Brevet FR2377637A1 — publié le 19780811

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif fonctionnant par ultrasons, destinés à détecter le passage d'un objet à l'intérieur d'une canalisation. Elle trouve une application notamment dans les installations de forage et particu lièrement dans la détection du passage des "joints de tige" (en terminologie anglo-saxonne tool-joint) dans les tubes de forage. Pour détecter le passage d'un objet à l'intérieur d'une canalisation, plusieurs méthodes sont possibles. Une première consiste à mesurer la variation de flux magnétique engendrée dans une bobine d'induction disposée dans ladite canalisation. Cette méthode, basée sur l'existence des courants de Foucault, suppose que les objets dont on veut détecter le passage sont de nature magnétique. Elle est largement utilisée en atelier ou en laboratoire pour certaines applications comme le contrôle de tubes pour échan geurs de chaleur. Une autre méthode consiste à insérer des pastilles radioactives dans les objets dont on veut déterminer la présence et à détecter les variations de radioactivité en un point de la canalisation. Ces méthodes sont de mise en oeuvre délicate et nEces- sitent une alimentation en énergie importante. En outre, elles se prêtent mal aux installations de forage dans lesquelles la canalisation est-constituée par un tube vertical le plus souvent immergez et, par conséquent, rempli d'eau ou de boues. La présente invention remédie à ces inconvénients en ce qu'elle propose un procédé et un dispositif de mise en oeuvre très simple ne nécessitant qu'une faible énergie d'alimentation. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé p & r détecter le passage d'un objet ou la modification de la section d'un objet à l'intérieur d'une canalisation, qui est caractérisé en ce que - en au moins deux zones de ladite canalisation, on émet des impulsions ultra-sonores et on détecte en chaque zone les échos reçus, - on mesure, en chaque zone, l'intervalle de temps séparant les instants d'émission des impulsions des instants de réception des échos, - on détecte la diminution de l'intervalle correspondant à une zone, diminution qui traduit le passage d'un objet devant ladite zone. De préférence, on émet une impulsion ultrasonore en deux - la igure 6 représente le schéma synoptique des circuits électroniques de mesure, - la figure 7 représente le schéma de modes particuliers de réalisation des circuits. Dans la description qui -suit, on supposera pour simplifier que chaque couple émetteur-récepteur est constitué par un transducteur électro-acoustique unique. On sait, en effet, que la plupart ûe ces transducteurs qui sont basés sur des phénomènes piézo-électriques se comportent aussi bien en émetteur qu'en récepteur. La figure 1 représente schématiquement et en coupe longitudinale les moyens de l'invention, dans le cas où lton veut détecter lue passage de joints de tige dans un-tube de forage. Sur cette figure, la canalisation présente la forme d'un tube cylindrique 2 à l'intérieur duquel se déplace une tige 4 composée de tronçons assemblés au moyen de joints de tige 6. C'est le passage de ces joints de tige que l'on se propose de détecter. Selon l'invention, des transducteurs électro-acoustiques > 1 C2, C3 etc. sont disposés à l'intérieur du tube 2 et de préférence le long d'une même génératrice. Ces transducteurs sont commandés, à l'émission, par un-circuit 8 disposé par exemple à l'extérieur du tube. Les impulsions'ultrasonores sont émises à l'intérieur du tube qui èst, dans la plupart des cas rempli de liquide, ce qui facilite la propagation des ultrasons dans le tube. Les impulsions ultrasonores se réfléchissent soit sur la paroi intérieure du tube, soit sur l'objet dont on veut déterminer la présence et donnent naissance à autant d'échos qui sont détectés par les mêmes transducteurs C1 ou C2 ou C3 etc. fonctionnant en récepteur. Les signaux de réception délivrés par les transducteurs sont dirigés par des connexions 10 vers des appareils de traitement, qui comprennent notamment un circuit 12 de mesure des intervalles de temps 1 t t t3 etc. séparant les instants d'émission des 2 impulsions ultrasonores des instants de réception des échos pour les différents transducteurs. n circuit d'afficnage 14 permet d'affi cher les valeurs des intervalles mesurés. Le principe de fonctionnement d'untel appareil est le suivant. Lorsqu eLzun ~~;acle n'est présent à l'intérieur du tube 2, les impulsions ultrasonores émises par les transducteurs sont zones de la canalisation situées sur une même génératrice et on forme la différence entre les deux intervalles de temps mesurés pour ces deux zones ; l'absence d'objet se traduit alors par la nullité de ladite différence et le passage d'un objet devant l'une des zones se traduit par l'apparition d'une différence non nulle dont le signe indique devant quelle zone se situe l'objet. La présente invention a également pour objet un dispositif permettant de détecter le passage d'un objet dans une canalisation, qui met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini et qui comprend : - au moins deux couples émetteurs-récepteurs d'impulsions ultrasonores disposés à l'intérieur de la canalisation et, - associés a chaque couple émetteur-récepteur, des moyens électroniques de mesure de l'intervalle de temps séparant les instants d'émission des impulsions des instants de réception des échos et - des moyens pour détecter la diminution de l'un desdits intervalles. De préférence, on utilise deux couples émetteursrécepteurs disposés le long de la même génératrice de la canalisation et des moyens pour effectuer la différence entre les intervalles de temps mesurés pour chacun desdits couples et pour afficher le signe de ladite différence. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure I représente schématiquement et en coupe longitudinale les moyens de la présente invention dans le cas de la détection des joints de tige dans un tube de forage - la figure 2 représente schématiquement les différents cas particuliers obtenus lors du déplacement d'un joint de tige dans une canalisation munie de deux transducteurs - la figure 3 illustre une disposition appropriée de deux couples émetteurs-récepteurs tels qu'ils n'interfèrent pas entre eux - la figure 4 représente une autre disposition permettant d'améliorer la détection du passage d'un objet de dimensions connues - la figure 5 représente schématiquement l'allure du faisceau ultrasonore dans la section droite du tube réfléchies par les parois intérieures tu tube e et les intervalles de temps mesures sont les mêmes pour tous les transducteurs. Lorsqu'un objet se présente dans le tube, il franchit tout d'abord la zone balayée par les ondes ultrasonores émises par le premier transducteur C1. L'apparition de cet obstacle réduit le temps de transit des impulsions ultrasonores pour ce premier trarsdscteur. Les organes de détection 12 et d'affichage 14 indiquent alors une diminution du signal obtenu pour le premier transducteur sans modification pour les autres. Ce déséquilibre indique le passage d'un objet devant la zone C1. La progression de l'objet peut Être su vie par l'oser vation de la modification des résultats de mesure, ce qui permet donc, non seulement de détecter la présence de l'objet 4, mais encore d'en déterminer le sens de déplacement. Si l'objet dont on veut détecter le passage est soutenu par une tige, ce qui est le cas illustré par la figure 1, ou l'objet en question est constitué par un joint de tige, le fonctionnement de l'appareil reste conforme à ce qui vient d'être exposé avec la légère modification suivante : lorsque ie joint de tige est hors des zones balayées par les impulsions ultrasonores, celles-ci se réfléchis-sent on seulement sur les parois intérieures du tube mais aussi sur la tige 6. On verra par la suite comment l'écho sur les parois intérieures du tube peut être supprimé pour que la mesure ne porte que sur les échos provenant de la tige et des Joints de tige. Le temps de transit des impulsions ultrasonores est donc encore le même pour tous les couples émetteurs-récepteurs. Lorsqu'un joint de tige passe devant un transducteur, il fait apparaître une diminution du temps de transit pour ledit transducteur et c'est enccre l'observation de cette diminution qui indique ce passage du joln t de tige. On conçoit donc que l'iniention permet de déterminer non seulement le passage des objets mais, plus généralement, la modification de la section d'un meme objet ou de plusieurs objets Juxtaposés. il faut donc donner au mot "objet" utilisé dans la définition de l'invention un sens large incluant non seulement les corps matériels ayant une structure et .:ne forme déterminées mais aussi les parties d'un corps dont la forme présente une particula rité par rapport aux autres parties. C'est le cas par exemple d'une excroissance qui peut Être détectée par la présente invention. Bien qu'il entre dans le cadre de l'invention l'ut lisetion d'un nombre quelconque de transducteurs, une variante avantageuse consiste à n'utiliser que deux transducteure placés sur une même génératrice du tube. C'est ce qui est représenté sur la figure 2. Dans cette variante, on forme la différence t t2 entre les intervalles de temps t et t qui séparant les i 2 2 instants d'émission des impulsions et de réception des échos pour chacun des transducteurs C1 et C2.Lorsque le joint de tige 4 est hors de la zone de contrôle, cette différence est nulle (c'est le cas de la figure 2e). Lorsque le joint de tige traverse la zone contrôlée par le transducteur C1 , le temps t1 diminue et la différence t1 t2 devient négative (figure 2b) . Le joint de tige progressant dans le tube vers le bas, cette différence devisent positive lorsque le joint de tige passe dans la zone contrôle par le transducteur C2 (figure 2c]. L'observation de la différence t1- t2 permet donc, d'une part, de détecter le passage d'un joint de tige et, d'autre part, de déterminer le sens du déplacement dudit joint. il est clair qu'on peut également, par cette méthode, déterminer le nombre de joints de tige ayant traversé la zone contre lés, par simple comptage du nombre de fois que la différence t1- t2 a subi un déséquilibre dans un sens puis dans 1 'autre. En pratique toutefois la différence t1-t2 peut ne pas passer de la valeur négative (par exemple - 13 à la valseur positive (par exemple + 1), ou inversement, lors du passage d'un joint de tige vers le bas ou vers le haut il existe fréquemment une position intermédiaire pour laquelle la détection du capteur supérieur est identique à celle du capteur inférieur, soit que las capteurs sont proches(comme on le verra à propos de la figure 3) auquel cas l'excroissance du joint est détectée simultanément par les capteurs, soit que les capteurs sont éloignés (comme on le verra à propos de la figure 4) et que le joint est proche de la génératrice C1 C2. Il est d.n avantageux de prévoir que le circuit ayant reç. n signal "- " ne revienne à zéro o'à la fin du signal "+1" suivant, et -inversement un signal "+" ne revienne à zéro qu'à la fin du signal "- ' suivant. Si l'on veut éviter une interférence entre les différents transducteurs électroacoustiques, on doit es écarter suffisamment les uns des autres, comme il est illustré schématiquement sur la figure 3. Cette figure représente le tube de forage en coupe longitudinale et deux transdueteurs C1 et C2 distants d'une longueur L1. Si l'on désigne par a le demi-angle d'ouverture du faisceau ultrasonore émis par chaque transducteur et par D le diamètre du tube, on doit disposer les deux transducteurs à une distance L1 au moins égale à 2 Dtga pour que les impulsions émises par l'un des transducteurs ne puissent atteindre, après réflexion, l'autre transducteur. Dans certaines applications, et notamment dans la détection des joints de tige, on connatt la longueur ~ et le diamètre d , de l'objet dont on veut détecter le passage. il est alors avantageux de choisir comme écartement des transducteurs C1 et C2 une longueur L2 de l'ordre de 2 (0 - d]tg a + 1 conformément à ce qui est illustré sur la figure 4. Dans ces conditions en effet, l'objet de longueur 1 et de diamètre d ne perturbe pas simultanément les deux faisceaux ultrasonores émis par les deux transducteurs mais successivement , ce qui améliore la détection de l'instant où la différence t t2 change de signe. Dans une variante de réalisation avantageuse, l'op6- ration de détection des échos n'est déclenchée qu'à l'intérieur d'une fenêtre de réception dont la durée dépend des caractéristiques du tube de forage et des dimensions des joints de tige. En effet, il se pourrait que, dans certains cas particuliers, des échos ultrasonores provenant d'une réflexion sur les parois intérieures du tube viennent perturber la mesure. Pour étier ce phénomène, on définit une fenêtre de réception dont la durée est inférieure au temps mis par les impulsions ultrasonores pour effectuer un aller et retour avec réflexion sur la paroi intérieurs du tube. Si l'on se reporte à la figure 5 qui représente une coupe transversale du tube au niveau d'un transducteur C, on voit que la première impulsion ultrasonore . susceptible d'atteindre le récepteur, apres réflexion sur la paroi intérieure du tube, est celle qui a été émise selon un diamètre du tube, impulsion qui se réfléchit sur la zone diamétralement opposée à l'émetteur.Le temps mis par cette impulsion est égal à 2DsV si D représente le diamètre du tube et V la célérité du son dans le milieu utilisé. Les impulsions non diamétrales n'atteindront le récepteur qu 'après de multiples réflexions sur les parois intérieures, ce qui retarde l'instant où elles viendront frapper le récepteur On limita donc avantageusement lafenetre de réception à une durée égale à 2D/V, à compter de l'instant d'émission des impulsions. De cette manière. seules les impulsions qui se sont réfléchies sur une tige 4 ou. sur un joint de tige 6 seront prises an compte par le capteur. La figure 6 représente le schéma synoptique des moyens électroniques utili-sés pour mesurer l'intervalle séparant les instants d'émission des impulsions de ceux de réception des échos pour chaque transducteur et pour mesurer la différence t1 - t2 entre ces deux intervalles. Sur cette figure. les deux transducteurs portent encore les références C1 et C2. Ils sont commandés à l'émission par un circuit unique 20 qui délivra des impulsions électriques de commande véhiculées par la connexion 21. Les échos reçus par les transducteurs sont pré-amplifiés par des circuits préamplificateurs 22 et 2?' et sont dirigés vers des circuits de détection 24 et 24'. Ces circuits sont commandés par des signaux émanant du circuit 20 et véhiculés par la connexion 23 signaux qui définissent l'ouverture de la fenêtre- de réception. Les circuits 24 et 24' délivrent des signaux t1 et t2 proportionnels aux durées séparent les instants d'émission des impulsions des instants de réception des échos.Ces signaux sont appliqué à un amplificateur différentiel 26 dont la sortie délivra un signal différence t - t dirigé vers un circuit d'affichage' 28. I 2 La figure 7 représente plus en détail des modes particuliers de réalisation de ces différents circuits. Le circuit 20 de commande d'émission comprend une horloge 30 délivrent des impulsions rectangulaires 32, un circuit différenciateur 34 formé par une résistance et un condensateur, qui délivre des impulsions 36 coïncidant avec les fronts de l'impulsion d'horloge, un amplificateur 38, un circuit de couplage 40 et un transistor 42 sur la base duquel sont appliquées les impulsions brèves 36. Lorsque le transistor 42 est rendu conducteur par cette impulsion, il apparait aux bornes de la résistance 44 une tension qui est appliquée , par la connexion 21, sur l'émetteur électroacoustique C. Le circuit de réception 24 comprend une bascule bistable 46 déclenchée par les impulsions qu'elle reçoit en provenance du récepteur électroacoustlque par l'intermédiaire d'un préamplificateur 48 d'une part et par les impulsions de l'horloge 30 véhiculées par la connexion 23 d'autre part. La bascule bistabla 46 est d'un type tel qu'elle et une impulsion dont le front avant est déclenché par le front avant de l'impul- sion d'horloge et le front arrière est déclenché par le signal émis par le récepteur. La durée de l'impulsion délivrés par la bascule 46 est donc égale à l'intervalle de temps t1 séparant l'instant d'émission de l'impulsion ultrasonore de l'instant de réception de l'écho. Cette bascule peut par exemple être du type 74 C 74. Elle est suivie d'un circuit intégrateur 48, qui délivra une tension continue qui est proportionnelle à la durée t1. C'est cette tension qui est appliquée sur l'amplificateur 26. Les circuits d'émission et de réception se répètent pour chaque couple émetteur-récepteur. Ils peuvent comprendre, en plus des circuits fondamentaux illustrés sur les figures, des circuits annexes de mise en forme des impulsions, de coincidence entre signaux de réception, de test de présence d'écho etc. qui sont bien connus de l'homme de l'art. REVENDICATIONS Procédé pour détecter le passage d'un objet ou la variation de section d'un objet à l'intérieur d'une canalistation, caractérisé en ce que - en au moins deux zones de ladite canalisation, on émet des impulsions ultrasonores et on détecte en chaque zone les échos reçus, - on mesure, en chaque zone, l'intervalle de temps séparant les instants d'émission des impulsions des instants de réception des échos, - on détecte la diminution de l'intervalle correspondant à une zone, diminution qui traduit le passage d'un objet devant ladite zone. 2. Pro cédé selon la revendication 1, caractérisX en ce qu on émet des impulsions ultrasonores en deux zones situées sur une meme génératrice de la canalisation et en ce qu'on forme a différence entre les deux intervalles de temps mesurés pour ces deux zones, l'absence d'objet ou l'invariance de sa section se traduisant par la nullité de ladite différence et le passage d'un objet ou la variation de section d'un objet devant l'une des zones se traduisant par l'apparition d'une différence non nulle dont le signe indique devant quelle zone se situe l'objet. 3 Procédé selon 1 'une quelconque des revendlcations 1 et 2, caractérisé en ce qu'on n' effectue la détection des échos que pendant une durée inférieure au temps que met l'impulsion ultrasonore pour effectuer un aller et retour avec réflexion sur la paroi de la canalisation. 4.Dispositif pour détecter le passage d'n objet ou la variation de section d'un objet dans une canalisation, mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins deux couples émetteur-récepteur d'impdisions ultrasonores disposés à l'intérieur de la canalisation, - associés à chaque. couple émetteur-récepteur, des moyens électroniqu de mesure de l'intervalle de temps séparant les instants d'émission des impulsions des instants de réception des échos, - des moyens pour détecter la diminution de l'un desdlts intervalles. 5. Dispositif selon la reJendiat;3n 4, caractérisé an ce qu'il comprend deux couples émetteur-récepteur disposés le long d ne mme génératrice de la canalisation et en ce que les moyens pour comparer lesdits intervalles de temps comprennent des moyens pour effectuer la différence entre les deux intervalles mesurés pour les deuxdits couples et pour afficher le signe de ladite différence. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend, associés à chaque couple émetteur-récepteur, des moyens électroniques pour commander l'ouverture d'une fenêtre de détection des échos pendant une durée inférieure au temps mis par l'impulsion ultrasonore pour effectuer un aller et retour par réflexion sur la paroi intérieure du tube. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les couples émetteur-récepteur sont séparés les uns des autres d'une distance supérieure àZDtga si D désigne le diamètre de la canalisation et o le demi angle d'ouverture du faisceau ultrasonore émis par les émetteurs. 8. Application du procédé selon la revendication 1 à la détection des joints de tiges dans les tubas de forage.