Cette caractéristique réduit considérablement les risques d'erreur par rapport à un gyroscope conventionnel. Contrairement à ce dernier, le gyroscope à vitesse angulaire ne nécessite aucun point de référence pour son alignement, éliminant ainsi une source potentielle d'erreur. Les forces agissant sur le gyroscope sont mesurées par celui-ci, tandis que la force de gravité est mesurée par les accéléromètres. La combinaison des mesures des accéléromètres et du gyroscope permet de calculer l'inclinaison et l'azimut du puits.

Un gyroscope à vitesse angulaire mesure la vitesse angulaire en fonction d'un déplacement angulaire. Un gyroscope à intégration de vitesse angulaire calcule l'intégrale de la vitesse angulaire (déplacement angulaire) en fonction d'un déplacement angulaire de sortie.

Les versions plus récentes du gyroscope permettent d'effectuer des relevés en mouvement, mais présentent certaines limitations. Il n'est pas nécessaire de rester immobile pour réaliser un relevé. La durée totale du relevé peut être réduite, ce qui rend l'outil plus économique.

Gyroscope laser annulaire

Le gyroscope laser annulaire (RLG) utilise un type de gyroscope différent pour déterminer la direction du puits. Le capteur comprend trois gyroscopes laser annulaires et trois accéléromètres inertiels montés pour mesurer les axes X, Y et Z. Il est plus précis qu'un gyroscope de vitesse radiale ou un gyroscope de recherche du nord. L'outil de levé n'a pas besoin d'être arrêté pour effectuer un levé, ce qui accélère les opérations. Cependant, le diamètre extérieur du gyroscope laser annulaire est de 5 1/4 pouces, ce qui signifie que ce gyroscope ne peut fonctionner que dans des tubages de 7 pouces et plus (consultez notreconception du boîtierguide). Il ne peut pas être exécuté via untige de forage, tandis qu'un gyroscope à vitesse variable ou à recherche du nord peut être installé dans une colonne de forage ou dans des colonnes de tubes de plus petit diamètre.

Composants

Dans sa forme la plus simple, le gyroscope laser annulaire est constitué d'un bloc de verre triangulaire percé de trois conduits pour lasers hélium-néon, avec des miroirs placés aux angles de 120° (les sommets)³. Deux faisceaux laser contrarotatifs (l'un tournant dans le sens horaire, l'autre dans le sens antihoraire) coexistent dans ce résonateur. À un certain point, un capteur photosensible détecte l'intersection des faisceaux. Selon la phase précise de chaque faisceau, l'interférence est constructive ou destructive.

Si le laser à réseau radial (RLG) est immobile (sans rotation) autour de son axe central, la phase relative des deux faisceaux est constante et le signal du détecteur est cohérent. Si le RLG est mis en rotation autour de son axe central, les faisceaux se propageant dans le sens horaire et antihoraire subissent des décalages Doppler opposés : la fréquence de l’un augmente, celle de l’autre diminue. Le détecteur mesure la différence de fréquence, ce qui permet de déterminer avec précision la position angulaire et la vitesse. C’est ce qu’on appelle la…effet Sagnac.

On mesure l'intégrale de la vitesse angulaire, c'est-à-dire l'angle de rotation depuis le début du comptage. La vitesse angulaire correspond à la dérivée de la fréquence de battement. Un détecteur double (en quadrature) permet de déterminer le sens de rotation.

Gyroscope à inertie

L'instrument de levé le plus précis dans le secteur pétrolier et gazier est le gyroscope inertiel, souvent appelé outil Ferranti. Il s'agit d'un système de navigation complet, adapté de la technologie aérospatiale. Du fait de sa précision exceptionnelle, la plupart des autres instruments de levé sont comparés à ce gyroscope pour déterminer leur précision respective. L'appareil utilise trois gyroscopes de vitesse radiale et trois accéléromètres montés sur une plateforme stabilisée.

Le système mesure le changement de direction de la plateforme (plateformes de forageIl mesure non seulement l'inclinaison et la direction du puits, mais aussi sa profondeur. Il ne se base pas sur la profondeur mesurée par câble. Cependant, son diamètre extérieur est plus important (10⅝ pouces). De ce fait, il ne peut être utilisé qu'avec des tubages de 13 3/8 pouces et plus.

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