Brevet FR2477285A1 — publié le 19810904

- ENVELOPPE DE SONDE DE DIAGRAPHIE ET SON -ROCEDE DE FABRICATION L'invention se rapporte aux appareils de diagraphie utilisés dans les sondages et plus particulièrement à une enveloppe de sonde perfectionnée pour de tels appareils. Les appareils de diagraphie utilisés pour l'étude des formations traversées par un sondage comprennent une sonde descendue dans le sondage à l'extrémité d'un câble. Cette sonde est généralement formée par plusieurs enveloppes étanches connectées bout à bout mécaniquement et électriquement. Ces enveloppes étanches peuvent ftre remplies d'air à la pression atmosphé- rique ou remplies d'un fluide hydraulique maintenu à la pression du son- dage. Elles contiennent des capteurs pour l'acquisition des mesures et des circuits électroniques pour l'alimentation en courant électrique des capteurs ou le traitement des signaux de mesure détectés. Généralement ces enveloppes sont des cylindres métalliques équipés de têtes montées de façon étanche à leurs extrémités. Pour certaines diagraphies on ne peut pas utiliser d'enveloppe en matériau conducteur qui constituerait un écran entre les capteurs et les formations. De telles diagraphies sont notamment celles qui utilisent comme capteurs des bobines ou-des antennes pour les mesures de résistivité (ou conductivité) électrique, de constante diélectrique, de résonance magnétique nucléaire ou d'autres caractéristiques des formations traver- sées par le sondage. Dans le brevet américain No. 2 857 451 (H.A. Barclay) il est décrit une enveloppe non conductrice susceptible de résister aux pressions du sondage. Cette enveloppe est formée par des cylindres internes en -J477285 matériau céramique entourés par un cylindre externe réalisé par un tissu imprégné de matériau plastique thermodurcissable. Les cylindres internes résistent à la pression tandis que le cylindre externe assure l'étanchéité et supporte les chocs et les tensions axiales. Une autre enveloppe non conductrice et résistant à la pression est décrite dans le brevet américain No. 3 403 328 (F.N. Fossati et al) et un mode de réalisation particulier est représenté sur les figures 7A et 7B. Cette enveloppe comprend un empilement de disques internes en céramique et une couche externe en résine renforcée de fibres de verre. - 10. De plus, des bandes en fibres de verre sont tendues entre les extrémités de la sonde pour appliquer à l'empilement de disques une précontrainte de compression axiale. Lès disques supportent la pression du sondage et la couche intermédiaire résiste aux tractions longitudinales. Dans les enveloppes ci-dessus on a pensé à utiliser des anneaux en céramique empilés dont la résistance à la compression est très élevée. On compense la faible-résistance à. la traction de la céramique par une - couche supplémentaire adaptée à supporter les efforts longitudinaux. Ces enveloppes ont cependant plusieurs inconvénients. La céramique est très sensible aux chocs. Du fait que les anneaux sont en contact les uns avec les autres, les chocs se transmettent parfaitement d'un anneau à l'autre et ne sont pas du tout amortis. Un ou plusieurs anneaux sont donc susceptibles de se casser, notamment lors des manoeuvres de surface pour introduire l'appareil dans le sondage pendant lesquelles des chocs impor- tants peuvent se produire. De plus, dans les conditions sévères des sondages, les résines sont soumises à une détérioration plus ou moins rapide due à une hydrolyse par les fluides du sondage. Une telle dégrada- tion est particulièrement gênante aux jonctions de la résine sur les pièces de raccordement des extrémités auxquelles-s'appliquent les efforts de traction. L'objet de l'invention se rapporte à une enveloppe non conduc- trice pour appareil de diagraphie qui supporte la pression des sondages, et résiste aux chocs de façon particulièrement satisfaisante. L'objet de l'invention concerne en outre une enveloppe non conductrice, résistant à la pression et présentant une excellente résis- tance à la pression et à la dégradation par les fluides du sondage. L'objet de l'invention concerne également un procédé de fabri- cation d'une telle enveloppe. Selon l'invention, une enveloppe de sonde pour appareil de diagraphie comprend des pièces d'extrémité pour le raccordement de l'enveloppe et entre ces pièces d'extrémité un empilement d'anneaux en céramique disposés coaxialement pour former un cylindre résistant aux efforts de compression dus à la pression hydrostatique du sondage. L'intérieur de ce cylindre est adapté à recevoir des organes tels que capteurs ou circuits électroniques pour l'acquisition des mesures dans le sondage. Une couche de matériau plastique renforcé, disposée à l'extérieur de l'empilement d'anneaux est fixée entre les pièces d'extré- mité pour résister aux efforts longitudinaux appliqués à l'enveloppe. De plus des Joints élastiques disposés entre les anneaux et maintenus en compression par la couche de matériau plastique empêchent le contact direct entre les faces des anneaux successifs et appliquent à ces anneaux une force de compression axiale, notamment lors des manipulations de l'enveloppe en surface avant son introduction dans le forage. Chaque joint est maintenu sensiblement centré par un épaulement réalisé sur une face d'extrémité de chaque anneau. L'enveloppe comprend de plus une couche de matériau élastomère disposée autour du matériau plastique pour améliorer son étanchéité aux fluides du sondage. Une couche supplémentaire de matériau plastique ren- forcé, entourée elle-même par une autre couche de tissu imprégné de plas- tique plus résilient améliore la résistance à l'usure et aux chocs de l'ensemble. De préférence, les couches de matériau plastique renforcé sont réalisées par des enroulements filamentaires de fibres de verre imprégnées de résine thermodurcissable. Un procédé de fabrication d'une telle enveloppe de sonde comprend les étapes suivantes: - enfiler sur un mandrin monté tournant sur des supports et entre des butées dudit mandrin, une première pièce d'extrémité, un empi- lement d'anneaux de céramique équipés de joints élastiques, et une deu- xième pièce d'extrémité; - comprimer lesdits joints entre les pièces d'extrémité en rapprochant les butées l'une de l'autre par des moyens de serrage; - en faisant tourner ledit mandrin, appliquer,en hélice un enroulement filamentaire de matériau plastique renforcé sur les anneaux, les pièces d'extrémité-et les butées; et - polymériser ledit matériau en maintenant la compression sur lesdits joints. Pendant la polymérisation on fait tourner le mandrin et l'on applique à ses extrémités des forces verticales descendantes pour compenser la flèche créée sur le mandrin par le poids appliqué entre les supports. Le procédé de fabrication comprend de plus une étape d'enrobage d'une couche d'élastomère autour de l'enroulement filamentaire, et une étape d'application d'un autre enroulement filamentaire de matériau plastique renforcé autour de la couche d'élastomère. Enfin une autre étape consiste à enrouler une couche de tissu imprégné de matière plastique plus résiliente autour de l'enroulement filamentaire extérieur pour un meilleur amortissement des chocs et une meilleure résistance à l'abrasion. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure. 1 représente une sonde de diagraphie équipée d'une enveloppe selon l'invention et représentée dans un sondage; - la figure 2 est une coupe longitudinale de l'enveloppe de sonde selon l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective des anneaux internes utilisés dans l'enveloppe de la figure 2; - les figures 4A à 4D sont des coupes longitudinales de plusieurs configurations des Joints placés entre les anneaux internes de l'enveloppe pour différentes conditions de fabrication et d'utilisation de l'enveloppe; et - la figure 5 est un schéma du dispositif de fabrication utilisé pour l'enveloppe de la figure 3. En référence à la figure 1, un appareil de diagraphie comprend une sonde 10 suspendue à l'extrémité d'un câble 12 dans un sondage 13 qui traverse des formations 14. La sonde 10 peut!être déplacée le long du sondage 13 par un treuil (non représenté) sur-lequel s'enroule le câble 12. Un équipement de surface 15 fournit de l'énergie électrique à la sonde 10 par des conducteurs du câble et traite les informations mesurées provenant de cette sonde. Ces informations sont enregistrées en fonction de la profondeur de la sonde 10, laquelle est obtenue en détectant les déplacements du câble au moyen d'un dispositif de mesure de profondeur 16. La sonde 10 est par exemple du type décrit dans le brevet français No. 2 404 235 (inventeurs: S. Huchital et J. Tabanou) pour déterminer la constante diélectrique et la conductivité des formations. La sonde comprend une enveloppe supérieure métallique 17 contenant des circuits électroniques et une enveloppe inférieure 18 selon l'invention fixée à l'extrémité de l'enveloppe supérieure 17. Comme expliqué dans le brevet mentionné ci-dessus, l'enveloppe 18 contient des capteurs électromagnétiques formés par des bobines ou des antennes et comprenant un émetteur T, deux récepteurs proches RI et R2 et deux récepteurs éloi- gnus R3 et R4. L'atténuation d'amplitude entre les signaux détectés par les récepteurs R1 et R2 et le déphasage entre les signaux détectés par les récepteurs R3 et R4 sont combinés pour fournir la constante diélee- trique et la conductivité électrique des formations. Comme les capteurs sont des bobines ou antennes émettrices ou réceptrices d'énergie élec- tromagnétique, l'enveloppe 18 qui les contient doit être non conductrice. Une enveloppe perfectionnée selon l'invention est représentée sur la figure 2. En référence à la figure 2, l'enveloppe 18 est représentée sans parties internes telles que capteurs, cablage ou circuits électro- niques et sans les têtes de raccordement vissées aux extrémités pour assurer les liaisons mécaniques et électriques avec les éléments de sonde adjacents 17 et 20. Ces têtes de raccordement de type classique ne font pas partie de l'invention et ne seront pas décrites ici. Ces tètes de raccordement se vissent dans des pièces d'extrémité supérieure 21 et inférieure 22 traversées par des alésages axiaux 23 et 24 munis respectivement de taraudages. Entre les pieèces d'extrémité 21 et 22 est disposé le long de l'axe 25 de l'enveloppe un empilement d'anneaux 26 en céramique formée par certains oxydes métalliques frittés, comme par exemple de l'alumine. Ces anneaux définissent tout le long de l'enveloppe dans le prolongement des alésages 23 et 24, une cavité 27 dans laquelle sont disposés, sur un support interne, les captèurs électromagnétiques T et Pa à R4o Les eapl teurs électromagnétiques pourraient aussi tre des bobines ou antennes réalisées sur la surface externe de certains des anneaux de céramique 26 et protégées par les couches de résine entourant ces anneaux. Les anneaux 26 sont séparés les uns des autres par des joints 28 en élastomère, par exemple en néoprène, intercalés en bride dans des gorges périphériques 30 découpées à la partie supérieure de chaque anneau (figure 3). Les faces internes des gorges 30 forment ainsi des épaulements qui maintiennent en place les Joints 28 de façon centrée par rapport aux anneaux. La hauteur des anneaux est de l'ordre de 0,5 à 1 fois leur diamètre pour obtenir un empilement suffisamment flexible avec un coût raisonnable. Les figures 4A et 4B représentent la configuration des joints 28 lors de deux étapes de la fabrication de l'enveloppe. Les figures 4C et 4D représentent la configuration des Joints 28 lorsque- l'enveloppe est à la pression atmosphérique (figure 4C) et lorsqu'elle est soumise à la pression hydrostatique élevée au fond d'un sondage (figure 4D). Les joints 28 dont l'épaisseur e au'repos est plus élevée que la hauteur h des gorges 30 (figure 4A), sont choisis de façon à empocher le contact entre les faces des anneaux successifs lorsque l'enveloppe est soumise à une faible pression extérieure, c'est-à-dire notamment lors des manipulations de surface de l'appareil avant son introduction dans un sondage. Les anneaux sont alors espacés d'une faible distance d2 (figure 4C). ibutefois-, sous l'effet d'une forte compression comme celle qui est appliquée au fond du sondage à l1enveloppe 18 remplie d'air à la pression - atmosphérique, les Joints peuvent être écrasés élastiquement à un point tel que les faces des anneaux successifs soient en contact (distance d3 = 0, figure 4D). L'enveloppe est alors beaucoup plus fragile mais les chocs sont nettement moins violents car ils sont amortis par les fluides du sondage dans lesquels plonge l'appareil. Comme on le verra par la suite, les Joints 28 sont par construction soumis à une précontrainte de compression (figure 4B). Par suite de l'élasticité de l'élastomère, cette précontrainte s'applique aux faces opposées des anneaux de céramique qui sont ainsi maintenus en place fermement mais élastiquement. Les Joints 28 ont ainsi une double fonction de maintien en compression des anneaux en céramique et d'amortissement des chocs. Les pièces d'extrémité 21 et 22 comportent un logement dans lequel viennent s'emboîter les premiers anneaux de céramique. Du c8té des anneaux 26 chaque pièèe d'extrémité comporte une surface conique 31 dans laquelle sont découpées des rainures circulaires pour une meilleure adhérence entre ees pièces et une première couche 33 réalisée autour des anneaux 26. Cette première couche 33 est constituée par une résine thermodurcissable renforcée et de préférence par un enroulement filamen- taire en hélice de mèches de fibres de verre imprégnées d'epoxy. 47' i 285 L'enroulement est réalisé avec un pas important de façon à offrir une résistance à la traction élevée. Autour de la première couche 33 est réalisée une deuxième couche 34 formée par un enrobage d'élastomère tel que le néoprène. Cette couche qui se prolonge jusqu'aux pièces d'extré- mité 21 et 22 améliore l'étanchéité de l'enveloppe aux fluides du sondage qui pourraient à la longue contaminer par hydrolyse la couche de résine. Autour de la deuxième couche 34 est disposée une troisième couche 35 réalisée de la même façon et avec le même matériau epoxy et fibres de verre que la première couche 33. En outre une quatrième couche 36 constituée par un tissu en fibres de verre imprégné avec une résine plus résiliente comme par exemple de l'epoxy est disposée autour de la troisième couche. Cette résine plus résiliente convient mieux pour l'amortissement des chocs et le tissu résiste mieux à l'abrasion qu'un enroulement filamentaire. Les extrémités des troisième et quatrième couches usinées sous forme conique reçoivent des frettes métalliques 37 et 38 pour renforcer ces extrémités. Les différentes couches se combinent pour fournir une enveloppe non conductive, résistant aux chocs et aux pressions et présentant une bonne étanchéité. Les anneaux de céramique 26 résistent à la compression radiale et axiale due à la pression des sondages qui peut dépasser 1500 bars. Par contre, ces anneaux ont une très faible résistance à la traction et aux chocs. Les efforts longitudinaux de traction qui sont appliqués aux pièces d'extrémité 21 et 22 sont supportés par la première couche 33 d'epoxy et de fibres de verre fermement fixée aux pièces d'extrémité grâce aux surfaces coniques 31 et aux rainures circulaires. La couche 34 de néoprène améliore la résistance de l'enveloppe à la dégradation des fluides du sondage. Les couches extérieures 35 et 36 protègent la couche 34 et améliorent la résistance aux chocs. Dans un mode de réalisation, on a obtenu de bons résultats pour une enveloppe de diamètre extérieur 115 mm dans laquelle les anneaux d'alumine avaient 5 mm d'épaisseur et 60 mm de hauteur, la première cou- che 33 en résine 6 mm d'épaisseur, la deuxième couche 34 en élastomère 1, 5 mm, la troisième couche 35 en résine 5,5 mm et la couche 36 externe 1,5 mm. - 47i285 Pour la fabrication de cette enveloppe une précontrainte de compression est appliquée aux anneaux de céramique comme représenté sur la figure 5. Sur un mandrin 40 monté tournant sur des supports à rouleaux 41-42 est disposée une butée fixe 43 adaptée à recevoir la pièce d'ex- trémité 21. Sur le mandrin 40 on enfile la pièce d'extrémité 21 puis les anneaux d'alumine 26 avec leurs joints 28. L'ensemble présente alors la configuration de la figure 4A. A l'extrémité droite de la série d'anneaux on enfile la pi7ece d'extrémité 22 puis une butée mobile 44 que l'on visse sur un filetage du mandrin en comprimant les joints comme représenté sur la figure 4B. On applique ensuite la première couche 33 en enroulant en hélice sur l'ensemble précédemment réalisé les mèches de fibres de verre imprégnées d'epoxy avec un pas relativement élevé pour mieux résister à la traction. L'enroulement est obtenu par de nombreux allers et retours, en tournant à chaque extrémité autour des butées 43 et 44. Pendant la- polymérisation on maintient la compression sur les joints et l'on fait tourner le mandrin 40 en appliquant sur ses extrémités des forcqs descen- dantes par des dispositifs à rouleaux 45-46 afin de compenser la flèche créée par le poids suspendu entre les supports 41-42. Après polymérisa- tion, on découpe l'epoxy entourant les butées 43 et 44 et l'on usine la couche 33 au diamètre voulu. On procède alors à l'enrobage de la couche d'élastomère 34. Un deuxième enroulement filamentaire similaire au pre- mier est réalisé pour constituer la couche 35 et, après usinage au diamètre désiré, on enroule. la dernière couche 36 de tissu imprégné d'epoxy. On usine en forme de e8ne les extrémités de l'enveloppe et les frettes 37 et 38, enduites de colle, sont montées à force sur ces extré- mités coniques. L'enveloppe est alors prête à recevoir les têtes de raccorde- ment des extrémités et le support interne des capteurs. On a ainsi réalisé une enveloppe non conductrice qui satisfait aux exigences de résistance aux conditions d'environnement -que l'on rencontré au cours des opérations dans-les forages. L'enveloppe qui vient d'être décrite peut évidemment faire l'objet de nombreuses variantes sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Enveloppe de sonde-pour appareil de diagraphie, adaptée à recevoir des capteurs pour l'acquisition de mesures dans les sondages comprenant: - des pièces d'extrémité pour permettre le raccordement de l'enveloppe; - un empilement d'anneaux de céramique disposés coaxiale- ment entre les pièces d'extrémité pour former un cylindre résistant à la pression du sondage, ledit cylindre étant adapté à recevoir lesdits capteurs;'et - une couche de matériau plastique renforcé disposée à l'extérieur de l'empilement d'anneaux entre les pièces d'extrémité pour résister aux efforts longitudinaux appliques aux pièces d'ex- trémité; caractérisée en ce qu'elle comprend de plus - des joints élastiques disposés entre lesdits anneaux et maintenus en compression par ladite couche de matériau plastique pour empêcher un contact direct entre les faces des anneaux succes- sifs et appliquer une force de compression axiale auxdits anneaux lors des manipulations en surface de l'enveloppe. 2. Enveloppe de sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits joints est maintenu en place de façon een- trée par rapport auxdits anneaux par un épaulement circulaire réalisé sur une face d'extrémité de chaeun desdits anneaux. 3. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une couche de matériau élastomère disposée autour de ladite couche de matériau piastique pour améliorer la résistance de la couche de matériau plastique à la détérioration des fluides du sondage. X477285 4. Enveloppe de sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une couche supplémentaire de matériau plastique renforcé disposée autour de la couche de matériau élastomère pour protéger cette dernière. 5. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche externe en matériau plastique plus résiliente pour améliorer la résistance aux chocs de ladite enveloppe. 6. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en 'ce que les anneaux de céramique sont réalisés en alumine frittée. 7. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce que la couche de matériau plastique renforcé est réalisée par un enroulement filamentaire en hélice de fibres imprégnées de résiné thermodurcissable. 8. Enveloppe de sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'enroulement filamentaire est effectué avec un pas élevé - hoisi pour mieux résister aux efforts de traction qui peuvent 'etre rencontrés dans les sondages. 9. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisée en ce qu' au moins l'un desdits capteurs est réa- lisé sur la surface externe d'un desdits anneaux de céramique protégé par ladite couche de matériau plastique renforcé. 10. Enveloppe de sonde selon l'une des revendications précé- dentes; caractérisée en ce que lesdits anneaux ont une hauteur comprise entre 0,5 et 1 fois leur diamètre. 11. Procédé de fabrication d'une enveloppe de sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - enfiler sur un mandrin monté tournant sur des supports et entre des butées dudit mandrin, une première pièce d'extrémité, un empilement d'anneaux de céramique équipés de joints élastiques, et une deuxième pièce d'extrémité; - comprimer lesdits joints entre les pièces d'extrémité en rapprochant les butées l'une de l'autre pa des moyens de serrage; - en faisant tourner ledit mandrin, appliquer en hélice un enroulement filamentaire de matériau plastique renforcé sur les an- neaux, les pièces d'eitrémité et les butées; et - polymériser ledit matériau en maintenant la compression sur lesdits joints. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, carac- térisé en ce qu'il comprend de plus, pendant la polymérisation, l'étape consistant à faire tourner le mandrin et à appliquer à ses extrémités des forces verticales descendantes pour compenser la flèche.créée sur le mandrin par le poids appliqué entre les supports pour obtenir une enveloppe plus rectiligne. 13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'étape d'application de l'enroulement est effectuée avec un pas élevé pour mieux résister à la traction. 14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une étape d'enrobage d'une couche d'élastomère autour dudit enroulement filamentaire de matériau plastique. 15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, carac- térisé en ce qu'il comprend une étape d'application d'un enroulement filamentaire supplémentaire de matériau plastique renforcé autour de ladite couche d'élastomère. 16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, carac- térisé en ce qu'il comprend de plus une étape consistant à enrouler une couche de tissu imprégné de matière plastique plus résiliente autour de l'enroulement filamentaire supplémentaire pour un meilleur amortissement des chocs. 17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que l'étape d'application d'un enroulement filamentaire d'épaisseur prédéterminée consiste à enrouler une couche d'une épaisseur supérieure à l'épaisseur prédéterminée et à usiner ladite couche après polymérisation jusqu'à l'épaisseur pré- déterminée.