Brevet FR2201468A1 — publié le 19740426

La présente invention concerne d'une manière générale des accéléromètres et, plus particulièrement, un accéléromètre angulaire perfectionné qui utilise un conduit annulaire empli de fluide et des transducteurs piezoélectriques soumis aux pressions de fluide engendrées dans le conduit. En outre, l'invention vise la combinaison d'un tel accéléromètre angulaire et d'un outil de forage sur lequel il est monté ou auprès duquel il se trouve. Les accéléromètres angulaires ayant des conduits circulaires parcourus par du fluide sont bien connus quant à leur structure. Néanmoins, les dispositions utilisées jusqu'ici font toutes appel à divers types de sondes qui toutes ont une sensibilité limitée. En outre, certains dispositifs utilisent des fluides conducteurs d'électricité et font appel à ces propriétés du fluide pour en mesurer le débit aux fins de déterminer des accélérations. Ces diverses structures ont également d'autres inconvénients, par exemple certaines dispositions ont des éléments qui sont mobiles mécaniquement et qui résistent donc mal aux conditions opératoires et aux manipulations brutales, d'autres manquent de sensibilité, d'autres présentent ces deux inconvénients. L'invention vise un accéléromètre angulaire qui comprend en combinaison un conduit annulaire empli d'un fluide diélectrique dense. I1 comprend également au moins un obstacle dans ce conduit qui délimite au moins deux extrémités de celui-ci, ainsi que deux transducteurs piezoélectriques, chacun adjacent à l'une des extrémités du conduit. I1 comprend également des moyens pour monter ces transducteurs de manière qu'ils soient soumis aux variations de pression du fluide. L'invention vise un accéléromètre angulaire pour mesurer l'excentricité d'un élément tournant autour d'un axe de rotation. Cet accéléromètre comprend un conduit annulaire ayant un axe et empli d'un fluide diélectrique dense, et des moyens pour monter ce conduit de manière que son axe coïncide avec celui de l'axe de rotation. I1 comprend également au moins deux obstacles diamétralement opposés dans le conduit définissant chacun deux extrémités pour le conduit, et deux transducteurs piezoélectriques adjacents à chacun des obstacles. Enfin, il comprend des moyens pour monter ces transducteurs de manière qu'ils soient soumis aux variations de pression du fluide. L'invention vise également la combinaison d'un accéléromètre suivant l'invention avec un outil pour le forage des puits de pétrole. I1 est prévu une bague autour de l'outil, l'accéléromètre angulaire étant monté de manière que son axe de rotation coïncide avec l'axe longitudinal de l'outil. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple: La figure 1 est une vue en perspective d'un accéléromètre suivant l'invention. La figure 2 est un schéma illustrant une variante de l'accéléromètre destiné à indiquer des excentricités. La figure 3 est un autre schéma, semblable à celui de la figure 2, mais modifié de manière à obtenir des signaux supplémentaires pour la mesure des excentricités. La figure 4 est un schéma de circuit illustrant comment on peut traiter des signaux sortant d'un accéléromètre suivant la figure 3; et La figure 5 est une vue schématique en élévation partiellement coupée, illustrant la combinaison d'un outil de forage pour sondage et d'un accéléromètre. La figure 1 illustre un accéléromètre qui a été conçu de manière à ce qu'on puisse en déterminer les caractéristiques de fonctionnement. I1 comprend un châssis 11 ayant une échelle 12 arquée fixée sur l'un de ses côtés par une patte 13. Le corps de l'accéléromètre lui même comprend deux anneaux supérieur et inférieur 16 et 17 plats. Ces anneaux sont portés par un disque ls solidaire d'un moyeu 19 central. Des ressorts 22 et 23 verticaux de torsion fixés au centre du moyeu 19 et au centre du disque 18 supportent l'ensemble. Ces ressorts s'étendent verticalement vers le haut et vers le bas en direction de moyeux 26 et 27 supérieur et inférieur respectivement. Ceux-ci sont montés sur le chassis 11 au milieu d'un flanc 28 supérieur et d'un flanc 29 inférieur respectivement. Les ressorts 22 et 23 de torsion peuvent avoir toute forme convenable. C'est ainsi par exemple qu'ils peuvent être constitués par un ruban unique plat en métal doué d'élasticité ou en un autre matériau élastique qui lui confèreront les propriétés requises de torsion. Ce peut eAtre bien entendu un ruban unique qui traverse le moyeu 19. Ces ressorts sont fixés au moyeu 19 par tout moyen convenable (non représenté), de manière à supporter le corps de l'accéléromdtre. Entre les anneaux 16 et 17 se trouve un conduit 32 empli d'un fluide diélectrique dense par exemple une huile ayant des caractéristiques d'écoulement convenables. Le conduit a une section droite rectangulaire. I1 est délimité par deux entretoises 33 et 34 annulaires. Celles-ci sont disposées entre les anneaux 16 et 17 et s'étendent radialement sur une distance qui représente environ le tiers de la largeur radiale de ceux-ci. L'entretoise interne 33 est au niveau des rayons intérieurs des anneaux 16 et 17. De même, l'entretoise 34 s'étend de sorte que son rayon maximum se trouve au niveau des parois radiales extérieures des anneaux 16 et 17. Ces entretoises 33 et 34 sont montées de manière à former avec les anneaux 16 et 17 le conduit 32 étanche au fluide. On notera cependant que celui-ci ne s'étend pas tout autour de l'accéléromètre. Une pièce 37 solide forme un obstacle dans le conduit 32. Elle s'adapte et remplit complètement le conduit de manière à délimiter dans celui-ci deux extrémités. A ces deux extrémités se trouvent respectivement deux transducteurs 38 et 39. Ceux-ci sont noyés dans l'anneau 16, leurs faces inférieures (comme représenté à la figure 1) étant en contact directe avec le fluide du conduit 32 .En conséquence, la pression créée par le fluide dans le conduit 32 est ppliquée directement à une face de chacun des transducteurs 38 et 39 en permanence. Ceux-ci peuvent avoir toute configuration convenable. I1 sont de préférence cylindriques et ont un diamètre égal à la largeur radiale du conduit 32. De la sorte, la pression de fluide dans le conduit 32 s'applique sur toute la face inférieure (tel que représenté à la figure 1) des deux transducteurs 38 et 39. La face supérieure de ceux-ci est en contact direct avec l'anneau 16 supérieur et est donc comprimée par celui-ci. En conséquence, les pressions de fluide du conduit 32 compriment verticalement les transducteurs 38 et 39. Ceux-ci peuvent être en matériau piézorésistant et reliés à un circuit électrique approprié. I1 va de soi que des transducteurs piézoélectriques engendrent des forces électromotrices faibles tandis que l'utilisation d'éléments piézorésistants nécessiterait soit une excitation à courant constant soit une excitation à tension constante. Néanmoins, dans le mode de réalisation représenté, les transducteurs sont des éléments piézoélectriques. Une électrode convenable est prévue pour chaque transducteur, comme représenté schématiquement au sommet du transducteur 38 de la figure 1. Ces électrodes servent à envoyer les signaux, sous forme de potentiel électrique, des transducteurs à des circuits amplificateurs convenables (non représentés) en passant par des conducteurs isolés convenables, tels qu'indiqués par le fil tressé 42. Une aiguille 43 se trouve sur l'anneau 16 supérieur de l'accéléromètre. Sa pointe est tournée vers l'échelle 12 de manière à indiquer la rotation du corps de l'accéléromètre par rapport à son châssis 11. I1 va de soi que l'accéléromètre représenté est un instrument de laboratoire et que les indications qu il permet d'obtenir seront généralement sous forme sinusordale. Ces signaux indiquent l'amplitude de l'accélération qui a lieu lorsque le corps de l'accéléromètre se balance d'avant en arrière et d'arrière en avant à partir de sa position neutre sous l'influence des ressorts 22 et 23 de torsion. On a trouvé qu'un accéléromètre suivant l'invention indique les forces d'accélération avec une sensibilité remarquablement élevée. L'accéléromètre angulaire suivant l'invention peut notamnent indiquer les excentricités de rotation. Pour obtenir un tel résultat, on monte l'accélérateur de manière que son axe coïncide avec l'axe de rotation du corps dont on veut mesurer l'excentricité de rotation. En se référant à la figure 2, un acceléromètre 50, fabriqué suivant les mêmes principes que celui de la figure 1, est représenté schématiquement. I1 comporte un obstaclè supplémentaire dans le conduit de fluide. Les deux obstacles sont disposés en des points diamétralement opposés comme indiqué. C'est ainsi que deux transducteurs 51 et 52 piézoélectriques (illustré schéma tiquement sous la forme de rectangles avec des barres espacées horizontales proches les unes des autres) sont séparés l'un de l'autre par un obstacle 55. Diamétralement opposés à ces deux transducteurs et à cet obstacle, se trouvent deux autres transducteurs 58 et 59 séparés l'un de l'autre par un obstacle 60. On comprend que cet instrument peut mesurer les excentricités de rotation en raison des masses de liquide disposées périphériquement et de la symétrie des transducteurs multiples. Cest ainsi que, meme si la vitesse de rotation est constante, on obtient des signaux des deux couples de transducteurs s'il existe une excentricité de rotation. En outre, en disposant les deux couples de transducteurs en des positions diamétralement opposées l'une à l'autre, on forme un axe de symétrie et les indications peuvent être reliées aux composantes de l'excentricité par rapport au centre ou à l'axe géométrique. On voit à la figure 2 le déplacement du centre en rotation du point 63 qui est l'axe géométrique en un point 64 qui est un centre instantané de rotation.Ce déplacement est indiqué par la flèche qui représente ltexcentricité de la rotation à un moment donné. La figure 3 est un schéma quel-que peu semblable à celui de la figure 2. Cependant, il illustre l'accéléromètre qui est particulièrement conçu pour fournir des indications d'excentricité. Le conduit de fluide est divisé en quatre sections égales, des couples de transducteurs étant disposés aux extrémités du conduit au voisinage d'obstacle diamétralement opposés. Ces paires d'obstacles opposées sont orientées à angle droit l'un par rapport à 1 'autre et les emplacements des obstacles sont indiqués par les lettres E1, E2, E3 et E4. Cette disposition est à peu près la même, dans son principe, que celle de la figure 2, les références communies aux deux figures ayant été affectées d' indices primes dans la figure 3. I1 va de soi qu'on peut obtenir la même relation en quadrature en montant deux accéléromètres tels que celui de la figure 2 de manière que leur axe géométrique coïncide alors que les conduits de fluide sont parallèles et que les obstacles sont disposés à angle droit. I1 va de soi que l'on peut prévoir un passage rétréci (non représenté) à travers l'obstacle. Ceci permet un suintement lent du fluide d'un cOté de l'obstacle à l'autre de manière à obtenir une égalisation de la pression à long terme. La dimension de ce passage sera telle qu'elle ne nuiera pas à la sensibilité ou la vitesse de réponse de l'accéléromètre. A la figure 4 est représenté un schéma bloc du circuit électrique de traitement des signaux issus d'un dispositif tel que celui illustré àla figure 3. Quatre amplificateurs 67, 68, 69 et 70 reçoivent des signaux des couples de transducteurs qui sont reliés respectivement à chaque emplacement des obstacles E1, E2, E3 et E4. De la sorte > les signaux issus de couples de transducteurs diamétralement opposés aux emplacements E1 et E3 des obstacles peuvent être soustraits pour former une différence par un circuit 73 soustractif. Ensuite, ce signal est élevé au carré par un circuit 74 convenable,dont la sortie est reliée à l'entrée d'un circuit 75 additionneur. De même, les signaux provenant des emplacements E2 et E4 des couples de transducteurs (qui sont également diametralement opposés l'un par rapport à l'autre mais sont orientés à angle droit par rapport aux autres emplacements) sont soustraits dans un circuit 78 et élevés au carré par un circuit 79,puis envoyés à une autre entrée du circuit 75 additionneur. Un circuit 80 reçoit le signalde sortie du circuit 75 et forme la racine carrée de la somme. Le signal de sortie du circuit 80 est envoyé dans un amplificateur 81 avant d'aller dans un enregistreur des signaux d'excentricité. I1 va de soi que les différences nettes entre les signaux de paires d'éléments opposées seront proportionnels aux composantes normales respectives de l'excentricité.En conséquence, la racine carrée de la somme des carrés des différences des signaux sera proportionnelle à l'excentricité totale instantannée du centre de rotation. Le dispositif suivant les figures 3 et 4 fournit également une mesure des signaux d'accélération angulaire. Ceci peut être obtenu en même temps que l'on mesure l'excentricité en connectant la sortie de tous les amplificateurs 67 à 70 à quatre entrées d'un circuit 84 additionneur. La sortie de celui-ci est reliée à un amplificateur 85 ou les signaux sont amplifiés avant d'aller à un enregisteur qui enregistre en permanence les accélérations. La figure 5 illustre une application de 1 'accé- léromètre suivant l'invention à un outil 90 de forage d'un sondage, qui est illustré schématiquement par les lignes représentées en tiretés . L'outil est porté par une bague 91 à laquelle est fixée une cuurte partie d'un conduit 92 qui se visse dans la bague 91 comme indiqué schématiquement. L'autre extrémité du conduit 92 comporte également un joint 95 fileté. Ce joint est destiné à fixer l'ensemble à l'extrémité inférieure d'une tige mattresse (non représentée). A l'intérieur de la partie 92 se trouve un revêtement 96 en matériau souple qui forme les parois d'un passage 97 interne qui relie le passage central de la tige maitresse à la bague 91 et à outil 90 du forage. Ceci permet le passage de la boue de forage ou d'autres fluides qui sont utilisées pendant les opérations de forage. Au voisinage de l'extrémité inférieure (telle que représentée à la figure 5) du tronçon 92 du conduit se trouve un accéléromètre 99 qui est indiqué schématiquement à la figure 5. I1 affecte la forme d'un accéléromètre suivant l'invention. De préférence il comprend les éléments dont on a besoin pour déterminer à la fois l'excentricité et l'accélération pendant la rotation de l'opération de forage. Sous l'accéléromètre 99, tel que représenté à la figure 5, se trouve une bague 100 de support. De même, juste au-dessus de l'accélérateur, tel que représenté à la figure 5, se trouve une autre bague 101 de support. Ces bagues servent à maintenir l'accéléromètre 99 dans le tronçon 92 du conduit. Au voisinage de l'autre extrémité du tronçon 92 du conduit se trouve une autre bague 102 qui supporte l'extrémité supérieure du revêtement 96 èt forme un joint pour bien empêcher que les fluides ne pénètrent dans un espace annulaire 105 qui est disposé entre les anneaux 102 et 101. Dans cet espace 105 se trouvent les éléments (non représentés) pour trriter les signaux électriques. Ces éléments comprennent un enregistreur ou des enrejstreurs qui enregistrent en permanence l'accélération et l'excentricité. On observera que l'ensemble forme un instrument ramassé et robuste)mais cependant sensiblequi peut enregistrer les forces d'accélération et en même temps l'excentricité qui se produit au cours des opérations de forage. On peut analyser mathématiquement le fonctionnement d'un accéléromètre suivant 1'invention, tant pour ce qui concerne lesnesures d'accélération angulaires que pour ce qui concerne les mesures d'excentricité de la manière suivante L'amplitude et la polarité deschargessuperfi c4ellesinduitespar piézoélectricité sont proportionnelles à l'amplitude et à la direction de la force appliquée.La charge Q est donnée par Q = dF dans laquelle d est la constante piézoélectrique et F est la force appliquée. Pour un élément de surface "A" et d'épaisseur "t" d'un matériau dont le module de Young est "Y", la force peut être exprimée par l'équation AY (# t) F = t dans laquelle ss t est la modification d'épaisseur. I1 en résulte que la charge Q devient AY (E t'- Q=d t et comme la tension "E" résultant de la charge des électrodes "Q" est donnée par E = Q/C dans laquelle "C" est la capacité des électrodes et est égale à e A/t (dans laquelle "e" est la constante diélectrique, la force électromotrice "E" est:Qt dY (E t) E = - ou E = eA e en remplaçant par la valeur du moduledNoung "Y", la tension devient dt E = F eA et en introduisant la pression, celle-ci étant égale à p = F/A on obtient : dt E=- p e En définissant le rapport "d/e" comme le coefficient de tension "g", on obtient E = gtp (1) Ainsi, la tension apparaissant de part et d'autre des faces d'un élément Rézoélectrique est égale au produit du coefficient de tension piézoélectrique de la matière formant l'élémentpar l'épaisseur séparant les deux faces etpar la pression appliquée. E'accélération tangentielle locale et instantannée "d t" au rayon moyen du tore (ou d'un conduit circulaire) est donnée par at = &alpha; r dans laquelle "&alpha; " est l'accélération angulaire instantannée et r le rayon moyen du centre instantanné du tore. Comme la force appliquée par la "colonne" liquide dans le tore catrela face de l' > lément piézoélectrique est F = a t = #V ( r t) dans laquelle # est la masse volumique du liquide et V est le volume du liquide, la pression p est donnée par p = K, r (2) K étant une constante reflétant la masse volumique du liquide et les dimensions du dispositif. La dernière équation (2) ci-dessus montre que la pression unitaire instantannée sur la face de l'élément piézoélectrique est proportionnelle au produit du rayon autour du centre instantanné de rotation par l'accélération angulaire. L'équation (1) ci-dessus donne la force électromotrice induite sous la forme E = gtp. Pour des élements piézoélectriques ayant des coefficients C desépaisseurs donnés , le produit "gt" peut être remplacé par la constante K2. Il vient donc E = K2 p (3) L'équation t2) ci-dessus donne la pression sous la forme p - K, r En combinant ces deux dernières équations (2) et (3), il vient E K, K > K2 r (4) L'équation (4) montre que pour une géométrie donnée et pour des éléments piézoélectriques donnés de caractéristiques données, le signal de force électromotrice induite dépend uniquement du produit du rayon instantané et de l'accélération angulaire. C'est sur ce fait que repose le fonctionnement de l'accéléromètre angulaire et du détecteur d'excentricité suivant l'invention. REVENDICATIONS 1. Un accéléromètre angulaire, caractérisé en ce qutil comprend un conduit annulaire empli d'un fluide diélectrique dense, au moins un obstacle dans ce conduit délimitant au moins deux extrémités pour ce conduit, un couple de transducteurs par piézométrie pour chaque obstacle, chaque transducteur étant proche de l'une des extrémités du conduit, et des moyens pour monter ces transducteurs de manière qu'ils soient soumis aux variations cè pression du fluide. 2. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour amplifier et enregistrer les signaux provenant des transducteurs. 3. Accéléromètre suivant la revendication 1 ou 2, propre à mesurer les excentricités de rotation d'un élément tournant, ayant un axe de rotation, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour monter le conduit de manière que son axe coïncide avec l'axe longitudinal de symétrie de l'élément tournant, au moins deux obstacles diamétralement opposés dans le conduit, une paire de transducteurs piézométriques au voisinage de chacun de ces obstacles, et des moyens pour monter ces transducteurs de manière qu'ils soient soumis aux variations de pression du fluide en raison des forces d'accélération. 4. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide diélectrique est une huile. 5. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide diélectrique est disposé sous la forme d'un tore. 6. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend quatre obstacles diamétralement opposés à angle droit l'un par rapport à l'autre. 7. Accéléromètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit électrique pnur amplifier et combiner les signaux de sortie des transducteurs. 8. Accéléromètre suivant la revendication 7, caractériséen ce que le circuit électrique comprend des moyens pour soustraire les signaux de sortie des couples diamétralement opposés des transducteurs, des moyens pour élever au carré les signaux soustractifs obtenus, des moyens pour additionner les signaux élevés au carré obtenus, des moyens pour extraire la racine carrée des signaux additionnés, et des moyens pour amplifier les signaux de racine carrée obtenus. 9. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les transducteurs sont des transducteurs piézoélectriques. 10. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les transducteurs sont des transducteurs piézorésistants. 11. Accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'obstacle ou chaque obstacle a un passage rétréci d'une dimension telle qu'il permet aux liquides de traverser l'obstacle par suintement mais ne nuit pas à la sensibilité ou à la vitesse de réponse. 12. Un outil de forage comprenant une bague entourant cette outil, caractérisé en ce qu'il comprend un accéléromètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11 et ayant un axe de rotation, ainsi que des moyens pour monter cet accéléromètre de manière que son axe de rotation coïncide avec l'axe longitudinal de l'outil. 13. Outil suivant la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de montage sont d'une seule pièce avec la bague. 14. Outil suivant la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre annulaire dans la bague pour loger l'accéléromètre et ses accessoires, et un passage axial traversant la bague pour permettre le passage du fluide de forage.