Brevet FR2481737A1 — publié le 19811106

DISPITIF POUR DETECTER LE POINT DE COINCEMENT DES TIGES DANS UN SONDAGE L'invention se rapporte aux dispositifs utilisés dans les sondages et plus particulièrement aux appareils pour détecter le point de coincement d'une colonne de tiges dans un sondage. Lorsqu'une colonne de tiges comme par exemple un train de tiges de forage, est coincée dans un sondage, un procédé classique pour déterminer la profondeur du point de coincement consiste à appliquer à la colonne en surface des torsions et des tractions et à déterminer jusqu'à quelle profondeur se transmettent ces déformations. Pour détec- ter ces déformations on utilise un appareil descendu dans la colonne à l'extrémité d'un c.ble et mis en place à des profondeurs successives. Un appareil classique de détection du point de coincement, décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 686 943 accordé à W.D. Smith, comprend un corps ayant une partie supérieure et une partie inférieure montées mobiles l'une par rapport à l'autre selon des déplacements limités et des organes d'ancrage supérieurs et infé- rieurs montés respectivement sur ces parties supérieure et inférieure pour immobiliser chacune des parties du corps en deux zones longitudi- nalement espacées de la colonne. Des moteurs électriques commandés par l'intermédiaire du câble servent à écarter et rapprocher du corps les organes d'ancrage et un capteur monté entre les parties du corps détecte les mouvements relatifs desdites parties lorsqu'on déforme élastique- ment la colonne par des contraintes appliquées en surface. 2 48 1 73 7 La plupart des capteurs connus doivent 'être remis à zéro avant chaque mesure. Certains de ces capteurs dont la réponse est sen- siblement linéaire peuvent se contenter d'une remise à zéro approxima- tive. Il suffit alors que le capteur soit ramené à une position initiale permettant une rotation ou une élongation relatives entre les parties supérieure et inférieure de l'appareil. Ces derniers capteurs offrent des avantages certains mais présentent aussi des inconvénients parti- culiers à chaque type utilisé. Le capteur décrit dans le brevet américain No. _3 66 943 (W.D. Smith) déjà mentionné, a l'inconvénient de ne pas différencier les mouvements longitudinaux des mouvements de rotation. Or il est souhaitable dans certains cas de pouvoir déterminer si une torsion appliquée aux tiges en surface a été transmise en profondeur. Notamment, lorsqu'on désire dévisser la partie libre des tiges, il faut appliquer un couple de dévissage à un jointparticulier mis légèrement en tension, avant de faire exploser une charge au niveau de ce joint. Cette opéra- tion connue sous le nom de "back off" est très couramment réalisée. Dans les puits déviés comportant un coude, le couple appliqué aux tiges en surface se transmet mal en profondeur et il est d'usage de tirer et de relâcher les tiges en mêrme temps que l'application du cou- ple, pour vaincre les frottements le long du sondage. Un capteur tel que décrit dans le brevet américain ci-dessus ne. permet pas de savoir si le couple a été transmis en profondeur, car le signal de sortie est indistinctement influencé par les tensions et les torsions. Un autre capteur décrit dans le brevet américain No.4 105 071 (Y. Nicolas & A. Landaud) fournit deux signaux de sortie, l'un indépen- dant des tensions et l'autre indépendant des torsions appliquées aux tiges. Ce capteur comprend deux parties distinctes déformées l'une par les efforts de traction et l'autre par les efforts de torsion. Un tel capteur a une raideur importante et des efforts élevés sont nécessaires pour le déformer. Dans ces conditions, il arrive souvent que les ancra- ges de l'appareil ne soient pas suffisamment puissants pour transmettre de tels efforts et glissent à l'intérieur des tiges sans déformer les organes sensibles du capteur. 248 173 7 L'invention se rapporte à un capteur pour détecter le point de coincement des tiges dans un sondage qui présente de bonnes carac- téristiques de précision et de fiabilité et qui permet de détecter séparément les torsions des tractions avec une faible raideur. Selon l'invention, un dispositif pour détecter le point de coincement de tiges dans un sondage comprend un corps adapté à être suspendu à un cable et ayant deux parties montées mobiles l'une par rapport à l'autre avec des déplacements limités longitudinalement et angulairement. Chacune des parties est susceptible d'être ancrée à l'intérieur des tiges au moyen d'une commande de surface pour suivre les déformations des tiges lorsqu'on leur applique en surface des efforts de traction et de torsion. Un premier transformateur à bobines radiales comporte un enroulement primaire solidaire d'une première partie du corps et un enroulement secondaire solidaire de la deuxième partie pour fournir un premier signal représentatif des déplacements angulaires entre les parties du corps. Le premier transformateur est insensible aux déplace- ments longitudinaux. L'enroulement secondaire comprend deux bobines à axes parallèles disposées de part et d'autre de l'enroulement primaire. La première partie du corps peut tourner dans les deux sens avec un déplacement angulaire limité à partir d'une position médiane pour laquelle l'axe de l'enroulement primaire est perpendiculaire aux axes des bobines du secondaire. Un deuxième-transformateur à bobines axiales ayant un enrou- lement primaire solidaire d'une partie du corps et un enroulement secondaire solidaire de l'autre partie, fournit un deuxième signal représentatif des déplacements longitudinaux entre ces parties du corps. Le deuxième transformateur est insensible aux déplacements angulaires. Les primaires des premier et deuxième transformateurs sont alimentés en courant périodique pour induire dans les secondaires des signaux dont les amplitudes sont respectivement représentatives des déplacements longitudinaux et angulaires. De préférence l'une des par- ties du corps forme un manchon à l'intérieur duquel est réalisée une chambre qui contient les transformateurs. Cette chambre est remplie d'huile et des moyens sont prévus pour maintenir la pression interne de la chambre égalezà celle du sondage par exemple à l'aide d'un piston flottant. 248 173 7 Le dispositif comprend en outre des moyens élastiques pour s'opposer au poids de la partie inférieure et la repousser vers le haut de façon qu'elle puisse ensuite se déplacer vers le bas par rapport à la partie supérieure après ancrage dans la colonne de tiges. De plus, des moyens sont prévus pour amener la première partie du corps sensiblement à ladite position médiane du deuxième transformateur afin que cette première partie puisse tourner par rapport à la deuxième partie dans un sens ou dans l'autre. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description qui va suivre donnée à titre d'ex- emple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en cours d'opération d'un dispositif de détection selon l'invention pour trouver le point de coincement d'une colonne de tiges dans un sondage; - la figure 2 est une coupe longitudinale dtune partie de l'appareil de fond de la figure 1; - la figure 3 est une vue en perspective d'un détail de l'appareil de la figure 2; et - la figure 4 est un schéma des circuits utilisés pour ob- tenir des signaux de détection du dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, un dispositif de détection de point de coincement comprend un appareil de fond 10 suspendu dans une colonne de tiges 11 à l'extrémité d'un câble 12. Les tiges 11 disposées dans un sondage 13 sont coincées par les formations en un point 14 dont on désire déterminer la profondeur. Les tiges sont suspendues en surface d'une façon connue à une tour de forage (non représentée) équipée de mécanismes permettant d'appliquer à ces tiges des efforts de traction et de torsion. Le câble 12 comporte un ou plusieurs conduc- teurs électriques reliés à un appareillage de surface 15. Cet appareil- lage est adapté à envoyer vers l'appareil de fond un courant électrique d'alimentation et des signaux électriques de commande et à recevoir les signaux provenant de cet appareil pour les traiter, les afficher et les enregistrer. L'appareil de fond 10 comprend d'une façon générale une section électronique 20, un système d'ancrage supérieur-21, un capteur- 22, un système d'ancrage inférieur 23. La section électronique 20 est 2481 737 formée d'une enveloppe étanche contenant des circuits électroniques. Le capteur 22 est formé par un corps 25 ayant une partie supérieure 26 et une partie inférieure 27 montées mobiles l'une par rapport à l'autre avec des déplacements limités à la fois longitudinalement et angulairement. Les systèmes d'ancrage supérieur 21 et inférieur 23 sont respectivement fixés aux parties supérieure 26 et inférieure 27 du corps afin d'immobiliser ces deux parties en deux zones longitudi- nalement espacées de la colonne de tiges. Chaque système d'ancrage peut 'être du type décrit dans le brevet américain No. 3 686 943 déjà cité, avec des bras articulés adaptés à s'écarter du corps pour venir en appui contre la paroi interne des tiges. Ces bras, qui peuvent %tre au nombre de trois, s'engagent par exemple sur une tige de commande à déplacement axial entra3née par un moteur électrique qui transmet son mouvement à la tige par l'intermédiaire d'une vis sans fin. Chaque système d'ancrage comporte un moteur commandé à volonté depuis la surface. Au bas de l'appareil de fond, on peut envisager de fixer un support d'explosif adapté à recevoir plusieurs longueurs de cordeau détonant pour effectuer une explosion au niveau d'un joint de tiges sélectionné situé au-dessus du point de coincement. Au préalable, on applique un couple de dévissage depuis la surface à ce joint sélection- né légèrement mis en tension, de façon que l'explosion ait pour effet de déclencher le dévissage à ce niveau. Si cette opération réussit on retire ainsi du sondage une longueur maximale de tiges libres. Le capteur 22 fournit des signaux représentatifs des dépla- cements relatifs entre les parties du corps lorsqu'on déforme élasti- quement les tiges par des contraintes de tension ou de torsion appliquées en surface. Suite à ces contraintes, le capteur 22 n'indique un déplacement entre les parties du corps, que si l'appareil de fond est ancré au-dessus du point de coincement 14. En ancrant l'appareil à diverses profondeurs on peut donc trouver celle en dessous de laquelle on n'obtient plus de signal, c'est-à-dire celle qui corres- pond à la profondeur du point de coincement. Le capteur 22 est représenté plus en détail sur la figure 2. La partie supérieure 26 du corps se prolonge vers le bas par un mandrin qui peut tourner et se déplacer longitudinalement dans un manchon 31 248 173 7 qui prolonge vers le haut la partie inférieure 27. Comme on le verra par la suite, les mouvements relatifs des deux parties 26 et 27 sont limités longitudinalement et en rotation. La partie supérieure 26 comporte un taraudage 32 permettant sa fixation au système d'ancrage supérieur 21, et des connecteurs 33 fixés de façon isolée sur le corps pour assurer les liaisons électriques convenables avec le haut de l'appareil de fond. Pour détecter les déplacements angulaires entre les deux parties 26 et 27, le capteur comprend un premier transformateur formé par un primaire fixé au mandrin 30 et un secondaire fixé sur le man- chon 31. Le primaire est constitué par une bobine 35 dont l'axe est radial, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction longitudinale X-X' de l'appareil (voir aussi figure 3). Le secondaire est formé par deux bobines 36 et 37 dont les axes sont aussi radiaux. Comme on le verra par la suite, les deux bobines du secon- daire sont connectées en série et lorsqu'on alimente le primaire en eourwit périodique, le signal induit dans le secondaire est représen- tatif de la position angulaire relative du mandrin 30 et du manchon 31. En position angulaire médiane, c'est-à-dire à égale distance des butées qui limitent la rotation du mandrin 30 dans le manchon 31, l'axe de la bobine 35 du primaire est perpendiculaire à l'axe commun des bobines 36 et 37 du secondaire. Dans cette position médiane, le signal induit dans le secondaire est nul. Les bobines 35, 36 et 37 sont suffisamment longues dans le sens de la direction X-X' pour que le déplacement longitudinal limité du mandrin 30 par rapport au manchon 31 ne modifie pas le signal de sortie du transformateur de déplacement angulaire. Pour détecter les déplacements longitudinaux entre les deux parties 26 et 27, le capteur 22 comprend un deuxième transformateur formé par un primaire fixé au mandrin 30 et un secondaire fixé au manchon 31. Le primaire est constitué par une bobine axiale 40, ctest- à-dire d'axe parallèle à la direction X-X' et le secondaire par deux autres bobines axiales 41 et 42 connectées en opposition. La bobine est placée sur le mandrin de façon à tre centrée à ml-distance des bobines 41 et 42 lorsque le manchon 31 est en position haute par rapport au mandrin 30 afin de fournir un signal sensiblement nul dans 2 48 173 7 cette position. Ce deuxième transformateur, symétrique autour de l'axe XX', est insensible aux déplacements angulaires relatifs des deux parties du corps. L'extrémité inférieure du mandrin 30 comporte une collerette 43 sur laquelle vient en appui un ressort 44 comprimé entre cette collerette et un épaulement interne du manchon 31. Ce ressort 44 est adapté à appliquer au manchon 31 une force dirigée vers le haut légè- rement supérieure au poids suspendu à la partie inférieure 27 de l'appareil De cette façon, lorsqu'on ancre dans la colonne de tiges les systèmes d'ancrage 21 et 23, la partie inférieure 27 du corps est en position haute par rapport d la partie supérieure 26. SI l'on exerce sur la colonne de tiges une traction qui se traduits à la profondeur de l'appareil par un allongement entre les zones d'ancrage, cet allongement est alors intégralement transmis aux parties 21 et 22 du corps qui, étant alors en position rapprochée, peuvent s'éloigner librement l'une de l'autre. La partie inférieure 27 du corps se termine vers le bas par une extrémité de diamètre plus faible sur laquelle est montée tournante une bague filetée 47 maintenue en place par une butée 48. Cette extré- mité a un logement dans lequel est placé un support 50 de connecteurs 51 pour effectuer les liaisons électriques convenables avec le système d'ancrage inférieur 23. L'espace compris entre le mandrin 30 et le manchon 51 forme une chambre étanche 52 fermée vers le haut par un piston annulaire 53 monté coulissant sur le mandrin. Des joints 54 et 55 assurent 1'étan- chéité entre le piston et le mandrin 30 et entre le piston et le man- chon 31. La chambre 52 est remplie de fluide hydraulique et le piston 53 d'égalisation de pression maintient la chambre à la pression des fluides du sondage. De cette façon le mandrin et le manchon ne sont soumis à aucune force longitudinale due à la pression-des fluides du sondage. Les différentes bobines sont connectées à la section électro- nique de l'appareil par des conducteurs tels que 58, 59 reliés aux connecteurs 33. 248 1737 L'appareil comprend en outre des moyens pour amener sensiblement le mandrin 30 à la position angulaire médiane pour laquelle l'axe de la bobine primaire 35 est perpendiculaire à l'axe commun des bobines 36, 37. Ces moyens comprennent une fenêtre 56 découpée dans la face interne du manchon 51. La fenêtre 56 comporte deux cotés parallèles à la direction longitudinale X-X', une face inférieure plane et des rampes supérieures convergeant vers le haut en un point situé au milieu des deux cotés parallèles. -Une clavette de guidage 57 solidaire du mandrin 30 peut se déplacer à l'intérieur de cette fenêtre. Normalement la clavette 57 est donc maintenue en butée contre la face inférieure de la fenêtre 56 par le ressort 44. Les c8tés longitudinaux de la fenêtre 56 limitent le déplacement angulaire du mandrin 30 par rapport au manchon 31. Pour amener en position médiane le transformateur détecteur de déplacement angulaire, on ancre le système d'ancrage inférieur 23 et l'on tire sur le câble pour amener la clavette de guidage 57 au sommet de la fenêtre 56. Le mandrin qui pouvait avoir tourné Jusqu'à être en butée contre les c8tés de la fenêtre est ainsi ramené en position angulaire médiane par la clavette 57 qui glisse le long d'une des rampes supérieures de la fenêtre 56. On rerache ensuite la tension du cable et sous l'action du ressort 44, la clavette 57 revient au bas de la fenêtre 56 en restant sensiblement à égale distance de ses c8tés longitudinaux. La partie inférieure du corps est,à cet instant en position haute par rapport à la partie supérieure. Le transformateur de déplacement angu- laire est en position médiane et la bobine 40 du transformateur de déplacement longitudinal est sensiblement centrée sur le point milieu entre les bobines 41 et 42 du secondaire. L'appareil est donc prat à mesurer les allongements des tiges et leurs torsions dans un sens ou dans l'autre. En référence à la figure 4, on a représenté les circuits de l'appareil qui sont pour la plupart situés dans la section électronique 20. Un circuit d'alimentation 60 fournit un courant périodique trian- gulaire à la fréquence de 1 000 Hz aux bobines primaires 35 et 40 qui induisent dans les bobines des secondaires dés tensions rectangulaires. Les bobines secondaires -36 et 57 du transformateur-détecteur de dépla- cement angulaire sont connectées en série aux bornes d'entrée d'un D 48 1737 amplificateur différentiel 61. Le signal de sortie de l'amplificateur 61 est redressé en phase par un détecteur synchrone 62 ayant pour référence le signal à 1 000 Hz de l'alimentation 60. Le signal de sortie du détecteur synchrone 62 est une tension continue V fonction linéaire du déplacement angulaire du mandrin 30 dans le manchon 31. Ce signal VR dont le signe indique le sens de rotation est transmis par le-.câble 12 vers l'appareillage de surface 15 après avoir été con- verti, si nécessaire, au moyen d'un système de transmission approprié. Les bobines secondaires 41 et 42 du transformateur détecteur de déplacement longitudinal sont connectées en opposition aux bornes d'un amplificateur différentiel 63 dont la sortie est reliée à un détecteur synchrone 64. La référence du détecteur 64 est fournie par l'alimentation 60. Le signal de sortie V du détecteur synchrone 64 est une tension continue proportionnelle au déplacement longitudinal du mandrin 30 par rapport au manchon 31. Ce signal VL est transmis en surface par l'intermédiaire du câble 12 comme le signal VR. En fonctionnement, on assemble l'appareil comme représenté sur la figure 1 et on le descend à l'intérieur de la colonne de tiges 11 jusqu'à la profondeur o l'on désire déterminer si ces tiges sont libres. A la profondeur choisies on ancre le système inférieur 23 et l'on tire sur le câble 12 pour remettre au point médian le transformateur détecteur de déplacement angulaire. On ferme ensuite le système d'ancrage inférieur et l'on ancre à nouveau l'appareil en commençant par le système d'ancrage supérieur 21. On s'assure ainsi que le poids du haut de l'appareil et du câble ne vient pas comprimer le capteur 22. On applique ensuite en surface des contraintes de torsion et de traction à la colonne de tiges tout en affichant et en enregis- trant les signaux de déplacements longitudinaux et angulaires du capteur. Si ces signaux indiquent que les tiges sont libres à la profondeur o se trouve l'appareil, on recommence les opérations ci-dessus à d'autres profondeurs jusqu'à déterminer le point de coin- cement 14 pour lequel le capteur 22 n'indique plus de déplacements. Si l'on veut dévisser les tiges au-dessus du point de coincement, le capteur 22 permet de détecter si un couple de dévissage a bien été transmis à la profondeur voulue, grâce au premier transformateur uniquement sensible à la rotation, l Z48 I737 Le mode de réalisation qui vient d'être décrit peut faire l'objet de nombreuses variantes. Le primaire et le secondaire de chaque transformateur sont interchangeables. Le manchon peut être solidaire de l'ancrage supérieur et le mandrin de l'ancrage inférieur. Les deux bobines en opposition peuvent être fixées au mandrin. Le système de remise au point médian peut être réalisé par d'autres moyens Etc. Ces variantes sont évidemment possibles sans toutefois sortir du cadre de l'invention. --48 1737 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour détecter le point de coincement des tiges dans un sondage, comprenant: un corps adapté à être suspendu à un câble et ayant deux parties montées mobiles l'une par rapport à l'autre avec des mouvements limités longitudinalement et angulaire- ment, chacune des parties étant adaptée à être ancrée à l'intérieur des tiges par une commande de surface; et des moyens pour détecter les mouvements relatifs entre lesdites parties lorsqu'on déforme les tiges en leur appliquant en surface des contraintes de traction et de torsion, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent un premier transformateur à bobines radiales ayant un enroulement primaire solidaire d'une première partie du corps et un enroulement secondaire solidaire de la deuxième partie du corps pour úour.ir un premier signal électrique représentatif du déplace- ment angulaire relatif desdites parties; et un deuxième transformateur à bobines axiales ayant un enroulement primaire solidaire d'une partie du corps et un enroulement secondaire solidaire de l'autre partie du corps pour fournir un deuxième signal électrique représentatif du déplacement longitudinal relatif desdites parties.. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement primaire du deuxième transformateur comprend une bobine axiale et l'enroulement secondaire du deuxième trans- formateur comprend deux bobines axiales espacées longitudinalement et entourant partiellement l'enroulement primaire. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que l'enroulement primaire du premier transformateur comprend une bobine radiale et l'enroulement secondaire du premier transformateur comprend deux bobines radiales disposées de part et d'autre de la bobine du primaire_ 24 81 737 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les bobines de l'enroulement secondaire du premier transfor- mateur sont montées avec leurs axes parallèles et en ce que la première partie du corps est montée mobile avec un déplacement angulaire limité de chaque c8té d'une position angulaire médiane pour laquelle l'axe de la bobine de l'enroulement primaire dudit premier transformateur est perpendiculaire aux axes des bobines de l'enroulement secondaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens pour amener la première partie du corps Jusqu'à une position angulaire correspondant sensiblement à la position médiane dudit deuxième transformateur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que les primaires des premier et deuxième transfor- mateurs sont alimentés en courant périodique pour induire dans les secondaires lesdits signaux dont les amplitudes sont respec- tivement représentatives des déplacements angulaires et longitu- dinaux. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1-à 6, caractérisé en ce que l'une des parties du corps comprend un manchon ayant un axe longitudinal et à l'intérieur duquel est monté mobile longitudinalement et en rotation par rapport audit axe un mandrin prolongeant l'autre partie. 8.. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre réalisée à l'intérieur dudit manchon et dans laquelle sont placés lesdits transformateurs, ladite chambre étant remplie d'un fluide hydraulique; et des moyens pour maintenir ladite chambre à la pression du sondage. î S8 7 2 7 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens élastiques pour s'opposer au poids suspendu à la partie inférieure du corps et repousser vers le haut cette partie inférieure de façon qu'elle puisse-se déplacer vers le bas par rapport à la partie supérieure du corps après ancrage dans la colonne de tiges.