Brevet FR2521210A1 — publié le 19830812

I L'invention concerne d'une façon générale le forage et l'étude de sondages, et plus particulièrement un instrument de fond de trou et des procédés de fabrication et d'utilisa- tion de cet instrument. Dans le forage de puits de pétrole et d'autres sondages réalisés dans le sol, il est parfois nécessaire de déterminer la position de l'outil de forage ou la position précise du trou à une distance importante audessous de la surface du sol A cet effet, une sonde de mesure est insérée dans le trou _ et des données provenant de cette sonde sont analysées à la surface pour déterminer la position de la sonde Il est également souhaitable de déterminer la direction dans laquelle le fora- ge progresse et de maîtriser cette direction. Dans l'équipement de mesure en fond de trou utilisé jus- qu'à présent, la sonde comprend généralement un corps rigide et allongé comportant une coque métallique rigide Des sondes de ce type sont incapables de négocier des coudes de rayon re- lativement faible (par exemple un rayon de 15 à 30 cm dans un trou d'un diamètre de l'ordre de 19 à 25 mm) et elles ne peu- vent donc être utilisées dans certains trous. Des outils ont été également prévus pour couper et sec- tionner des colonnes, des tiges de forage et des tubages dans un sondage De tels outils comportent généralement une ou plu- sieurs charges explosives mises à feu à distance, montées dans un corps rigide et allongé Des outils de ce type sont soumis aux mêmes limitations et inconvénients que les instruments de mesure et de diagraphie utilisés jusqu'à présent, par le fait qu'ils ne peuvent négocier des coudes de rayon relativement faible et qu'ils ne conviennent pas à une utilisation dans certains trous. L'invention a pour objet général un instrument de fond de trou perfectionné, et des procédés de fabrication et d'uti- lisation de cet instrument. L'invention a pour autre objet un instrument et des pro- cédés du type indiqué ci-dessus, pouvant être mis en oeuvre pour le guidage d'un forage en fond de trou. L'invention a pour autre objet un instrument et des pro- cédés du type indiqué ci-dessus, pouvant être mis en oeuvre pour couper ou sectionner une colonne, un train de tiges de forage et un tubage. L'invention a pour autre objet un instrument et des pro- cédés du type indiqué ci-dessus, convenant à une utilisation dans des trous présentant des coudes de rayon relativement fai- ble. L'invention a également pour objet un instrument du type décrit ci-dessus, dont la fabrication est peu coûteuse. Ces objets, ainsi que d'autres objets, sont obtenus, conformément à l'invention, au moyen d'une sonde allongée et flexible qui est insérée dans un sondage et qui peut négocier librement des coudes de rayon relativement faible présentés par le sondage La sonde comporte un ou plusieurs capteurs, des charges explosives-ou autres, qui sont espacés et noyés dans un corps flexible comprenant une masse de matière d'amor- tissement et une enveloppe extérieure flexible en étoffe à haute résistance à la traction La sonde est entraînée dans un sondage à la manière d'un piston par un fluide sous pres- sion tel que de l'eau ou de l'air, et le corps flexible per- met à la sonde de négocier librement des coudes de rayon rela- tivement faible L'instrumentation destinée au traitement des signaux provenant de la sonde est placée à la surface du sol, et un câble flexible interconnecte cet instrumentation à la sonde. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié d'une forme de réa- lisation du dispositif de mesure de sondage selon l'invention, la sonde flexible étant insérée dans un sondage et négociant un coude; la figure 2 est un schéma simplifié du dispositif de me- sure représenté sur la figure 1; et la figure 3 est une élévation à échelle agrandie, avec arrachement partiel, de la sonde flexible de la forme de réa- lisation montrée sur la figure 1. Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de mesure ou de métrage comprend une sonde flexible allongée il qui est insérée dans un trou 12 à étudier Le trou 212 peut être un sondage réalisé dans le sol, comme représenté, ou tout autre trou allongé, de diamètre limité, par exemple l'ouverture d'un tube ou d'une colonne La sonde présente une section sen- siblement circulaire dont le diamètre extérieur est légère- ment plus petit que le diamètre intérieur du trou; par exem- ple, pour un trou d'un diamètre de l'ordre de 19 à 25 mm, la sonde présente un diamètre de l'ordre de 17,8 à 24 mm La lon- gueur de la sonde est sensiblement supérieure au diamètre et 1 o une sonde d'un diamètre de 17,8 mm peut avoir, par exemple, une longueur de l'ordre de 122 cm. Un câble flexible 16 de diagraphie part axialement d'une extrémité de la sonde et transmet l'énergie électrique et des signaux entre la sonde et un équipement situé à la surface du sol Ce câble est de conception classique et il comporte plusieurs conducteurs électriques flexibles entremêlés avec plusieurs brins de renfort en matière convenable, par exemple en acier inoxydable Le câble est emmagasiné sur une bobine 18 située à la surface du sol et la longueur de câble intro- duite dans le trou est contrôlée par un indicateur 19 de lon- gueur de câble relié à la bobine. A la surface du sol, la sonde est reliée à un microcal- culateur 21 par une unité d'interface convenable 22 Le cal- culateur traite les signaux provenant de la sonde et de l'in- dicateur de profondeur du câble afin de déterminer la posi- tion et/ou l'orientation du trou dans la zone o la sonde se trouve. Comme représenté sur la figure 2, la sonde 1 l porte une certaine charge utile, par exemple trois capteurs 21-23 d'o- rientation qui produisent des signaux électriques correspon- dant aux orientations de ces capteurs par rapport à des axes orthogonaux de référence Dans cette forme de réalisation, l'axe de référence du capteur 21 est aligné avec 1 'axe de la sonde, et les axes des capteurs 22 et 23 sont alignés dans des directions radiales perpendiculaires Les capteurs 21 à 23 peuvent être tous capteurs convenables, de conception connue, y compris des compas à vannes de flux et autres magnétomètres. Le terme "magnétomètre" utilisé ici désigne tout instrument capable de détecter des lignes de flux naturelles ou artifi- cielles, deux types communs de magnétomètres étant les dis- positifs à effet Hall et les dispositifs à transformateurs à vannes de flux D'autres capteurs convenables comprennent des gyroscopes et d'autres dispositifs à inertie Les cap- teurs 21-23 sont reliés au câble 16 par l'intermédiaire d'un module 26 à énergie électrique et conditionnement de signaux, se trouvant dans la sonde La sonde comporte également un inclinomètre 27 qui produit un signal correspondant à l'orien- 1 l O tation de la sonde par rapport à un axe de pente Si cela est souhaité, des inclinomètres supplémentaires peuvent être utilisés pour fournir d'autres informations telles que l'an- gle d'inclinaison de l'outil Des inclinomètres convenables comprennent des accéléromètres, des niveaux électrolytiques 1 S et des dispositifs à pendules Les connexions électriques en- tre-le câble, le module d'énergie et de conditionnement de signaux et les éléments situés à l'intérieur de la sonde sont réalisées au moyen d'un connecteur 28 de conception connue convenable. Les capteurs 21-23, le module 26, l'inclinomètre 27 et le connecteur 28 sont espacés le long de l'axe de la sonde Il et sont interconnectés par des conducteurs électriques flexi- bles 31 En variante, les composants électriques peuvent être réalisés sur une plaquette à circuit flexible, ou sur une pla- quette comprenant plusieurs tronçons rigides relativement courts, interconnectés-par une ou plusieurs sections flexibles. Ces éléments sont logés à l'intérieur d'une enveloppe allon- gée et flexible 32 à haute résistance à la traction L'enve- loppe est fermée et fixée sur un embout 33 en acier inoxyda- ble au moyen d'un collier 34, à l'extrémité distale de la son- dé, et l'extrémité proximale de l'enveloppe est fixée par un collier 35 sur le connecteur 28 et donc au câble 16 de dia- graphie. Dans une forme actuellement préférée de réalisation, l'en- veloppe 32 est constituée d'un tissu ou d'une tresse de fibres ayant une grande résistance à la traction, par exemple une résistance à la traction supérieure à celle de l'acier inoxy- dable, de préférence 1750 M Pa ou plus Une étoffe actuellement préférée est constituée d'une fibre de polyamide aromatique produite par la firme Du Pont sous la marque "Kevlarl Cette fibre présente une résistance à la traction de l'ordre de 2800 M Pa D'autres fibres convenables à haute résistance à la traction peuvent également être utilisé-es, parmi lesquelles des fibres de graphite, des fibres de verre, des fibres de "Nylon" et des fibres de bore. L'intérieur de l'enveloppe 32 est rempli d'une masse de matière flexible et électriquement isolante 36 qui entoure les capteurs et autres composants électriques et constitue un cous- sin amortisseur pour ces éléments Cette matière et l'envelop- pe extérieure forment un corps flexible qui peut négocier li- brement des coudes de rayon relativement faible présentés par le sondage Des matières convenables comprennent des silicones et d'autres caoutchoucs synthétiques tels qu'un polyuréthanne du type O Devcon" (marque commerciale) ou un caoutchouc sili- coné vendu sous la marque "Silastic" La matière flexible peut être de forme solide ou de forme fluide Des matières fluides convenables comprennent des silicones et des fluorocarbures ayant une constante diélectrique élevée et une faible pression de vapeur Le fluide peut se présenter sous la forme d'un gel et il présente avantageusement une viscosité relativement éle- vée Un fluide qui convient particulièrement est un polymère du type silane connu sous l'appellation "Dow Corning 200 " En variante, lorsqu'une matière d'amortissement solide est uti- lisée, l'enveloppe d'étoffe peut être supprimée et des fibres peuvent être noyées axialement dans la masse de matière afin d'apporter la résistance à la traction désirée, auquel cas il est souhaitable que les fibres puissent se déplacer axiale- ment à l'intérieur de la masse de matière afin d'empêcher l'écrasement du corps lorsqu'il est coudé. La surface extérieure de l'enveloppe 32 peut être enduite d'une matière présentant des propriétés lubrifiantes telle que du polytétrafluoréthylène ("Téflon"), qui facilite le passage libre de la sonde dans le sondage Une bague flexible 41 d'é- tanchéité est fixée à la paroi extérieure du corps, à proximité de son extrémité proximale, afin de faciliter l'entraînement de la sonde dans un sondage, comme décrit ci-après Le diamètre extérieur du joint est choisi de façon que le joint réalise un contact étanche et glissant avec la paroi intérieure de l'ouverture dans laquelle la sonde doit être utilisée, et des joints de différentes dimensions et de différentes formes peuvent être montés de façon interchangeable sur des envelop- pes de différents diamètres Des canaux d'écoulement (non re- présentés) peuvent être formés en dérivation du joint pour empêcher la formation d'un vide en arrière de la tête de la sonde pendant qu'elle est retirée du trou. Dans un procédé actuellement préféré de fabrication, les composants électriques de la sonde sont connectés les uns aux autres et suspendus verticalement au câble 16, dans la dispo- sition espacée souhaitée L'enveloppe 32 est disposée coaxia- lement à ces composants, l'extrémité ouverte de l'enveloppe étant tournée vers le haut Du caoutchouc silicone fluide est ensuite versé à l'intérieur de l'enveloppe pour former le corps flexible Le connecteur 28 est mis en place et connecté électriquement aux conducteurs de la sonde et aux conducteurs du câble-16, l'extrémité ouverte de l'enveloppe est serrée autour du connecteur et le collier 33 est posé. Dans le cas d'une matière d'amortissement solide, cette matière peut être formée autour des composants électriques, en une ou plusieurs couches successives, les couches adjacen- tes étant réalisées de façon à pouvoir se déplacer quelque peu les unes par rapport aux autres Les composants et la matière d'amortissement sont ensuite insérés dans l'enveloppe d'étoffe, d'un seul bloc. Lors de l'utilisation, la sonde Il est insérée dans le tronçon supérieur du trou à étudier ou forer, et un fluide sous pression (par exemple de l'eau ou de l'air) est intro- duit dans le trou, au-dessus de la sonde, afin de la faire des- cendre dans le trou, à la manière d'un piston, le joint 41 as- surant l'étanchéité entre le corps de la sonde et la paroi du tubage ou de toute autre ouverture dans laquelle la sonde est insérée Dans le cas o du fluide est retenu dans le trou en avant de la sonde, il peut être éliminé par tous moyens con- venables, par exemple en étant pompé hors du trou, en étant retiré du trou au moyen du câble ou en étant refoulé dans la formation entourant le trou Lorsque la sonde atteint un coude de trou, le corps fléchit et la sonde négocie librement le coude Comme décrit précédemment, la sonde peut franchir des coudes de rayon relativement faible, par exemple un coude d'un rayon de 15 cm dans un trou ayant un diamètre de 19 à 25 mm. La sonde est retirée du trou par application d'une traction au câble de diagraphie. En raison de son diamètre relativement faible, la sonde il convient également à une utilisation dans le guidage d'un dispositif de forage de fond de trou Dans cette application, la sonde est montée dans le corps du moteur de forage propre- ment dit ou dans un canal d'écoulement de fluide proche de la tête de forage, et le câble 16 aboutit à la surface en pas- sant dans le canal d'écoulement de fluide ou dans tout autre canal convenable ménagé dans le tubage du puits A la surface, les signaux provenant de la sonde sont traités et utilisés pour commander la direction de l'outil de forage. En plus des capteurs de direction, la charge utile ou instrumentation renfermée dans la sonde peut comprendre d'au- tres capteurs destinés à d'autres fonctions de diagraphie, par exemple des capteurs destinés'à la mesure de la tempéra- ture, de la pression, du rayonnement nucléaire, de la con- centration des ions hydrogène, et des instruments destinés à la mesure des caractéristiques de la formation en cours de forage. L'invention convient également à des outils destinés à couper ou sectionner des tiges de forage, des colonnes et/ou des tubages dans un sondage Un outil de ce type, réalisé selon l'invention, est similaire à l'instrument des figures 1 à 3, des charges explosives, mises à feu électriquement, étant utilisées à la place des capteurs 21-23 Les explosifs peuvent être tous explosifs convenables de composition con- nue, par exemple des explosifs en pastilles ou plastiques, tels que "C 3 " ou "RDX" Des signaux électriques de mise à feu sont appliqués aux explosifs par le câble 16 et les con- ducteurs électriques situés à l'intérieur de la sonde Les charges sont disposées de manière à produire tout type d'ac- tion de coupe demandé, par exemple une explosion concentrée pour sectionner une tête de forage de l'extrémité d'un tube, ou une série d'explosions pour réaliser une perforation sui- vant une ligne au passage de la sonde. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la sonde de fond de trou et aux procédés de fabrication et d'utilisation de cette sonde, décrits et re- présentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Instrument destiné à transporter une charge utile dans un sondage ( 12) formé dans le sol, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe ( 32) allongée axialement, en matière flexible ayant une grande résistance à la traction, une masse allongée ( 36) de matière flexible d'amortissement entourant la charge utile et remplissant l'enveloppe pour former un corps flexible pouvant être propulsé dans le sondage à la ma- nière d'un piston par un fluide sous pression et pouvant né- gocier des coudes, de rayon relativement faible, du sondage, et un câble flexible ( 16) qui part axialement d'une extrémité du corps et qui est fixé à l'enveloppe de matière flexible afin de transmettre des signaux entre la charge utile et la surface du sol. 2 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge utile comprend plusieurs capteurs ( 21-23) espacés axialement à l'intérieur du corps flexible pour pro- duire des signaux électriques d'information. 3 Instrument selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins l'un des capteurs est choisi parmi des magné- tomètres,-des accéléromètres, des gyroscopes et des dispo- sitifs à inertie. 4 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge utile comprend un explosif mis à feu par des signaux appliqués au câble. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe est réalisée en étoffe. 6 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe est réalisée dans une étoffe comprenant des fibres choisies dans le groupe constitué de fibres de polyamides arquatiques, des fibres de verre, des fibres de graphite, des fibres de bore, des fibres de "Nylon" et des associations de ces fibres. 7 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière d'amortissement comprend un caoutchouc si- liconé. 8 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière d'amortissement est à l'état fluide. 9 Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface extérieure de l'enveloppe est revêtue d'une matière ayant des propriétés lubrifiantes - Procédé de fabrication d'un instrument à utiliser dans un sondage ( 12) formé dans le sol, caractérisé en ce qu'il consiste à espacer plusieurs éléments ( 21-23), formant une charge utile, le long d'un axe, à interconnecter ces élémnts au moyen de conducteurs électriques flexibles ( 31), à connec- ter un câble flexible ( 16) aux éléments de la charge utile pour transmettre des signaux entre ces éléments et la surface du sol, à placer une enveloppe ( 32) en matière flexible, à haute résistance à la traction, autour des éléments de la charge utile et des conducteurs, à fixer le câble à l'enve- loppe flexible, et à remplir l'enveloppe d'une masse ( 36) de matière flexible d'amortissement qui entoure les éléments de la charge utile et les conducteurs pour former une sonde flexible capable de négocier des coudes, de rayon relative- ment faible, du sondage. 11 Procédé de transport d'une charge utile ( 21-23) dans un trou ( 12) de diamètre limité et présentant au m 9 ins un cou- de de rayon relativement faible, caractérisé en ce qu'il con- siste à envelopper la charge utile dans un corps flexible et allongé renfermant une masse ( 36) de matière d'amortissement, à introduire le corps dans le trou, à déplacer le corps le long du trou et le faire passer dans le coude, le corps flé- chissant librement lorsque l'instrument négocie le coude, et à faire avancer le corps le long du trou jusqu'à ce que la charge utile arrive dans une position souhaitée. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps est entraîné dans le trou à la manière d'un piston par introduction d'un fluide sous pression dans le trou, au-dessus du corps. 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la charge utile comprend un instrument destiné à ef- fectuer un relevé, des données provenant de cet instrument étant transmises hors du trou. 14 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la charge utile comprend un outil de coupe à explosif, le trou étant formé dans une colonne placée dans un sondage ménagé dans le sol et l'explosif étant mis à feu lorsque l'ou- til occupe une position prédéterminée dans la colonne, afin de couper cette dernière.