Brevet FR2207240A1 — publié le 19740614

L'invention concerne un procédé et un dispositif ds ddtermination du tracé dans l'espace d'un trou de sonde, en particulier do puits d'extraction de produits du sous-sol. L'invention se rapporte par exemple à la d sgraphie pour recherche géologique ou le percement de tunnels. L'invention concerne de préférence la détermi- nation du tracé dans l'espace de trous de sonde forés pour ltextrac- tion du pétrole et du gaz naturel. Il est intéressant de connaître très exacternent le tracé géométrique du trou de sonde dans tous les forages. Cette connaissance représente un préalable pour amener un forage à 1' empla- cernent voulu, par exemple dans un gisement producteur. Nais il faut aussi pouvoir affecter les carottes ramenées d'une profondeur déterminée à la surface b un lieu géographique déterminé pour étudier le profil géologique de la région de forage. Cette affectation n'est possible que par l'indication très exacte du lieu de chaque emplacement du trou de scinde. Les méthodes connues permettant de déterminer le tracé approximåtif d'un trou de sonde sont par approximations successives. D'après les procédés connus, des sondes de diagraphie équipées d'un compas et d'un fil à plomb et fixées d un cable sont introduites dans le trou de sonde. Deux angles, celui de l'azimut par rapport au nord (G ) et celui de la pente par rapport à la verticale () déterminent la position dans ltespace que la sonde occupe à chaque instant.D'après les procédés connus, le cÂble transmet et inscrit en continu les mesure effectuées continuement ,de ces angles sur une bande d'enregistrement qui avance en synchronisme avec le tronçon de cable descendu. Ia position de la sonde dans l'espace coïncidant avec le tracé du trou de sonde, il est possible d'enregistrer de cette manière en continu la pente et l'azimut du tracé du trou de sonde en fonction de la longueur correspondante du cÂble. Le trace lui-même du trou de sonde est calculé pas à pas d'après une méthode par approximations successives en fonce tion de la pente, de l'azimut et de la profondeur du trou. Cette profondeur correspond à la longueur du ctble. Le procédé par approximations successives est d'autant plus exact que la distance des pas corrbspondant aux points auxquels les calculs sont effectués est faible. Selon un autre procédé de diagraphie, qui consiste à faire descendre dans le forage une sonde fixée à un cÂble aboutissant à la surface, à maintenir en permanence l'aie de symétrie longitudinal de la sonde coaxial à celui du forage et à mesurer les angles d'inclinaison et d'azimut de cet axe de la sonde en fonction de la longueur descendue de câble, une tension induite dans une bobine entrat- née en rotation autour d'un aie dont l'orientation est fixe par rapport à la sonde, dans un champ magnétique formant un angle constant avec la vertlcale,donne une mesure qui est une fonction de angle d'inclinaison, une autre bobine entraînée en rotation à la meme vitesse que la premièresdans un champ magnétique dont une composante horizontale forme un angle constant avec une direction horizontale fize par rapport à la terre ,donne la mesure d'une fonction de l'angle d'azimut par le déphasage des tensions induites dans les bobines, la rotation d'un tambour sur lequel le câble est enroulé donne la mesure de la longueur descendue de ce dernier, les angles d'inclinaison et d'azimut et les coordonnées de lieu de la sonde sont calculées d'après les mesures obtenues en fonction de la longueur descendue du cÂble et les angles d'inclinaison et d'azimut ainsi que les coordonnées de lieu de la sonde sont enregistrées en fonction de la longueur descendue du câble. L'inconvénient de ces procédés connus est que les mesures de détermination des coordonnées ne sont pas sous forme de sin 0 et de cos 4 et, pour cette simple raison, les calculs sont compliqués et difficiles et il en résulte des inexactitudes. Par ailleurs, l'appareillage est relativement important. L'invention a pour objet un procédé de détermination du tracé dans l'espace de trous de sonde, en particulier de forages destinés à l'extraction de produits du sous-sol, ce procédé permettant une détermination exacte de ce tracé. Selon une particularité essentielle du procédé du type décrit selon l'invention, le sinus de l'angle d'inclinaison PI et le cosinus de l'angle d'azimut 4 du forage sont mesurés en continu, les valeurs ainsi mesurées sont associées à une troisième grandeur dl mesurée en continu et représentant la mesure de la vitesse dt d'avance des deux appareils de mesure angulaire dans le trou de sonde et une calculatrice détermine les coordonnées des mesures. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, les valeurs mesurées en continu de sin #, cos # et dl sont dt traitées en continu. En variante, les valeurs mesurées en conti- nu de sin #, cos # et dl sont traitées en discontinu. dt Selon une particularité essentielle du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, un appareillage de mesure détecte les paramètres correspondant aux coordonnées dans l'espace et une calculatrice située en surface dépouille les données correspondant à cesparametres L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est un schéma d'un appareil de mesure du sinus de l'angle d'inclinaison 8 la figure 2 est un schéma d'un appareil de mesure du cosinus de l'angle d'azimut #;; la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un appareil de mesure de l'angle d'azimut G la figure 4 est un schéma synoptique des relais de la calculatrice, les grandeurs d'entrée dans cette dernière étant la vitesse d'avance dl , le sinus de l'angle dtinclinaison et l'andt gle d'azimut 4 la figure 5 est un schéma synoptique des relais de la calculatrice dont les grandeurs d'entrée sont la vitesse d'avance dt y le sinus de l'angle d'inclinaison # et le cosinus de l'angle d'azimut 4 la figure 6 est un schéma synoptique d'une variante des relais de la figure 5 ; et les figures 7 et 8 sont des schémas de groupes associés de relais permettant de calculer cos # et sin # dans le cas oi les appareils de mesure que la sonde contient ne mesurent d'une part que l'angle azimut Q et d'autre part que l'angle d'incli- naison . La figure 1 représente un appareil la de mesure qui donne les valeurs de sin #. L'appareil la comporte une bobine 1 de potentiomètre et un fil à plomb 2 à prise 3 de contact La bobine 1 peut osciller librement autour de l'axe 5 de symétrie de l'appareil. Les spires de la bobine 1 sont parallèles à l'axe 5. Le poids propre de la bobine la place en permanence verticalement. Le point 4 de suspension du fil à plomb 2 est solidaire de la bobine 1 sur l'axe 5 de symétrie et la pointc de ce fil à plomb prélève le potentiel sur cette bobine. Le potentiel est nul dans l'aie 5 de symétrie et monte de là à un maximum positif + UN L'appareil la délivre donc toujours des tensions selon la relation E sin # = + UM . sin # La figure 2 représente un appareil 16 de mesure qui donne le cosinus de l'angle momentané d'azimut 4. Un dispositif tel que décrit plus haut maintient la bobine 6 de potentiomètre en permanence dans le plan horizontal. La pointe 7, orientée vers Xe nord, de l'aiguille aimantée prélève le potentiel par rapport au point 1 de mesure. Le potentiel du point 1 de mesure est nul. Le potentiel du point 2 de mesure a la valeur maximale négative -U. Le potentiel du point 3 de mesure a la valeur positive maximale +UN.Ainsi, la tension prélevée sur le potentiomètre est toujours directement proportionnelle à cos 4. E = U . cos Q cos Q M La calculatrice qui sera décrite plus bas devant transformer les mesures de cosinus en valeurs de sinus sur la plage totale de O à 3600, deux commutateurs SI et SII sont prévus. Lorsque la prise de 1 'aiguille aimantée passe devant l'un des interrupteurs SI ou SII, la valeur devant être établie par la calculatrice 20 (figure 4) change de signe. Lorsque la pointe nord 7 se trouve dans la plage com- prise entre O.et 1800, les deux interrupteurs SI et SII sont ouverts et lorsqu'elle se trouve dans la plage comprise entre 180 et 3600, les deux interrupteurs sont fermés. L'aareil lb1 de mesure représenté sur la figure 3 peimet de détecter l'angle a'azimut 4. Un arbre 9 est monté dans un palier 12 dans l'axe de symétrie de l'appareil 1b1. Cet arbre peut exécuter des révolutions totales autour de cet axe de symétrie. Un étrier fixe 10 relie l'arbre 9 à un axe 11, celer ci étant rotatif dans l'étrier 10 et solidarisé d'une bobine 13 de potentiomètre. Un poids 14 maintient en permanence la bobine 13 dans un plan horizontal. Urne aiguille aimantée 15 montée au centre de la bobine 13 prélève sur cette dernière, par sa pointe 16 tournée vers le nord, le potentiel électrique qu'elle transmet par des conducteurs non représentés aux organes récepteurs de l'appareil.La bobine 13 est réalisée de manière que le potentiel soit nul i Oc et qu'il augmente jusqu'a 1800 dans le sens inverse à celui des aiguilles d'une montre proportionnellement à l'angle d'azimut Az jusqu'à un maximum positif +E180o Le potentiel passe dans da plage négative à 1800. Le potentiel croit entre 1800 et 3600, proportionnellement à la différence angulaire (Az -180 ), de zéro au maximum négatif Eioeo En subdivisant la plage totale possible de l'angle d'azimut compris entre 00 et 3600 en les fractions comprises entre O et 1800 ainsi que 180 9 3600, les valeurs de cosinus détectées par la sonde de forage peuvent se calculer très exactement.Le calcul du cosinus d'après une formule d'approximation peut être encore plus exact lorsque la plage totale de l'angle d'azimut-est subdivisée en quatre parties égales. Le procédé décrit n'en subit cependant aucune modification de principe. D'après la figure 3, les mesures proportionnelles i l'angle d'azimut Q et destinées 9 subir le traitement ultérieur sont délivrées en continu par exemple sous forme d'une tension continue E#, selon les formules E# = + K# . # pour 0 # # E# = - K# . (# - 180) pour 180 # # Le facteur de proportionnalité K# dépend de la résistance de la bobine du potentiomètre en fonction de la longueur périphérique. Le groupe combiné 60 de relais représenté sur la figure 7 doit convertir les signaux EQ en signaux ayant la valeur cos 4. La figure 8 représente un groupe 70 de relais combiné de manière analogue. Ce groupe de relais permet de convertir par calcul une mesure ayant par exemple la forme d'une tension continue E et proportionnelle i l'angle d'inclinaison en le sinus PI correspondant. Le mon taSe des groupes de relais 60 et 70 selon les figures 7 et 8 permet d'utiliser aussi la calculatrice selon l'invention dans les dispositifs connus qui donnent des signaux proportionnels aux angles mesurés # et #. Sur les figures 7 et 8, les constantes ont les valeurs suivantes : K1 = 1/2 ; K2 = 1/6 ; = 1/15 ; K5 = 3/10 la référence kE désigne un relais multiplicateur et la référence SR désigne un relais de soustrçction. Un câble transmet les signaux électriques pro portionneis à sin 0 et cos Q à un récepteur se trouvant à l'extérieur du trou de sonde. Le câble est relire à un appareil de-mesure de sa vitesse d'avance et, pour le traitement en continu, cette vitesse est dl convertie en un signal électrique dt qui est envoyé avec les signaux électriques correspondant à sin 0 et cos Q à un circuit de calcul qui traite less signaux électriques en continu. Un galet entraîneur peut avantageusement mesurer la vitesse d'avance du cÂble. Les transducteurs sont avantageusement des instruments connus qui transforment les mesures en courants continus proportionnels analogiques. Toutefois, les sorties des transmetteurs peuvent aussi être numériques. Le circuit de calcul selon l'invention reçoit en continu les trois signaux électriques de mesure et les convertit par calcul en continu en coordonnées cartésiennes du lieu instantané de la sonde de diagraphie. L'origine adoptée du système de coordonnées cartésiennes peut être par exemple l'extrémité du forage située à la surface du sol et à partir de laquelle les axes positifs des trois coordonnées Tv, AN et Ag partent verticalement vers le bas, vers le nord et vers l'est. dl En désignant par dt la grandeur électrique de la vitesse mesurée d'avance du cable, par sin p la grandeur électrique de mesure du sinus de l'angle d'inclinaison de l'axe du trou de sonde par rapport à la verticale, par cos Q la grandeur électrique de mesure du cosinus de l'angle d'azimut de l'axe du trou de sonde et par t ie temps mesuré à partir du début de l'avance de la sonde 50 de diagraphie, les coordonnées cartésiennes du lieu auquel la sonde se trouve à chaque instant sont les fonctions suivantes des mesures Le circuit 30 de calcul (figure 5) convertit les signaux d'entrée sin et cos Q en signaux auxiliaires cos # et sin,Q au moyen de relais d'élévation au carré QR, de relais de soustraction SR et de relais d'extraction de la racine carrée RR. Le relais de commutation S2 et le relais inverseur NR ne donnent aux valeurs de sin Q un signe négatif que lorsque l'un des deux interrupteurs SI ou SII de la figure 2 est fermé. Ce cas se présente également lorsque la prise du pôle nord de l'aiguille aimantée a passé l'un des deux interrupteurs. Ensuite, des relais multiplicateurs NR tels que représentés sur la figure 5 produisent les signaux de mesure dTv, dAN et dAo que des intégrateurs I transforment en les grandeurs recherchées Tv, AN et Ag. Dans le traitement en discontinu, un organe entrat- neur relie le cible de transmission à un générateur qui envoie dea im- pulsions audit récepteur dans un certain rapport de proportionnalité à la longueur d'avance du câble. Les signaux électriques de mesure sin # et cos # qui arrivent en continu au récepteur passent pendant la durée des impulsions vers la calculatrice qui les transforme en les grandeurs électriques Tv, AN, et Ag. Les résultats sont formés d'après les fonctions suivantes Dans ces relations, n est le nombre d'impulsions et # T, la longueur enroulée ou déroulée de cible entre deux impul- sions. La longueur totale T de câble qui a avance à la fin de n impul- sions est donc Le circuit 40 de calcul (figure 6) est réalisé de la même manière que celui qui a été décrit en regard de la figure 5. La différence est cependant que les signaux d'entrée dt > sin 0 dl dt et cos Q , mais en tous cas le signal dt passent en discontinu vers la calculatrice pour y être traités. Par ailleurs, le signal d'entrée dt est constant et n'est présent que pendant la durée de dt l'impulsion, tandis que le reste du temps, ce signal est. nul.Ainsi, dl le signal dt r qui correspond à la longueur de cÂble nT, ne peut parvenir aux sorties dTV, dAN, dAo que pendant la durée de l'ira pulsion pour être traité.LeS intégrateurs I ne donnent des variations aux sorties Tv, AN et Ag que pendant la durée des impulsions. Pendant le reste du temps, les signaux de sortie dTV, dAN et dAo sont nuls et la sortie de l'intégrateur reste inchangée. Une imprimante numérique qui inscrit sous forme de tableau les résultats calculés Tv, AN et Ag est de préférence montée en aval des intégrateurs. Dans le traitement en discontinu, un relais S 3 de commutation (figure 6) peut permettre de faire l'économie de la chaSne de relais de calcul de cos p. Pendant la première moitié de la durée de l'impulsion, le relais q se trouve dans la position représentée. Il en résulte le calcul des signaux dAN et dAo ainsi que la modification des intégrateurs qui donnent les valeurs AN et Ag. Le signal dTV reste nul ; par ailleurs, la valeur TV donnée par l'intégrateur correspondant ne change pas. Pendant la seconde moitié le la durée de l'impulsion, le reluis S 3 se trouve dans l'autre position tandis que le relais S 2 conserve la sienne. Il en résulte le calcul du signal dTV et la modification de la valeur TV donnée par l'intégrateur correspondant. Les signaux dAN et dAo restent nuls et les sorties AN et Ag des intégrateurs correspondants restent inchangées. Le circuit 20 de la figure 4 comprend un relais de comparaison VR qui contrôle le signe de la grandeur délivrée de la manière représentée sur la figure 3. En cas de signe positif, les relais S 0, S 1 et S 2 sont dans la position représentée et, en cas de signe négatif, dans l'autre position. Les relais peuvent fonctionner avantageusement sous 4 à 20 mA pour l'émission des signaux électriques d'entrée et de sortie, par exemple en courant continu. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du tracé dans l'espace d'un trou de sonde, en particulier d'un forage destiné b l'extraction de produits du sous-sol, caractérisé en ce que le sinus de l'angle d'incfinaison ss ainsi que le cosinus de l'angle d'azimut Q du forage sont mesurés en continu, ces valeurs mesurées sont affectées d'une grandeur dt mesurée en continu et représentant la vitesse mesurée dt d'avance des deux appareils de mesure angulaire dans le trou de sonde et une calculatrice détermine les coordonnées des mesures. 2. Procédé selon la revendieRtion 1, caractérisé en ce que les valeurs de sin , cos Q et dl mesurées en continu dt sont traitées également en continu. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de sin 0, cos Q et dl mesurées en continu dt sont traitées en discontinu. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'origine adoptée des coordonnées est l'extrémité du forage dont partent l'axe TV dans la direction verticale, l'axe X dans la direction du nord et A0 dans une direction formant un angle droit avec la direction du nord dans un plan horizontal. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les coordonnées sont déterminées d'après les équations suivantes 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce que les coordonnées sont déterminées d'après les équations suivantes 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selves la revedication , caractérisé en ce qu'il comprend un appareillage de mesure destiné à la détection de paramètres correspondant aux coordonnées dans l'espace et une calculatrice disposée en surface dépoei1l les mesures. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ap.areillage de mesure comprend un appareil de détermination du cosinus de l'angle d'azimut Q et un appareil qui détecte directement le sinus de l'angle d'inclinaison # et un autre appareil détermine la vitesse d'avance de la sonde qui loge l'appareillage de mesure du dis- OL if, 9.Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'appareil de détermination directe du sinus do l'angle d'inclinaison g comprend une bobine de potentiomètre oscillant librement autour de son axe radial de symétrie qui comporte un point dc suspension d'un fil à plomb dont la pointe prélève le potentiel sur 1a bobine du potentiomètre) les spires de la bobine étant parallèles audit axe radial de symétrie. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérise en ce que l'appareil de détermination du cosinus de l'angle d'azimut Q comprend une bobine de potentiomètre maintenue dans un plan horizontal et dans laquelle une aiguille aimantée est disposée, cette dernière prélevant une tension négative ou positive dès qu'elle cesse autre parallèle aux spires de la bobine et deux interrupteurs décalés de 1800 déterminent le quadrant du cercle complet sur Ictiel l'aiguille aimantée est mobile. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que l'appareil de détermination de la vitesse d'avance du cible est un galet entraîneur. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'un circuit de calcul destiné à convertir les signaux d'entrée sin # et cos # en signaux auxiliaires cos 8 et sin Q comprend des relais d'élévation au carré, des relais de soustraction et des relais d'extraction de la racine carrée. 13. Dispositif selon l'une quelconque des reven dilations 7 à 12, caractérisé en ce que le circuit de calcul destiné à convertir les signaux d'entrée en les coordonnées TV , AN et Ag comprend par ailleurs des relais multiplicateurs, des relais de commutation, des relais comparateurs, des intégrateurs et une source de courant constant. 14. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appareillage de mesure comprend un appareil de détermination de l'angle d'azimut Q et un appareil est destiné à déterminer le sinus de l'angle d'inclinaison . 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'appareil de détermination de l'angle d'azimut Q comprend un arbre rotatif dans l'axe de symétrie longitudinal de la sonde et relié à une extrémité à un étrier dans les extrémités libres duquel un axe est rotatif et solidarisé d'une bobine de potentiomètre dont un poids suspendu sous l'axe monté aux extrémités de l'étrier en fixe la position dans un plan horizontal et la pointe, tournée vers le nord, d'une aiguille aimantée montée au centre de la bobine du potentiomètre en prélève un potentiel électrique. 16. Dispositif selon l'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que la calculatrice comprend un groupe combiné de relais de conversion de l'angle mesuré d'azimut Q en le cos Q.