Brevet FR2556043A1 — publié le 19850607

DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE DONNEES DANS UN TUBE DE FORAGE La présente invention se rapporte à un dispositif de transmission de données dans un tube de forage. Lorsque l'on procède à des forages du sous-sol pour des recherches pétrolières, géothermiques, etc..., la connaissance de certains paramètres permet d'optimiser le travail en renseignant le foreur sur le travail effectué par le trépan et sur la nature des roches rencontrées. Ces paramètres sont par exemple le couple résistant, la température, l'acidité du terrain, etc... Afin d'éviter les incidents, ou même des accidents, il est souhaitable que le foreur connaisse très vite les paramètres du forage. Il existe des systèmes permettant de transmettre des informations entre la zone proche du trépan et la surface du sol. On connait par exemple d'après le brevet US 3 252 225 un système de transmission par modulation de pression de la boue au moyen d'un clapet qui dérive une partie de la boue à travers le tube foreur. Le clapet est commandé par le signal codé en tout ou rien provenant du capteur situé au voisinage de l'outil. Le clapet peut être remplacé par une obstruction partielle du diamètre intérieur du tube. On connait également, d'après le brevet US 4 001 773, un système de transmission acoustique de paramètres de forage, ce système utilisant le bruit acoustique produit pendant le forage comme support des informations à transmettre. Tous ces systèmes connus ont pour inconvénient majeur commun le faible débit des informations transmises: les cadences de transmission sont généralement inférieures à I Baud. La présente invention a pour objet un dispositif de transmission de données dans un tube de forage, ce dispositif permettant une transmission à grand débit d'informations, pour des forages de grande profondeur, et pouvant être facilement adapté à la nature du terrain rencontré au cours du forage. Le dispositif de transmission conforme à l'invention comporte, comme équipement de fond, des moyens d'émission pour la propagation acoustique dans la boue de forage, ces moyens d'émission étant reliés à des capteurs placés au voisinage du trépan, et comme équipement de surface des moyens de réception d'ondes acoustiques, ltéquipement de fond étant alimenté en énergie par une turbine hydraulique actionnée par l'écoulement de la boue. Selon une caractéristique de l'invention, la propagation acoustique est non-linéaire, lesdits moyens d'émission comportent deux oscillateurs oscillant à des fréquences élevées voisines, ces fréquences étant avantageusement de l'ordre de 10 kHz et la différence entre ces fréquences étant de l'ordre de 100 Hz ou moins, chacun de ces oscillateurs étant relié à une entrée d'un additionneur via un modulateur et un circuit amplificateur de puissance, les deux modulateurs étant reliés en parallèle à la sortie d'un codeur recevant des capteurs, via un convertisseur, les informations à transmettre, la sortie de l'additionneur étant reliée à un transducteur électroacoustique ayant sa fréquence de résonance dans la gamme desdites fréquences élevées, et lesdits moyens de réception comportent au moins un hydrophone placé dans l'axe d'écoulement de la boue, et relié à des circuits de filtrage, amplification, démodulation et décodage. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris commue exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue genérale simplifiée d'une installation de forage, - la figure 2 est une vue semblable à celle de la figure l, l'installation étant munie d'appareils de transmission d'informations, - la figure 3 est un schéma synoptique des circuits d'un équipement de fond conforme à l'invention, - la figure 4 est un schéma synoptique des circuits d'un équipement de surface coopérant avec l'équipement de fond de la figure 3, et - la figure 5 est un schéma synoptique d'une variante des circuits de la figure 3. On a représenté sur la vue en coupe de la figure 1, de façon simplifiée, les principaux organes d'une installation de forage. Le sol l est creusé à l'aide d'un trépan 2 très résistant qui est entrainé en rotation par un tube 3 en acier, communément appelé "Drill Pipé", d'un diamètre inférieur au diamètre du trou 4 creusé par l'coutil 2. On injecte sous pression de la boue dans le tube 3 par son extrémité supérieure, depuis un réservoir 5 relié au tube 3 par un joint tournant 6. La boue sous pression sort à l'extrémité inférieure du tube 3, et remonte par le trou 4 vers la surface pour y être traitée par filtrage avant d'être réinjectée dans le tube 3. La boue a une composition chimique bien déterminée en fonction des conditions du forage pour lequel elle joue plusieurs rôles très importants elle lubrifie l'outil de forage et le refroidit, elle fait remonter en surface les débris de forage, et en faisant varier sa densité, on contrôle la pression au niveau inférieur du trou foré. Pour transmettre les informations recueillies par des capteurs 7 placés au voisinage de l'outil 2, on dispose dans le tube 3 un équipement de fond 3 relié aux capteurs par un câble 9. L'équipement de fond comporte, de façon non représentée en détail sur la figure 2, un transducteur générateur d'ultrasons associé à des circuits électroniques de modulation, de codage, et d'émission. L'énergie électrique d'alimentation de l'équipement 8 est avantageusement fournie par une génératrice 10 du type à turbine actionnée par l'écoulement de la boue. L'équipement de surface comprend un transducteur Il placé dans l'axe d'écoulement de la boue, par exemple dans le tube 3, et relié à des circuits électroniques 12 de filtrage, d'amplification, et de décodage.Les signaux émis par l'équipement de fond 8 sont codés par exemple par modulation en amplitude, en phase, ou en fréquence d'une porteuse. Le milieu de propagation des ondes sonores émises par l'équipement de fond est la boue. Cette boue est constituée essentiellement d'une émulsion d'huile dont la densité est voisine de 1. Les ondes sonores sont guidées à l'intérieur du tube de forage 3, qui est en acier. Son diamètre intérieur peut aller de 8 à 15 cm environ, et sa longueur peut atteindre 6000 mètres ou plus. Compte tenu d'une part de la portée importante à réaliser (jusqu'à 6000 m environ), et d'autre part de l'absorption importante du milieu dans lequel vont se propager les ondes sonores, ladite fréquence porteuse doit, de façon connue, être faible et comprise entre 10 et 100 Hz, l'atténuation des ondes sonores étant proportionnelle à la fréquence. L'absorption des ondes ultrasonores dans la boue est environ cinquante fois plus importante que dans l'eau, et d'après WOOD et WESTON, Acoustica, Vol.14, 1964, pages 156 à 160, cette atténuation est d'environ 6dB/km à la fréquence de 100 Hz. En outre, le transducteur émetteur 7 doit être d'encombrement réduit pour pouvoir être logé dans le tube 3 sans empêcher l'écoulement de la boue, ce qui fait que les dimensions de sa face active sont limitées à quelques centimètres.Enfin, la pression au niveau du fond du tube 3 est très importante (jusqu'à plusieurs centaines de bars). En résumé, le transducteur émetteur 7 doit, pour satisfaire aux contraintes précitées, présenter les caractéristiques suivantes: - niveau d'émission suffisant (plusieurs centaines de watts électriques) - production de basses fréquences (100 Hz ou moins) - dimensions réduites (quelques centimètres de section) - bande passante suffisante pour permettre le codage - résistance à la pression jusque 100 bars ou plus. A l'heure actuelle, il n'est pas possible de concevoir un transducteur d'aussi petites dimensions, capable- d'émettre d'aussi basses fréquences avec le niveau de puissance suffisant. La présente invention propose d'utiliser en tant que transducteur émetteur un transducteur haute fréquence alimenté simultanément par deux sources d'énergie haute fréquence ayant des fréquences respectives Fl + A F et F1 - F, F étant inférieur à 100 Hz, et le transducteur émet dans la boue des ondes ultrasonores ayant ces deux fréquences. Or, il est bien connu qu'un milieu liquide tel que la boue présente des caractéristiques de transmission non linéaires (on dit également "paramétrique?') et se comporte comme un mélangeur, ctest-à-dire qu'en fait se propagent dans la boue deux ondes ultrasonores dont les fréquences sont respectivement égales à la somme et à la différence des fréquences des signaux excitant le transducteur, à savoir les fréquences 2F1 et 2 , F. La fréquence 2F1, dite primaire ou haute fréquence, étant élevée (F1 = 10kHz par exemple), l'onde de fréquence 2F1 est très rapidement atténuée par la boue et n'est pas perçue par l'hydrophone 11. Par contre la fréquence 2 A F, dite secondaire ou basse fréquence a une faible valeur (de préférence inférieure à 100 Hz) et l'onde de fréquence 2 A F est transmise par la boue jusqu'à l'hydrophone 11. Le fait d'utiliser les propriétés de non linéarité de la boue offre deux avantages importants: - les dimensions du transducteur, qui sont fonction inverse de sa fréquence de résonance, sont petites puisque cette fréquence est environ 10 kHz, au lieu de 100 Hz. - la fréquence secondaire peut être ajustée à la demande sur une large gamme. En effet, cette basse fréquence peut varier dans des limites relativement larges déterminées par la bande passante haute fréquence du transducteur qui est beaucoup plus grande (au moins 100 Hz pour l'exemple cité) que celle d'un transducteur basse fréquence (quelques hertz). Cet avantage a une grande importance pratique, car la boue est généralement changée au cours du forage en fonction du terrain rencontré. Les caractéristiques acoustiques étant différentes d'une boue à une autre, on peut facilement^adapter la fréquence secondaire aux différentes boues utilisées en faisant simplement varier de façon correspondante la fréquence de l'une des deux sources d'énergie, et cela tout en maintenant les hautes fréquences des deux sources d'énergie dans la bande passante du transducteur.Par exemple si l'absorption augmente d'une boue à une autre, pour compenser la perte de niveau sonore reçu, 4F est diminuée d'une valeur connue par étalonnage préalable. Les ondes acoustiques basse fréquence étant guidées à l'intérieur du tube 3, il n'y a pas de pertes "géométriques" d'énergie basse fréquence, ce qui compense la perte due au "rendement" du processus non linéaire. Le transducteur émetteur d'ultrasons est avantageusement réalisé de façon connue en soi d'après le brevet français 74 37073. Il comprend essentiellement, de façon non représentée sur le dessin, un empilage piézoélectrique, un pavillon, une masse arrière, le tout étant enfermé dans une enveloppe cylindrique étanche extérieur de l'enveloppe est de quelques centimètres, ce qui permet de loger facilement le transducteur dans le tube 3, Le transducteur 11 de l'équipement de surface comporte au moins un hydrophone, de préférence plusieurs hydrophones reliés en montage symétrique pour améliorer le rapport signal/bruit du transducteur. Ces hydrophones doivent être de type antisismique (c'est à dire qu'ils ne doivent pas fonctionner en accéléromètres), et doivent être biensuspendus et bien carénés pour éviter les bruits d'écoulement de la boue. L'équipement de fond, dont le schéma synoptique d'un mode de réalisation a été représenté sur la figure 3, comporte deux oscillateurs 13, 14 dont les fréquences primaires sont Fl + t F et Fl - A F respectivement. F1 est d'environ 10 kHz et 2 A F est d'environ 100 Hz ou moins. Les oscillateurs 13, 14 sont suivis chacun d'un modulateur 15, 16 respectivement. La modulation produite par les modulateurs peut aussi bien être une modulation en phase (PSK) qu'en fréquence (FSK), ou toute autre modulation appropriée. Selon une variante de réalisation (non représentée), la modulation étant une modulation en fréquence, les modulateurs 15 et 16 sont supprimés, et le signal modulant est directement appliqué aux oscillateurs, de façon connue en soi. Les modulateurs 15, 16 sont suivis chacun d'un circuit émetteur ou circuit amplificateur de puissance, ces circuits étant respectivement référencés 17, 18, et délivrant chacun un signal haute fréquence ayant une puissance d'au moins 500 watts environ. Les sorties des circuits 17 et 18 sont reliées à un circuit additionneur 19 dont la sortie est reliée au transducteur 20 émetteur d'ultrasons logé dans le tube de forage 3. Le circuit 19 peut être constitué par les transformateurs de sortie des émetteurs 17 et 18 reliés de façon appropriée, et il est alors intégré à ces émetteurs. Les entrées de signal modulant des modulateurs 13 et 16 sont reliées toutes deux à la sortie d'un circuit codeur lui-mEme relié à la sortie d'un convertisseur analogique-numérique 22 auquel sont reliés les différents capteurs 23. Le convertisseur 22 constitue l'interface entre les capteurs délivrant des grandeurs analogiques et le codeur 21 qui met en forme les signaux numériques du convertisseur 22, crée des signaux de synchronIsation et de parité. Le codeur 21 délivre aux modulateurs 15 et 16 les signaux codés bit par bit (en série). L'ensemble des circuits 13 à 23 est alimenté en énergie de tension V par une turbine hydro-électrique 24 actionnée par l'écoulement de la boue (c'est la turbine référencée 10 sur la figure 2), turbine délivrant une puissance électrique suffisante en particulier pour alimenter les émetteurs 17 et 18. L'équipement de surface, schématiquement représenté sur la fiacre 4, comprend un transducteur récepteur 25 comportant un ou plusieurs hydrophones, comme précisé ci-dessus, ce ou ces hydrophones transformant l'énergie acoustique transmise par la boue en énergie électrique. Le transducteur 25 est suivi d'un circuit 26 à préamplificateur et filtre, la fréquence centrale de ce filtre étant égale ou proche de la fréquence porteuse basse fréquence transmise. Le circuit 26 est suivi d'un démodulateur 27 qui reconstitue le code binaire série tel qu'il a été produit par le codeur 21. Le démodulateur 27 est suivi d'un décodeur 28 qui extrait le message utile (valeurs numériques des données fournies par les capteurs 23).Le décodeur 28 est relié par une interface appropriée 29 à des circuits utilisateurs 30 traitant et exploitant les informations fournies par les capteurs et restituées par l'interface 29. Le démodulateur 27 et le décodeur 28 reçoivent des signaux d'horloge reconstitués de façon connue en soi par un circuit d'horloge 31. Dans le système de transmission décrit ci-dessus, la transmission des données est effectuée de façon continue. Le rapport signal/bruit est dégradé en particulier par des bruits mécaniques provenant de la machinerie d'entraînement du tube de forage. On peut améliorer ce rapport en disposant le transducteur 11 le plus profondément possible dans le tube de forage 3 et en montant plusieurs hydrophones en montage symétrique. Dans les cas où ces mesures ne sont pas'suffisantes, on peut augmenter notablement le rapport signal/bruit en effectuant la transmission le tube foreur arrêté, de façon à bénéficier d'un environnement peu bruyant. Ainsi, le foreur arrête périodiquement l'entrainement du tube foreur, et les données sont transmises pendant ces périodes d'arrêt. Ces données transmises ont été préalablement mémorisées pendant la période de travail précédente: on effectue une transmission discontinue par "bouffées" en temps légèrement différé. On a représenté sur la figure 5 le bloc-diagramme d'un équipement de fond permettant une telle transmission discontinue. Dans cet équipement, les éléments 13 à 20 et 21 à 23 sont identiques à ceux de l'équipement de la figure 3. Il comporte en plus entre le codeur 21 et les modulateurs l5, 16 une mémoire vive 32 dont les phases d'écriture et de lecture sont -respecti- vement commandées par la mise en marche et l'arrêt du tube foreur 3, grace à un détecteur 33 de rotation du tube. Le detecteur 33 commande le début d'écriture ou de lecture des données dans la mémoire 32. Etant donné qu'à l'arrêt du tube, l'écoulement de la boue est arrêté, ce qui arrête bien entendu la turbine 24, - on prévoit une batterie tampon 34 de capacité suffisante pour alimenter l'équipement de fond à l'arrêt du tube foreur. Le détecteur 33 peut également commander l'alimentation des éléments 13 à 20. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transmission de données dans un tube de forage (3), permettant la transmission à grand débit d'informations, pour des forages de grande profondeur, caractérisé par le fait que ce dispositif comporte en combinaison, comme équipement de fond, des moyens d'émission (20-15-17) pour la propagation acoustique dans la boue de forage, ces moyens d'émission étant reliés à des capteurs (23) placés au voisinage du trépan (2), et comme équipement de surface des moyens de réception d'ondes acoustiques (25 à 28), réquipement de fond etant alimenté en énergie par une turbine hydraulique (10) actionnée par l'écoulement de la boue. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la propagation acoustique est non-linéaire, lesdits moyens d'émission comportant deux oscillateurs (13, 14) oscillant à des fréquences élevées voisines, chacun de ces oscillateurs étant relié à une entrée d'un additionneur (19) via un modulateur (15, 16) et un circuit amplificateur de puissance (17, 18), les deux modulateurs étant reliés en parallèle à la sortie d'un codeur (21) recevant des capteurs, via un convertisseur (22), les informations à transmettre, la sortie de l'additionneur étant reliée à un transducteur électroacoustique (20) ayant sa fréquence de résonance dans la gamme desdites fréquences élevées, et lesdits moyens de réception comportant au moins un hydrophone (25) placé dans l'axe d'écoulement de la boue et relié à des circuits de filtrage, amplification (26), démodulation (27) et décodage (28). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérlsé par le fait que les fréquences desdits deux oscillateurs sont de l'ordre de 10 kHz, la différence entre ces fréquences étant de l'ordre de 100 Hz ou moins, le transducteur recevant une puissance d'environ 500 watts au moins. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que lors de changements de boue en cours de forage, on fait varier la fréquence de l'un des deux oscillateurs pour garder un niveau sonore à la réception constant. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour transmission des informations pendant des arrêts périodiques du tube foreur, caractérisé par le fait qu'il comporte entre le codeur (21) et les modulateurs (15,16) une mémoire vive (32) dont les phases d'écriture et de lecture sont commandées par un détecteur (33) de rotation du tube de forage, la turbine hydraulique (24) étant reliée à une batterie tampon (34). 6. Dispositif selon lune quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que ledit codeur (21) effectue un codage par modulation en amplitude de porteuse. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que ledit codeur effectue un codage par modulation en phase d'une porteuse. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que ledit codeur effectue un codage par modulation en fréquence d'une porteuse.