Brevet FR2545535A1 — publié le 19841109

La présente invention est relative à un dispositif pour transmettre en surface les signaux d'un émetteur situé à grande profondeur. Le problème se pose souvent dans la.pratique, en particulier dans les forages de recherche des gisements pétrolifères, de-transmettre en surface à la cabine de contrôle du chantier des informations fournies par des capteurs situés au fond du puits de forage et concernant la pression au fond, la densité de la boue, la température ou d'autres paramètres utiles. Pour la résolution de ce problème, on a déja proposé de disposer dans la masse-tige du'train de tiges, c'est-à-dire dans la tige supportant le trépan de forage, un émetteur relié au capteurs et destiné à transmettre en surface les informations recueillies par ces derniers. On connait déjà des dispositifs dans lesquels l'antenne émettrice est constituée par un élément métallique formé par un tronçon de la masse-tige proprement dite, isolé de cette dernière et relié à elle par un élément de liaison mecanique en matière isolante. C'est ainsi, par exemple, que dans une thèse passée à l'Université de Lille en 1969 par Monsieur Clarisse, il a été proposé de diviser le train de tiges, au niveau de la dernière masse-tige, en deux tronçons séparés par un pont en matière isolante et entre lesquels on établit une différence de potentiel électrique alternative de fréquence déterminée 9 la partie infé rieurs de la masse-tige forme alors une antenne et le tronçon supérieur, raccordé par vissage aux tiges supérieures, constitue un axe qui guide vers la surface du sol une onde électromagnétique susceptible de transmettre a distance les signaux fournis par les capteurs de télémesure situes au fond du puits de forage. On retrouve également un système de ce type dans l'article intitulé "Second-generation MWD tool" publié le 21 fevrier 1983 dans la revue intitulee : Oil & GaS Journal, en particulier dans le dernier paragraphe de la page 86 de cette publication. Ce système présente le grave inconvénient que pour assurer la liaison isolante des deux tronçons métalliques de la masse-tige, il est nécessaire d'utiliser une frette ou pont isolant diminuant la solidité mécanique de la masse-tige soumise, comme on le sait, à d'importants efforts de torsion et de ci s ai Il ement. Par ailleurs, un tel système est absolument inutilisable lorsqu'il est question de transmettre des informations depuis une masse-tige plongeant dans une boue de forage à l'huile, essentiellement isolante en soi. La présente invention remédie à ces inconvénients, en même temps qu'elle permet en outre de fournir des informations depuis le fond du puits de forage par l'intermédiaire d'une antenne de type particulier portée par la masse-tige, ce sans provoquer d'affaiblissement mécanique de cette dernière et tout en permettant de transmettre les signaux depuis le fond du trou de forage, même lorsque la masse-tige baigne dans une boue à l'huile qui est isolante en elle-meme. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'une antenne permettant également la mesure de la résistivite des terrains au fond du puits. Selon l'învention, l'antenne emettrice, reliée électriquement à l'émetteur situé de façon connue à l'intérieur de la masse-tige conjointement avec les capteurs lui fournissant les parametres à transmettre, est constituée par un manchon métallique cylindrique de plus grand diamètre et de plus courte longueur que la masse-tige et qui est enfilé coaxialement sur elle en étant séparé de cette derniere par une enveloppe isolante enrobant la masse-tige jusqu'a une certaine distance de ses extrémités. Selon une caractéristique de l'invention, l'enveloppe isolante qui enrobe la masse-tige est plus longue que le manchon cylindrique constituant l'antenne emettrice. Selon une autre caractéristique de l'invention, le manchon cylindrique est subdivisé, sur son côté voisin du trépan, pour former, à la partie inférieure de la masse-tige, une bague métallique de faible hauteur qui n'est reliée électriquement à l'émetteur que lorsque ce dernier est lui-même decouplé électriquement de l'autre partie du manchon. Cette bague de faible hauteur permet de mesurer la résistivité du terrain sensiblement au fond du puits, mesure pratiquement impossible jusqu'à présent. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui, comparativement au système connu également illustré, représentent deux modes d'exécution préférés du dispositif conforme à l'invention. Sur ces dessins La Fig. 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un dispositif connu de transmission de signaux depuis le fond d'un puits de forage ; La Fig. 2 est une vue schématique, en coupe longitudinale axiale, du dispositif conforme à l'invention ; La Fig. 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle, illustrant la liaison électrique entre le manchon cylindrique métallique servant d'antenne et la sortie de l'émetteur symbo-lisée par une flèche ; La Fig. 4 est une vue d'une variante de réalisation du dispositif illustre à la Fig. 2, le manchon étant subdivisé pour former, à la partie inférieure, une bague métallique pouvant être reliée au dispositif de mesure logé dans la masse-tige, notamment pour mesurer la résistivité du terrain au niveau de profondeur atteint par le forage du puits ;; La Fig. 5 est un schema électrique équivalent du système dans lequel la résistance Rs est la résistance de fuite dépendant de la longueur d illustrée à la Fig. 2 ; Dans le système MWD connu (Measurement - While - drilling) connu, qui est illustre à la figure 1, la masse-tige du train de tiges, désignée par la référence générale 1 est vissée de façon connue à sapartie supérieure à la tige suivante non représentée du train de tiges et porte, à sa partie inférieure, le trépan 2 représenté schématiquement avec ses molettes de forage 3. La masse-tige I est, dans ce dispositif, subdivisée en un tronçon supérieur 4 et un tronçon inférieur 5 accouplés mecaniquement entre eux par un élément d'assemblage annulaire 6 rea- lisé en un matériau isolant. Dans cette réalisation, les cap- teurs, schématisés dans leur ensemble par les références 7 et 8, sont maintenus en place, dans la partie inférieure 5 de la masse-tige, par un élément métallique 9 qui assure la liaison électrique de l'émetteur avec la partie 5 formant antenne. L'émetteur modulateur est également électriquement relié à la partie supérieure de la masse-tige qui, quant à elle, est en liaison conductrice avec le reste du train de tiges, à l'aide d'une bague métalliq-ue 10 disposée suivant l'axe de la bague 9, ledit émetteur-modulateur E étant relié également, en ce qui le concerne, aux batteries d'alimentation qui sont schématisées en 11. Un telle réalisation est d'une grande fragilité, du fait que l'élément d'assemblage 6, devant être électriquement isolant, ne peut être réalise qu'en des matières n'assurant pas une solidité satisfaisante de la masse-tige et que, de plus, la partie inférieure de cette dernière, qui sert d'antenne, ne peut, étant donné l'usure importante qu'elle subit, être échangée qu'au prix du remplacement complet de la masse-tige, ce qui entraîne des frais importants de démontage et une perte importante de temps. Cet inconvénient n'existe pas avec le dispositif conforme à l'invention qui se comporte de manière homogène vis-avis des contraintes mécaniques et dont l'antenne est facilement échangeable, ce à un a faible cOÛte Dans une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention, qui est illustrée â titre de simple exemple sur la figure 2 des dessins annexes, on peut voir, schématisés également sous forme de blocs, les différents éléments de l'émetteur E loges dans la masse-tige 12, a l'intérieur d'enveloppes cylindriques étanches calées par des bagues telles que 17 et autour desquelles la boue de forage peut circuler. Quant à l'antenne proprement dite du dispositif, elle est constituée par un manchon métallique cylindrique 13 presentant les qualités physico-chimiques et mécaniques requises pour satisfaire aux contraintes diverses s exerçant au fond du puits de forage (tempe rature, pression, corrosion chimique, abrasion mécanique, etc...), ledit manchon étant monté coaxialement à la masse-tige 12 avec interposition d'une chemise isolante 14 plaquée et immobilisée par tous moyens sur la surface externe de la masse-tige 12, qui n'est ainsi nullement affectée dans sa résistance. Le manchon métallique 13 peut être réalisé en une ou plusieurs pièces, en tôle pleine, perforée, à crevés, en tissu à mai îles métalliques ou analogue, et il peut être partiellement ou totalement noyé dans la chemise isolante 14 entourant la masse-tige 12. La chemise isolante 14 est avantageusement réalisée en une matière appropriée suffisamment résistante, par exemple en caoutchouc siliconé, en élastomères et en résines synthétiques armées de fibres de verre, par exemple. Cette chemise isolante est solidarisée mécaniquement avec la surface externe de la masse-tige 12 elle même opportunément préparée à cet effet par tous moyens convenables permettant d'obtenir une adhérence irréprochable. Selon une caractéristique de l'invention, la massetige 12 et la chemise isolante 14 présentent chacune au moins une perforation destinée au passage d'un conducteur reliant le manchon cylindrique métallique 13 servant d'antenne à la sortie de l'émetteur E qui est incorporé à l'intérieur de la cavité de la masse-tige 12. A l'endroit de cette perforation, la chemise isolante 14 est avantageusement renforcée, suivant l'épaisseur de la masse-tige 12, par un élément isolant 15 pénétrant à l'intérieur de la masse-tige 12, comme illustré a grande échelle à la figure 3, la liaison 16 avec l'metteur E transmettant les signaux des capteurs groupés dans les enceintes C1 et C2 étant symbolisée par la flèche F1. En ce qui concerne l'élément isolant 15 servant au logement du conducteur 16 reliant électriquement la sortie de l'émetteur E avec le manch-on métallique 13 servant d'antenne, il peut venir de matière avec la chemise isolante 14 ou être constitué par un élément rapporté distinct en forme de douille présentant l'allure d'un rivet et comportant un logement permettant la réalisation d'une liaison soudée du conducteur 16 avec le manchon métallique 13 formant l'antenne émettrice. Cet élément rapporté 15 peut, par exemple, être réali sé en un matériau céramique résistant aux chocs et vibrations et à l'usure. La couche isolante 14 doit être réalisée suffisamment mince pour ne pas augmenter par trop, conjointement avec le manchon 13 réalisé également avec une épaisseur relativement faible, le diamètre extérieur de la masse-tige 12 et ne pas perturber les c.onditions de circulation de la boue de forage, qu'elle soit huileuse ou non. Comme on l'a déjà indiqué, la longueur de la chemise isolante 14 doit être inférieure à celle de la masse-tige 12, afin de ménager aux extrémités de celle-ci des zones accessibles à des outils de préhension et de serrage. La longueur standard de la masse-tige étant de 9 mètres, la différence de longueur entre elle et la chemise isolante pourra varier entre 4 et 10 % environ de la longueur totale de la masse-tige 12, ces valeurs n'etant qu'indicatives, nullement limitatives, et pouvant varier en fonction des conditions envisagées pour la manoeuvre du train de tiges et en fonction des qualités diélectriques de la couche isolante 14. Quant au manchon servant d'antenne, il est, ainsi qu'on l'a indiqué, realisé plus court que la couche isolante 14, afin d'éviter les "fuites" à l'extrémité du manchon cylindrique 13 formant antenne et d'empêcher des parasites. Un mode de réalisation avantageux est obtenu à l'aide d'une antenne cylindrique de 5 mètres de longueur et d'une épaisseur de un à 2 mm, par exemple, centree sur une chemise isolante 14 d'une longueur de 8 mètres. Cela laisse subsister, notamment en partie basse, une zone à nu de l'isolant 14 sur une longueur de 150 cm entre le bord de l'isolant et le bord de l'antenne. Cette antenne cylindrique est avantageusement réalisée en un métal résistant aux chocs et à l'abrasion, identique ou non au métal constituant la masse-tige 12. La partie dénudée de l'isolant, qui doit justement présenter une haute résistance à l'abrasion, est indiquée par la distance d à la figure 5 repré- sentant le schéma électrique de l'émetteur dont il sera question plus loin Pour rendre la chemise isolante résistante b l'abrasion, il est avantageux de la réaliser en des élastomères ou des résines armées, par exemple par des fibres de verre. A la figure 4, on a représenté une variante de réalisation du dispositif illustré à la figure 2, variante dans laquelle le manchon métallique 13 est subdivisé mécaniquement et électriquement en deux tronçons cylindriques 13' et 13" de lon- gueur inégale, le manchon 13' formant une bague de faible largeur placée le plus bas possible sur la chemise isolante 14, dans le voisinage du trépan, c'est-à-dire sensiblement au niveau de forage atteint par ce dernier. Comme on le verra, l'émetteur E, non représenté en détail, mais seulement schématisé pour plus de clarte sur la figure 4, peut être alternativement couplé électriquement soit avec le manchon 131 formant antenne d'emission (flèche F1), soit avec la bague inférieure métallique isolée 1311, dont la fonction spéciale sera décrite plus loin. Sur la Fig. 5, qui illustre un schéma électrique équivalent du système, l'émetteur E débite un courant alternatif de basse-fréquence, à travers sa résistance interne Rg, d'une part dans la ligne du train de tiges d'impédance Zc et, d'autre part, dans l'antenne cylindrique 13, dont l'impédance, vis-à-vis des terrains du fond, est désignée par Ra, la résistance R5 étant, ainsi qu'on l'a déjà souligné, la résistance de fuite des courants qui passent directement à travers la boue de forage entre la masse-tige 12 et le manchon cylindrique 13 par dessus la partie de la chemise isolante 12 mise à nu sur la longueur d. Il est important de minimiser ces pertes en donnant a la distance d la valeur la plus élevée possible et a réduire l'impédance d'antenne Ra pour obtenir la meilleure injection de courant, c'est-b-dire à maximiser la hauteur de l'antenne, la solution optimale étant à trouver entre la grandeur maximale de l'antenne et un minimum de courants de fuite. Le dispositif émetteur decrit permet d'envisager un fonctionnement dans les boues à huile, la boue en circulation au fond du puits formant le diélectrique d'un condensateur cylindrique dont l'armature interne est le manchon 13 et l'armature externe le terrain environnant. Cette forme de réalisation permet, notamment a l'aide de la bague 13" (Fig. 4), de mesurer la résistivité des terrains au niveau atteint par le trépan et d'en tirer d'importantes informations pour l'exploitation du forage. Cette résistivité peut être mesurée à partir de l'impédance d'antenne donnée par la formule dans laquelle p désigne la résistivité du terrain, R le rayon du cylindre formant l'antenne et L la longueur de l'antenne cylindrique. On voit donc l'intérêt qu'il y a, pour mesurer avec précision la résistivité sur une faible épaisseur de terrain, de "focaliser" la mesure sur une bande étroite ; c'est la raison de la forme de réalisation de la fig.4 où la bague 13" est réalisée aussi courte que possible et placée le plus bas possible sur la chemise isolante recouvrant la masse-tige 12. Cette bague 13' étant électriquement isolée du manchon cylindrique 13' formant l'antenne normale, on peut très facilement mesurer son impédance Ra par rapport au sol. On a indiqué plus haut que le manchon métallique 13 pouvait être scindé à sa partie inférieure pour former une bague 13 utilisée spécialement, avec découplage électrique de la partie cylindrique supérieure 13', pour mesurer la résistivité de la zone de terrain atteinte par le trépan au fond du puits de forage. il est toutefois parfaitement possible, selon une autre caractéristique de l'invention, de réaliser le manchon métallique 13, fixé sur l'enveloppe isolante 14 recouvrant la masse-tige 12, sous la forme d'une pluralité de bagues ou anneaux cylindriques placés à coté l'un de autre à faible intervalle, la sortie de l'émetteur pouvant, à l'aide d'un dispositif programmable de commutation, être reliée à l'un ou plusieurs desdits anneaux pour fournir la mesure capacitive désirée. Il est ainsi possible, en reliant chaque fois un seul de ces anneaux au dispositif de mesure de la résistivité du terrain, d'effectuer une telle mesure å plusieurs niveaux sur pratiquement la hauteur de la masse-tige. Il va de soi que le dispositif n'a été décrit et représenté qu'à titre purement explicatif, nullement limitatif, et que diverses modifications de détail pourraient être apportées aux formes de réalisation indiquées sans qu'on sorte pour autant du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour transmettre en surface les signaux d'un émetteur situé à grande profondeur et pour mesurer la resistivité du.terrain au fond à proximité dudit émetteur,comprenant notamment un émetteur qui est logé dans la masse-tige d'un train de tiges de forage et transmet des signaux de mesure à une antenne associée audit émetteur, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que l'antenne électriquement reliée à l'émetteur (E) est constituée par un manchon métallique cylindrique (13) de plus grand diamètre et de plus courte longueur que la masse-tige (12) et qui est enfilé coaxialement sur elle en étant séparé de cette dernière par une enveloppe isolante (14) entourant ladite masse-tige (12) jusqu'à une certaine distance de ses extrémités. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe isolante (14) entourant la massetige (12) est plus longue que le manch-on cylindrique (13)constituant l'antenne émettrice. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le manchon cylindrique (13)- est subdivisé, sur son côté voisin du trépan (2, 3), pour former, b la partie inférieure de la masse-tige (12), une bague métallique (13") de faible hauteur qui n'est reliée électriquement à l'émetteur (E) que lorsque ce dernier est lui-même découplé électriquement de l'autre partie (13') du manchon. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la chemise isolante (14) est réalisée en une matière appropriée suffisamment résistante, par exemple en caoutchouc siliconé, en élastomères et en résines synthétiques armées de fibres de verre. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caracterise par le fait que la chemise isolante (14) est soli arisée mécaniquement avec la surface externe de la masse-tige (12) elle même opportunément préparée à cet effet par tous moyens convenables. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le manchon métallique (13) peut être réalisé en une ou plusieurs pièces, en tôle pleine, perforée, à crevés, en tissu à mailles mtaliiques ou analogue, et qu'il peut être partiellement ou totalement noyé dans la chemise isolante (14) entourant la masse-tige (12). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la masse-tige (12) et la chemise isolante (14) presentent chacune au moins une perforation des tinée au passage d'un conducteur (16) reliant le manchon cylindrique métallique (13) servant d'antenne à la sortie de l'emetteur (E) qui est incorporé à l'intérieur de la cavité de la masse-tige (12). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'à l'endroit de la perforation ména- gee dans la chemise isolante (14)9 cette dernière est renforcée, suivant l'épaisseur de la masse-tige (12), par un élément isolant (15) pénétrant à l'intérieur de la masse-tige (12) et servant au passage du conducteur (16) reliant l'antenne (13) à la sortie de l'émetteur (E) transmettant les signaux. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'élément isolant (15) servant au passage du conducteur (1-6) reliant electriquement la sortie de l'émetteur (E) avec le manchon métallique (13) servant d'antenne peut venir de matière avec la chemise isolante (14). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'élément isolant (15) servant au passage du conducteur (16) reliant électriquement la sortie de l'émetteur (E) avec l'antenne (13) est constitue par un élément rapporte distinct en forme de douille presentant l'allure d'un rivet et comportant un logement permettant la réalisation d'une liaison soudee du conducteur (16) avec le manchon métallique (13). 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 b 10, caractérisé par le fait qu'en vue de la mesure de la resistivi- té du terrain à un niveau donné, le manchon métallique (13), fixé sur l'enveloppe isolante (14) entourant la masse-tige (12), est réalise sous la forme d'une pluralité de bagues ou anneaux cylindriques places à côté l'un de l'autre à faible intervalle, la sortie de l'émetteur pouvant, à l'aide d'un dispositif programmable de commutation, être reliée à un anneau déterminé pour qu'il soit possible, par mesure capacitive, de déterminer la re sistivité du terrain à un niveau désiré au fond du puits de forage.