Brevet FR2203017A1 — publié le 19740510

L'invention se rapporte à un appareil de mesure rapide de la déviation d'un forage parallèlement à toute direction voulue perpendiculaire à l'axe théorique du forage. I1 existe de nombreux appareils permettant d'évaluer directement angle que font les tangentes au parcours du forage avec une direction fixe, soit imposée par un gyroscope, soit matérialisée par la pesanteur ou le champ magnétique terrestre. Cependant, ces appareils sont relativement motteux et d'un emploi limité. On fait donc appel à des appareils de mesure plus pratiques dont le plus simple est constitué par deux éléments articulés associés à un appareil de mesure commandé par l'articulation reliant les deux éléments. Une liaison généralement électrique permet ainsi à ltopérateur d'obtenir en surface le résultat de la mesure de l'angle que prend l'articulation lorsque les éléments sont à un niveau donné.Pour obtenir d'une façon commode la valeur totale de la déviation par rapport à un axe perpendiculaire à la direction thé- orique du forage, l'opérateur doit procéder au relevé des angles pris par l'appareil en descendant, ou remontant celui-ci d'une distance telle que dans la nouvelle position, l'un des éléments articulés occupe la place qu'avait l'autre élément au cours de la mesure précédente.En effet, étant donné que les valeurs des angles relevés al, a2 ... an sont généralement faibles, on déduit facilement la longueur de la déviation D dans une direction donnée perpendiculairement à la direction théorique du forage par la formule D = la1 + 2 la2 + ... + n lan dans laquelle D est la déviation, 1 est la longueur de chacun des deux éléments de l'appareil, n le nombre total des angles relevés et an la valeur en radian du nièce angle. I1 suffit donc à l'opérateur de placer l'appareil dans des positions successives lui permettant de lire les angles al, a2 ... an pour en déduire D.Cependant, l'avantage de la simplicité de l'appareil a pour contrepartie la difficulté de sa mise en place puisqu'à chaque mesure d'angle ai l'opérateur doit faire cotncider ltun des éléments de l'appareil avec la position qu'occupait l'autre élément au cours de la mesure précédente. Or, cette condition ne peut etre réalisée que si les extrémités de chaque élément n'ont pas de jeu dans le forage ce qui nécessite, soit des jupes amovibles ou autres artifices adaptés à chaque diamètre du forage dont la section doit etre régulière, soit la mise en place d'un tubage exactement calibré au diamètre des éléments et convenablement immobilisé dans le forage. Afin d'éviter cette difficulté, on utilise également un appareil constitué par la chatne complète des n éléments qui permettent d'atteindre la profondeur nl où l'on désire connattre la déviation D, chaque articulation transmettant la mesure d'un angle ai, mais l'opérateur pouvant alors faire en mène tEmps le relevé de toutes les mesures sans avoir à bouger l'appareil. L'inconvénient d'un tel appareil est cependant d'tre complexe puisqu'il faut au moins une ligne de transmission de mesure d'angle pour chaque articulation et que l'ensemble de ces lignes doit traverser la channe d'éléments pour transmettre l'information en surface bien que l'opérateur doive, comme dans le cas des appareils à deux éléments, calculer pour chaque angle ai la valeur iai afin de pouvoir déterminer ultérieurement la valeur de la déviation D définie ci-dessus. L'objet de l'invention est un appareil de mesure de déviation formé dtune chatne analogue, mais caractérisée en ce que chaque élément i dans lequel i est le numéro d'ordre de l'élément compté à partir de l'élément1 situé le plus au fond comporte une résistance variable Ri commandée par l'angle ai et égale à la valeur K . i . ai + ri où K est une constante commune à toutes les résistances variables des divers éléments et où ri est une constante propre a l'élément de rang de i. Un premier avantage est qu'il suffit à l'opérateur d'effectuer la simple snRe des valeurs Ri pour obtenir aisément la valeur de la déviation D. En effet, si l'on suppose à titre d'exemple que chaque élément a une longueur égale- a 1 et que la longueur du forage est L , nl, la somme R 2 R1 + R2 + ... Ri + ... + Rn est égale à K (a1 + 2a2 + ... + iai + ... + nan) + r1 + .. + ri + .. + rn, D c'est-à-dirc encore à : K l + r1 + ... + rn puisque D = l(a1 + 2a2 + ... + D En posant Cn 2 r1 + r2 + ... + rn, on en déduit : R = K - + On d'où D= 1 (R - Cn). Un autre objet de l'invention est un appareil de mesure directe de la déviation, caractérisé en ce que toutes les résistances Ri sont mises en série et que l'appareil de mesure de la valeur de la résistance totale ainsi obtenue est gradué en longueur de déviations D. En plus de ltavantage résultant de la lecture directe de la mesure de la déviation D, on remarquera que les résistances Ri étant connectées en série, l'appareil ne possède dans sa totalité que deux fils alors que dans le cas des appareils antérieurs il était nécessaire de prévoir au moins un fil de transmission par élément, soit au moins n + 1 fils afin de transmettre à ltopéra- teur les n mesures d'angle données par la chatne. D'autres avantages et caractéristiques de l'appareil ainsi défini ressortiront de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de la pressente invention. Sur le dessin La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un forage illustrant le principe de la mesure de la déviation dans une direction donnée, la figure 2 un diagraHoe Montrant la projection de la déviation sur deux axes, et la figure 3 une représentation schématique et partiellement en coupe de 11 appareil objet de l'invention. On a représenté par OZ la direction théorique du forage 1, par OY un axe perpendiculaire à OZ dans le plan de la figure et par OX un axe perpendiculaire à YOZ. Le point O a été choisi à l'origine et sur l'axe du forage, l'élément En+i représenté en 2 et délimité par les points O et A définissant la direction du forage. A cet effet, ltélément En+l est un élément spécial toujours utilisé dans cette position OA, quel que soit le nombre n d'éléments nécessaires et utilisés pour atteindre la profondeur désirée. Cet élément 2 peut etre équipé de tous moyens connus : nivelle, boussole, miroir et platines d'appui pour l'utilisation de tous appareils topographiques. Ces moyens connus ne faisant pas partie de l'invention n'ont pas été représentés. Les éléments e1, e2 ... en-l, en articulés en B1, B2 ... Bn-i et O pour pivoter autour d'axes parallèles à OX définissent entre eux les angles a1, a2, ... an-i, an, chaque angle ai étant compté positivement ou négativement selon la position du prolongement de l'élément ei+1 par rapport aux directions de OZ et de ei. En raison de la longueur du forage et des petits angles de déviation, on peut admettre que la coordonnée Z du point M est égale à nl, n étant le nombre d'éléments de la chatne à partir de O et 1 la longueur de chacun d'eux. En disposant la chatne des éléments ei pour que leurs axes soient parallèles à OY, la coordonnée X de l'extrémité M devient D'. On a représenté figure 2 un point H ayant pour abscisse la valeur D' et pour ordonnée la valeur D de la figure 1. La valeur de 0M sur le diagramme de la figure 2 donne une excellente approximation de l'écart réel entre la position M de l'extrémité de la chatne dans la ligne médiane du forage et sa position théorique sur l'axe OZ.On peut donc prendre pour valeur de l'écart L'anAle v, bien que ne pouvant être apprécié avec une aussi bonne approximation en raison des conditions variables dans lesquelles les orientations des articulations suivant OX ou OY peuvent entre assurées à toute profondeur intermédiaire, peut entre évalué approximativement par exeaple par son sinus La partie de la chatne 3 conforme à l'invention et représentée figure 3 est constituée par un élément ei se terminant sur la droite par une piece de raccordement 4 sur laquelle vient se coiffer l'extrémité avant 5 de l'élément identique suivant ei+t . La pièce de raccordement 4 est solidaire de la platine 6, l'ensemble étant articulé sur l'axe 7 solidaire d'un bottier cylindrique 8. La pièce 5 est retenue à la pièce 4 par une goupille 9. L'extrémité conique de la partie 5a pénétrant dans le bottier 8 et les logements 8a des goupilles 9 assurent un jeu suffisant pour que-l'élément e1+1 connecté par 5 à ltélément ei puisse prendre librement son orientation dans le forage par rapport à l'axe du bottier 8 de l'élément ei. Ainsi, les variations de l'angle ai de l'axe de la pièce 5 avec l'axe du bottier 8 sont celles de la position de la pièce 6 autour de l'axe 7. Ces variations sont amplifiées au moyen du bras 10 portant un secteur denté lOa s'engrenant sur le pignon Il. On règle la distance d entre ltaxe 7 et le secteur lOa à l'aide des linières 12 portées dans le bras 10 et des vis 13 fixant la position du bras sur la pièce 6. De ce fait, 1?amplification de la rotation de la pièce 6 peut ttre aisément réglée à la valeur désirée. Un ressort 14 disposé à l'extrémité du bottier C, entre le raccord 15 de l'élément ei à l'élément ei-l précédent et une butée 20 d'un ensemble 16 supportant le potentiomètre 17, assure le contact permanent entre les pignons 18 et 19 solidaires respectivement des potentiomètres 17 et du pignon 11.Selon un mode préféré de réalisation de l'appareil, les pignons 18 et 19 peuvent etre remplacés par des roues en contact par l'intermédiaire d'un bandage élastique. La résistance variable du potentiomètre 16 n'a pas été représentée pour plus de clarté du dessin d'une part et du fait que le potentiomètre peut entre tout instrument du commerce. Cette résistance Ri = K i ai + ri où r est une constante identique pour toutes les articulations, i le numéro d'ordre de l'élément ei, ai l'angle en radian de l'élément e1+1 avec ei et ri une constante du potentiomètre de l'élément ei, est insérée dans le circuit reliant la portion 21i d'un circuit unique contenant en série toutes les résistances à la douille 22i recevant la broche 23i+1 connectée à la portion de circuit 21i+l de l'élément ex+1* Par contre, la portion 26i du circuit unique est connectée directement à la douille 24i recevant la broche 25i+l connectée à la portion de circuit 26i+i. Les fils 211 et 261 de l'élément 1 non représenté sont connectés ensemble. Les douilles 22n et 24n de l'élément en non représenté sont connectées au circuit de l'appareil de mesure et à l'alimentation en courant. Afin de protéger les articulations, une gaine de caoutchouc 27 dont l'une des extrémités est encore enroulée en 27a vient recouvrir en position de fonctionnement la pièce de raccordement 5. Des épaulements 28 assurent la protection de la gaine 27. Ces épaulements 28 matérialisant un plus grand diamètre de 38 mm par exemple permettent l'introduction de tous les éléments dans les forages de diamètre supérieur à 40 mm. On assure plus de souplesse à la channe en prévoyant une seconde articulation dont llaxe est contenu dans le plan de la figure, donc sans dispositif de mesure associé, pour permettre le libre passage de l'appareil en dépit des sinuosités éventuelles du forage dans le plan perpendiculaire au plan de la figure. L'axe de cette seconde articulation est situé dans la zone de coupure 3C ; il peut aussi etre prévu suivant 31-32 sur la pièce 4 à condition d'avoir un guidage supplémentaire pour maintenir dans son plan la crémaillère lOa. Ce guidage pouvant ttre quelconque n'a pas été représenté pour la clarté du dessin. On peut réaliser aisément une chatne 3 ; > 25 éléments e de 1 mètre de longueur en utilisant seulement quatre modèles de potentiomètres et en faisant varier les rapports de multiplication suivant les diamètres respectifs des pignons 18, 19 et dans des proportions beaucoup plus grandes qu'il n'est permis par le seul rognage de la longueur d. Le débattement relatif des deux éléments adjacents à une articulation est limité par des butées de sécurité pour ne pas forcer les potentiomètres arrivés en bout de course. Afin d'éliminer les effets toujours possibles des variations des constantes ri avec le temps et par conséquent de la valeur D = 1/k (R-Cn) directement affichée sur l'appareil de mesure où Cn = rl + ... + ri + ... + rn, on peut, après chaque mesure R correspondant à D dans la direction OY, effectuer la mesure R correspondant à - D dans la direction opposée, en retournant simplement 11 appareil sur lui-mtme. On déduit donc des valeurs : D = K (R-Cn) et - D = t (R-Cn), la valeur D = 2 (R-R), ce qui permet à la fois d'éliminer l'influence de Cn et de doubler la précision. La valeur D' se mesure de la mue manière. Le cadran de l'appareil de mesure des résistances peut entre gradué une fois pour toutes en tenant compte du facteur 7K on peut me éviter d'avoir R R à faire la soustraction 2K - 2K en faisant cotncider le zéro d'un cadran mobile avec la première position de l'aiguille : on lira directement D sur le cadran, face à la deuxième position de l'aiguille. On notera qu'il n'est pas indispensable de n'utiliser que des éléments de longueur 1 fixe. Cette longueur pourrait Étre choisie plus grande dans les parties du forage réalisées en plus gros diamètre. Dans ce cas, la proportionalité au numéro d'ordre de l'élément doit être remplacée par la proportionalité à la distance comprise entre l'élément considéré et le point concerné par la mesure de D. En définitive, on réalise un appareil robuste par l'agencement du potentiomètre et de sa commande au sein du bottier de chaque élément, d'encombrement réduit et adapté à tous forages y compris ceux de très petits diamètres, fiable et de grande rapidité de mesure par le principe qu'il utilise et l'interprétation directe des résultats obtenus, enfin peu cortex par sa construction tout en étant encore économique en raison de la rapidité d'exéàùtion des mesures. REVENDICATIONS 10) Appareil de mesure de déviation formé d'une chatne d'éléments articulés autour taxes parallèles à une direction donnée perpendiculaire à la direction théorique du forage, caractérisé en ce que chaque élément i, dans lequel i est le numéro d'ordre de l'élément compté à partir de l'élément 1 situé le plus profondément, comporte une résistance variable Ri commandée par l'angle ai entre deux éléments et égale à la valeur K i ai + ri où K est une constante commune à toutes les résistances variables des divers éléments i à n constituant la totalité de la chatne, et où ri est une constante propre à l'élément de rang i. 20) Appareil de mesure tel que revendiqué en 1 dont l'ensemble des résistances variables Ri sont connectées en série dans un méme circuit relié en surface à un appareil de mesure fournissant une valeur proportionnelle à la somme des résistances Ri. 30) Appareil tel que revendiqué en 2 dont chaque élément ei+1 est raccordé à l'élément ei par une pièce de raccordement munie de deux contacts électriques s'adaptant sur deux contacts correspondants d'une pièce mobile autour d'un axe de l'élément ei, ladite pièce de raccordement coiffant au moins partiellement ladite pièce mobile de façon que cette pièce suive tout mouvement de rotation de l'élément ei+1 autour dudit axe. 4.) Appareil tel que revendiqué en 3 dont le raccordement entre les éléments ei et ei+1 comporte en outre une goupille perpendiculaire à l'axe d'articulation entre ces deux éléments, l'élément ei comprenant un bottier circulaire coiffant la pièce de raccordement de l'élément ex+1, l'extrémité conique de cette dernière d'une part et des logements prévus dans ledit boftier pour permettre le déplacement latéral de ladite goupille d'autre part permettant le libre débattement de la pièce de raccordement dans un plan perpendiculaire à l'axe d'articulation. 5.) Appareil tel que revendiqué en 4 dont ladite pièce de raccordement est coiffée par une enveloppe élastique. 66) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 3 à 5 dont la pièce mobile porte une partie dentée commandant un pignon réglant la valeur de la résistance variable Rie 7-) Appareil tel que revendiqué en 6 dont la valeur dc l'angle de rotation de la pièce mobile est amplifiée par un bras possèdant un secteur denté s'engrenant sur le pignon d'un assemblage multiplicateur entraînant un potentiomètre, ledit bras étant fixé sur la pièce mobile à l'aide de lumières et de vis en vue de régler sa longueur pour l'obtention de la résistance Ri. s.) Appareil tel que revendiqué en 7 dont le pignon engrenant avec ledit secteur entratne une roue, munie d'un bandage élastique actionnant la roue de coande dudit potentiomètre, l'ensemble pignon potentiomètre étant monté sur une platine sollicitée par un ressort pour supprimer le jeu entre secteur et pignon. 90) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications I à 8 dont chaque élément ei possède un épaulement dont le diamètre est supérieur au bottier cylindrique contenant appareil de mesure de l'angle formé par les éléments ei+l et ei, représenté par la valeur prise par la résistance Ri, lesdits épaulements protégeant l'articulation de chaque élément. lO) Appareil tel que revendiqué en 9 dont chaque élément possédé deux articulations dont les axes sont parallèles et perpendiculaires à la direction longitudinale, ces axes étant en outre perpendiculaires à l'axe d'articulation utilisé pour la mesure de la déviation.