Brevet FR2483006A1 — publié le 19811127

La présente invention, concernant le fo- rage, est relative à un appareil et à un procédé de signalisation depuis l'intérieur d'un trou de mine en cours de forage. L'invention est également relative à un raccord pour télémétrie dans un train de tiges de forage. On a proposé divers systèmes de mesures accompagnant le forage afin d'effectuer des mesures de l'intérieur d'un trou de mine, alors que le fo- rage est en cours et de transmettre les valeurs de mesure à la surface. Comme avec de tels systèmes il n'y a pas de temps perdu pour arrOter l'installation de forage et pour insérer une sonde de mesure dans le trou de mine, ces systèmes de mesures au cours du forage permettent d'économiser beaucoup du temps de forage et par suite de réduire considérablement le cot global de l'opération de forage. Les systèmes qui ont été proposés jusqu'à présent peuvent être classés en quatre types fondamentaux, à savoir les systèmes à impulsions de pression de boue, les sys- tèmes électromagnétiques, les systèmes à fil métal- lique et les systèmes acoustiques. On a proposé toute une gamme de systèmes électromagnétiques qui tous reposent sur la transmission de signaux d'in- formation électromagnétiques par la terre et/ou par le train de tiges. Néanmoins, aucun des systèmes électromagnétiques proposés jusqu'à présent n'a donné un rapport signal - bruit raisonnable pour les si- gnaux détectés en surface et par suite la vitesse de transmission des informations est fortement li- mitée. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Y' 2.354.887, on trouve un système électromagnétique dans lequel les signaux d'information de mesure sont appliqués sous forme impulsionnelle à une bobine toroidale entourant le train de tiges de forage au voisinage du trépan. Un champ magnétique variable est associé au courant pulsé passant dans la bobine et ce champ induit des signaux en forme de courants pulsés dans le train de tiges. Les circuits de re- tour s'offrant aux courants qui circulent dans le train de tiges par suite de ce phénomène passent par la terre elle-m8me. Les signaux transmis sont détectés en surface dans une station de réception branchée entre le train de tiges de forage et une électrode mise à la terre à une certaine distance du train de tiges. Néanmoins, à cause de l'atténua- tion des signaux dans la terre et des pertes dans le noyau de la bobine, le rapport signal-bruit des signaux détectés est mauvais et le système est peu satisfaisant en pratique. L'invention a pour objet de fournir un appareil de signalisation qui constitue un système électromagnétique peu coûteux et capable de trans- mettre à grande vitesse des signaux, avec un rap- port signal-bruit acceptable. Conformément à l'invention, l'appareil de signalisation en question incorpore un transfor- mateur dont un enroulement est branché électrique- ment entre une première partie du train de tiges servant à forer le trou de mine et une deuxième par- tie du train de tiges qui est isolée électriquement de la première partie et des moyens d'émission et/ou de réception de signaux sont reliés électriquement à l'autre enroulement du transformateur; la première partie procurant un trajet de courant aux signaux qui circulent entre le transformateur et une station de réception et/ou d'émission située en un endroit éloigné dans l'alignement du train de tiges de fo- rage et un trajet de retour leur est procuré entre le transformateur et la station de réception et/ou d'émission de signaux par l'intermédiaire de la deu- xième partie et des formations de terrain au travers desquelles on fore le trou de mine. De préférence ledit enroulement est l'en- roulement secondaire du transformateur et ledit autre enroulement, l'enroulement primaire du trans- formateur et des moyens de transmission-ou d'émis- - Sion sont reliés électriquement à l'enroulement pri- maire pour transmettre des signaux à une station de- réception éloignée. Avec ce système la grandeur du transfor- mateur et le nombre de tours des primaire et secon- daire du transformateur peuvent 9tre choisis de ma- nière à réduire les pertes dans le noyau. En outre le transformateur, qui est avantageusement du type toroldal, peut être très petit, de sorte qu'il est de fabrication peu conteuse et peut être logé à ltintérieur d'une petite chambre ménagée dans la paroi de train de tiges de forage. Comme les pertes dans le noyau sont faibles, les besoins de puis- sance des moyens d'émission et/ou de réception des signaux sont réduits, par exemple de l'ordre de 1 W, et peuvent 8tre fournis par une batterie. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la première partie et la deuxième par- tie sont respectivement constituées par les parties supérieure ét inférieure d'un raccord spécial pour la télémétrie, lesdites parties étant séparées par un isolateur électrique, et le transformateur est disposé à l'intérieur d'une chambre ménagée dans la paroi du raccord, conjointement avec des moyens de transmission deéignaux qui comprennent une-batterie et des moyens de traitement des signaux0 Comme le degré d'atténuation des signaux transmis dépend de la distance sur laquelle les si- gnaux sont transmis et de la conductivité électrique des terrains au travers desquels le trou de mine est foré, il peut être avantageux de prévoir un ou plu- sieurs raccords répéteurs entre le raccord contenant l'instrument de mesure et la surface. Chaque raccord répéteur peut contenir un jeu identique de moyens d'émission, de réception et d'amplification des si- gnaux, les moyens d'émission de signaux étant les mêmes que ceux se trouvant dans lé raccord qui con- tient l'instrument de mesure. Comme les raccords sont d'une fabrication relativement peu coûteuse, on peut prévoir, suivant les besoins, un grand nom- bre de raccords répéteurs le long du train dé tiges. L'invention fournit également un procédé de signalisation de l'intérieur d'un trou de mine au cours du forage, en utilisant un train de tiges de forage comportant une première partie et une deu- xième partie qui sont électriquement isolées l'une de l'autre, ce procédé comprenant la transmission de signaux entre des moyens d'émission et/ou de ré- ception des signaux et une station de réception et/ou d'émission des signaux, éloignée dans l'ali- gnement du train-de tiges, par l'intermédiaire d'un transformateur dont un enroulement est électrique- ment branché entre la première partie et la deuxième partie et l'autre enroulement relié électriquement - aux moyens d'émission et/ou de réception de signaux, la première partie fournissant un trajet de courant pour des signaux qui circulent entre le transforma- teur et la station de réception et/ou d'émission des signaux, un trajet de retour étant fourni entre le transformateur et la station de réception et/ou d'émission des signaux par l'intermédiaire de la deuxième partie et des formations de terrain au tra- vers desquelles le trou de mine est en cours de fo- rage. L'invention fournit encore un raccord de télémétrie pour un train de tiges de forage, compre- nant une première partie et une deuxième partie qui sont électriquement isolées l'une de l'autre, un transformateur dont un enroulement est branché élec- triquement entre la première partie et la deuxième partie et des moyens d'émission et/ou de réception de signaux,reliés électriquement à l'autre enroule- ment du transformateur, la première partie fournis- sant un trajet de courant pour des signaux qui cir- culent entre le transformateur et une station de ré- ception et/ou d'émission de signaux, située en un endroit éloigné dans l'alignement du train de tiges lorsque le raccord de télémétrie est disposé dans un train de tiges de forage-, un trajet de retour étant procuré au cours du forage entre le transfor- mateur et la station de réception et/ou d'émission de signaux par l'intermédiaire de la deuxième par- tie et des formations de terrain au travers desquel- les un trou de mine est en cours de forage. Afin que l'invention puisse 9tre plus fa- cilement comprise, on se référera maintenant, à ti- tre non limitatif, au dessin ci-annexé sur lequel: la figure 1 montre schématiquement une par- tie d'un train de tiges incorporant un raccord de télémétrie selon l'invention et la figure 2 est une coupe longitudinale d'un raccord de télémétrie selon l'invention. En se reportant à la figure 1 qui est pré- vue seulement pour illustrer le principe de l'inven- tion et non pas pour montrer la construction détail- lée du raccord de télémétrie, on voit que le raccord de télémétrie 1 est disposé entre deux parties 2 et 3 d'un train de tiges de forage se trouvant dans un trou de mine en forage 10. Le raccord 1 est accouplé à la partie 2 au moyen d' n accouplement m9le vissé 4 du raccord 1 et à la partie 3 au moyen d'un accou- plement femelle vissé 5 du raccord lo La partie 2 -st accouplée à une table tournante (non représentée) située à la surface par l'intermédiaire d'autres par- ties et la partie 5 est accouplée à un trépan ou ou- til de forage (non représenté), éventuellement par l'intermédiaire d'autres parties. Le raccord 1 comprend une partie supérieure 6 reliée électriquement à la partie 2 et une partie inférieure 7 reliée électriquement à la partie 3. Les parties supérieure 6 et inférieure 7 sont iso- lées électriquement l'une de l'autre par un isola- teur 8. A l'intérieur de la paroi latérale du rac- cord se trouve une chambre 9 qui contient un circuit électronique Il et un transformateur de sortie toroî- dal 12 dont le secondaire est branché entre la par- tie supérieure 6 et la partie inférieure 7. Lors du fonctionnement,un signal impulsionnel d'informations de mesure est appliqué au primaire du transformateur 12 par le circuit électronique 11, les valeurs de mesure étantpar exemple, celles obtenues à la sor- tie d'un instrument servant à mesurer l'orientation d'un trou de mine, tel que celui décrit dans le bre- vet britannique NO 1509.2953 Par suite un signal de courant pulsé est induit dans le secondaire du transformateur 12 et ce signal est transmis à la sur- face par la partie 2 et les autres parties du train de tiges se trouvant entre la partie 2 et la surface. Un trajet de retour pour le signal est procuré au travers des formations de terrain au travers desquel- les le trou de mine 10 est foré. Le raccord de télémétrie représenté sur la figure 1 peut 4tre un raccord d'émission seulement, servant à transmettre les valeurs de mesure qui lui sont fournies par un instrument de mesure voisin, ou un raccord répéteur qui reçoit un signal qui lui est appliqué par le train de tiges; il traite ce signal et transmet le signal traité. Dans le premier cas le circuit électronique 11 comprendra une batterie et un circuit de traitement de signaux pour moduler le cou- rant fourni par la batterie suivant les valeurs de mesure. Sur la figure 2 on voit un raccord répéteur en coupe longitudinale. Sur cette figure les parties semblables sont désignées par les mêmes repères que sur la figure 1. On notera que l'isolateur annulaire 8 est placé entre la chambre 9 et la paroi inté- rieure du raccord au voisinage de la chambre 9, et que l'isolateur a une forme générale de S en coupe, de façon à accrottre la résistance du jointentre les parties supérieure 6 et inférieure 7* La cham- bre 9 est séparée de l'extérieur par un couvercle 13 qui est fermé hermétiquement à ses bords au mo- yen d'un joint 14 et est isolé électriquement de telle manière qu'il ne fournisse pas de trajet de courant entre les parties supérieure 6 et inférieure 7. En plus du transformateur de sortie 12, la cham- bre contient un transformateur d'entrée 15, un am- plificateur d'entrée 16, un circuit de traitement de signaux 18 et un amplificateur de sortie 17. Les transformateurs d'entrée 15 et de sortie 12 pourraient 9tre remplacés par un seul transformateur qui aurait pour fonction à la fois de recevoir et dé transmettre des signaux. Le répéteur est disposé de manière à re- cevoir et à transmettre des signaux sur le mode mul- tiplex. Ainsi par exemple, dans une première pé- riode d'une seconde, un signal d'entrée, transmis par le raccord d'émission seule ou par un autre rac- cord répéteur situé plus bas dans le train de tiges, est détecté par le transformateur d'entrée 15 dont le primaire est couplé entre les parties inférieures du train de tiges et le retour de terre et est am- plifié par l'amplificateur d'entrée 16. Dans une deuxième période durant par exemple 100 millisecon--= desle signal est traité numériquement par le cir- cuit 18 de façon à éliminer les erreurs et, dans une troisième période d'une seconde par exemple, le si- gnal traité est amplifié par l'amplificateur de sor- tie 17 et transmis par le transformateur de sortie 12, soit à un récepteur situé en surface, soit à un autre répéteur se trouvant plus haut dans le train de tiges, Comme les raccords de télémétrie sont de fabrication relativement peu cofteuse et que la lar- geur de bande et par suite la possibilité de trans- mission rapide de données d'un signal chute en fonc- tion de la distance sur laquelle il est transmis, on peut prévoir des raccords répéteurs, si néces- saire, le long du train de tiges avec un espacement descendant jusqu'à 300 m. Ceci permet alors de trans- mettre des signaux avec un débit de données d'envi- ron 100 bits par seconde et avec une puissance d'en- trée d'environ 1W par raccord et une largeur de bande d'environ 100 Hz. Si dans le système proposé dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 2. 354.887, on considère que le train de tiges et le trajet de retour conduc- teur au travers de la terre constituent un enroule- ment secondaire à un seul tour d'un transformateur toroldal dont la bobine toroldale entoure le train de tiges lui servant de primaire, on peut comparer les pertes dans le noyau, dans le cas du système ex- posé dans ledit brevet et dans celui du système il- - lustré par le dessin annexé. Si l'aire de section transversale du noyau toroldal est A et si la densité de flux de satura- tion maximale pour le matériau du noyau est BSAT, il est clair que 4max La valeur maximale de la force électromo- trice induite dans le secondaire s'écrit sous la forme VS Ns max.cX (3) avec NS = nombre de tours du secondaire 24830È06 max = valeur maximale du fluide magnétique pas- sant par la section transversale du noyau toroldal etW = 2.r.f=, f étant la fréquence de l'excita- tion du primaire. Il résulte des équations (1), (2) et (3) que if u2.PS. ZS 3 (4) NS o2.1. f.BSAT On pourra prendre comme valeurs typiques pour le matériau du noyau du transformateur torol- dal en fer au silicium: Bmax 1,2 Tesla Pertes du noyau à 200 Hz 3 5,5 watts.kg1 Densité du noyau = 7 g ocm3. Par suite de calculs antérieurs avec Hz, on peut prendre, comme impédance ZS du tube de forage et de la terre, 0,17 ohm Ainsi, pour un tore de diamètre moyen 14 cm qui entoure le train de tiges comportant un enroule- ment secondaire à une seule spire, ces valeurs typi- ques indiquent une grandeur minimale d'aire de sec- tion transversale du noyau de 5,9 cm2 et un volume de noyau minimal résultant de 156 cm3 et la masse minimale du noyau calculée e.t de 1,1 kg lorsqu'on considère le cas o PS = 1 watt. Ainsi, afin de four- nir 1 watt au circuit secondaire à 200 Hz, les per- tes résultantes dans le noyau sont d'environ 6 watts. De plus un tel noyau sera de fabrication codteuseo Au contraire, si le transformateur toroi- dal du système représenté par le dessin annexé tom-- porte 100 tours à son secondaire, la valeur minimale pour l'aire de section transversale du noyau est d'environ 4 mm2 et par Conséquent le noyau peut être extrêmement petit, de sorte que les pertes dans le noyau sont négligeables. REVENDICATIONS 1. Appareil de signalisation depuis l'in- térieur d'un trou de mine au cours du forage, dans lequel, lors de l'emploi, des signaux sont transmis par voie électromagnétique le long du train de ti- ges entre des moyens d'émission et/ou de réception des signaux situés vers le fond du trou et une sta- tion de réception et/ou d'émission de signaux, si- tuée en un endroit éloigné dans l'alignement du train de tiges, un trajet de retour pour les signaux étant procuré par lintermédiaire des formations de terrain au travers desquelles le trou de mine est en cours de forage, caractérisé en ce qu'un trans- formateur (12) comporte un enroulement branché élec- triquement entre une première partie (6) du train de tiges et une deuxième partie (7) du train de ti- ges, laquelle est électriquement isolée de la pre- mière partie (6), et en ce que les moyens d'émis- sion et/ou de réception de signaux (11, 15 à 18) sont reliés électriquement à l'autre enroulement du transformateur (12), la première partie (6) procu- - rant un trajet de courant pour les signaux qui cir- culent entre le transformateur (12) et la station de réception et/ou d'émission des signaux et/ou le trajet de retour étant procuré entre le transforma- teur (12) et la station de réception et/ou d'émis- sion de signaux, par la deuxième partie (7) et des formations de terrain0 2. Appareil selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'un enroulement est l'enroulement secondaire du transformateur (12) et ledit autre enroulement est l'enroulement primaire du transfor- mateur (12) et en ce que des moyens de transmission de signaux (11) sont reliés électriquement à l'en- roulement primaire pour transmettre les signaux à une station de réception éloignée. 3. Appareil selon la revendication 2, ca- il ractérisé en ce que les moyens d'émission de si- gnaux (11) incluent un moyen de traitement de si- gnaux pour moduler un signal porteur selon les in- formations de mesure reçues d'un instrument de me- sure. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il incorporé une multi- plicité de dispositifs de signalisation répartis le long du train de tiges, chacun des dispositifs comprenant un transformateur (12) dont un enroule- ment est branché électriquement entre des première et deuxième parties respectives (6 et 7) du train de tiges et que des moyens d'émission et/ou de ré- ception de signaux (11, 15 à 18) sont reliés élec- triquement à l'autre enroulement, l'un desdits dis- positifs étant un dispositif d'émission seulement pour transmettre des valeurs de mesure qui lui sont fournies par un instrument de mesure et l'autre ou chaque autre dispositif étant un répéteur pour re- cevoir un signal qui lui est fourni le long du train de tiges, pour traiter le signal et transmet- tre le signal traité. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur (12) est un transformateur torol- dal. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transforma- teur (12) et les moyens d'émission et/ou de récep- tion (11, 15 à 18) sont logés dans une chambre (9) ménagée dans la paroi de train de tiges. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émis- sion et/ou de réception de signaux (11, 15 à 18) sont adaptés à 9tre alimentés par une batterie. 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie et la deuxième partie (6 et 7) sont respectivement les parties supérieure et inférieure d'un raccord de télémétrie spécial (1), les parties en question (6,7) étant séparées par un isolateur électrique (8). 9. Raccord de télémétrie pour un train de tiges incorporant des moyens d'émission et/ou de réception des signaux utilisables dans la transmis- sion électromagnétique de signaux le long du train de tiges entre le raccord et une station de récep- tion et/ou d'émission de signaux, située en un en- droit éloigné dans l'alignement du train de tiges, un trajet de retour pour les signaux étant procuré par l'intermédiaire des formations de terrain au travers desquelles le trou de mine est en cours de forage, caractérisé en ce que le raccord (1) com- prend une première partie et une deuxième partie (6 et 7), électriquement isolées l'une de l'autre, et un transformateur (12) dont un enroulement est branché électriquement entre la première partie et la deuxième partie (6 et 7) et en ce que les moyens d'émission et/ou de réception de signaux (11, 15 à 18) sont reliés électriquement à un autre enroule- ment du transformateur (12), la première partie (6) procurant un trajet de courant pour les signaux qui circulent entre le transformateur (12) et la station de réception et/ou d'émission de signaux lorsque le raccord (1) est disposé dans un train de tiges, le trajet de retour étant procuré au cours du forage, entre le transformateur (12) et la station de récep- tion et/ou d'émission de signaux, par la deuxième partie (7) et les formations de terrain. 10. Raccord de télémétrie selon la reven- dication 9, caractérisé en ce qu'il est constitué par un raccord d'émission seulement pour transmettre des valeurs de mesure qui lui sont fournies par un ins- trument de mesure. 11. Raccord de télémétrie selon la reven- dication 9, caractérisé en ce qu'il est un raccord répéteur pour recevoir un signal qui lui est fourni le long du train de tiges, pour traiter le signal et pour transmettre le signal traité. 12. Raccord de télémétrie selon la reven- dication 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que le transformateur (12) et les moyens d'émission et/ou de réception (11; 15 à 18) sont logés dans une chambre (9) dans la paroi du raccord (1). 13. Raccord de télémétrie selon la reven- dication 12, caractérisé en ce que la chambre (9) est isolée de l'extérieur par un couvercle (13). 14. Raccord de télémétrie selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que la première partie et la deuxième partie (6 et 7) sont isolées l'une de l'autre par un isolateur annulaire (8) de forme générale en S en coupe radiales Procédé de signalisation depuis l'in- térieur d'un trou de mine en cours de forage, dans lequel des signaux sont transmis par voie électro- magnétique le long du train de tiges entre des moyens de réception et/ou d'émission de signaux situés vers le fond du trou et une station de réception et/ou d'émission de signaux située en un endroit éloigné dans l'alignement du train de tiges, un trajet de retour pour le signal étant procuré par l'intermé- diaire des formations de terrain au travers desquel- les le trou de mine est foré, caractérisé en ce qu'on utilise un train de tiges de forage comportant une première partie et une deuxième partie (6 et 7) électriquement isolées l'une de l'autre et en ce que ledit procédé comprend la transmission de signaux entre les moyens d'émission et/ou de réception des signaux (11; 15 à 18) et la station de réception et/ou d'émission des signaux par l'intermédiaire d'un transformateur (12) dont un enroulement est branché électriquement entre la première partie et la deu- xième partie (6 et 7) et l'autre enroulement est relié électriquement aux moyens d'émission et/ou de réception des signaux (11; 15 à 18), la première partie (6) procurant un trajet de courant pour des signaux qui circulent entre le transformateur (12) et la station de réception et/ou d'émission des signaux et le trajet de retour étant procuré entre le transformateur (12) et la station de ré- ception et/ou d'émission, par la deuxième partie (7) et les formations de terrain. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission successive de signaux entre une multiplicité de dispositifs de signalisation, chacun d'eux compre- nant un transformateur dont un enroulementeest branché électriquement et respectivement entre une première et une deuxième partie (6 et 7) du train de tiges et des moyens d'émission et/ou de récep- tion de signaux (11; 15 à 18) reliés électriquement à l'autre enroulement, le premier desdits dispositifs étant un dispositif d'émission seulement qui trans- met les valeurs de mesure qui lui sont fournies par un instrument de mesure et l'autre ou chaque autre dispositif étant un dispositif répéteur recevant un signal qui lui est fourni-par un dispositif anté- rieur, traitant le signal et transmettant le signal traité.