Brevet FR2554930A1 — publié le 19850517

BOBINE SOLENOIDALE BLINDEE POUR LES DIAGRAPHIES DANS LES SONDAGES 1 L'invention se rapporte d'une façon générale à une bobine solénoidale blindée utilisée pour les diagraphies dans les sondages. Plus particulièrement, l'invention concerne une bobine d'induction blindée utilisable comme capteur dans un appareil de diagraphie et un procédé de fabrication d'une telle bobine. Les appareils électromagnétiques de diagraphie dans les sondages utilisent depuis de nombreuses années des solénoïdes comme émetteurs, récepteurs et autres. Des exemples de tels appareils sont les appareils de diagraphie à induction et les appareils électromagnétiques de mesure d'épaisseur. Les bobines solénoïdales sont utilisées de nombreuses façons mais, en général, on crée une distribution de flux magnétique coaxiale dans une bobine qui agit sur le milieu que l'on mesure. Par exemple, dans le cas des mesures d'induction dans les sondages découverts, le champ magnétique engendré par un courant alternatif passant dans une bobine crée des courants annulaires de Foucault dans la formation environ- nante. Une bobine réceptrice réagit au flux associé à ces courants de Foucault dans la formation pour élaborer un signal de tension électrique proportionnel à la résistivité ou à la conductivité de la formation. -2- 1 Comme autre exemple, pour mesurer électroniquement le diamètre intérieur d'un tubage, on utilise deux bobines coaxiales comprenant une bobine émettrice dans laquelle est envoyé un courant alternatif d'excitation. Une bobine réceptrice située a une certaine distance longitudinale de la bobine émettrice, produit une tension induite en réponse au courant de la bobine émettrice et à l'effet d'impédance du tubage. A partir du courant d'excitation et de la tension de réponse, on peut déterminer le diamètre interne du tubage. Dans de telles bobines, l'effet fondamental utilisé pour la mesure est celui des lignes de flux magnétique engendrées coaxialement dans la bobine solénoïdale. Le couplage capacitif de telles bobines a été depuis des années le souci constant des concepteurs d'équipements de diagra- phie. Par exemple, pour une diagraphie par induction, un couplage capacitif peut nuire à la mesure lorsque le milieu diélectrique, c'est-àdire l'environnement du sondage, change. Afin de minimiser le couplage capacitif, il est connu de réaliser des blindages autour des différentes bobines. De tels blindages comprennent des lames de cuivre imprimées sur un substrat flexible. Un tel blindage cylin- drique est enroulé autour de la bobine. Un inconvénient majeur de ces blindages dans le cas des diagraphies par induction est qu'ils doivent être enlevés lorsqu'on équilibre l'émetteur, le récepteur et les bobines auxiliaires du fait que ces bobines doivent être physiquement déplacées pour l'équilibrage du système. L'effet de ces blindages est faible pendant le processus d'équilibrage mais il n'est pas négligeable et ne peut être annulé car les blindages ne sont pas présents pendant le processus. Lorsqu'on utilise de telles bobines solénoïdales comme diamétreur électronique, par exemple, dans un système electromagnétique de mesure d'épaisseur, les bobines doivent être placées à proximité l'une de l'autre. Les blindages connus (voir aussi les brevets américains US 2623923 et -3- 1 US 3094658) ne réussissent pas à empêcher un couplage capacitif par les extrémités du solénoïde. Un tel couplage a, dans le passé, posé des problèmes pour la conception des systèmes électroniques de mesure de diamètre du fait que, plus la bobine émettrice était proche de la bobine récep- trice, plus le couplage capacitif était élevé par les extrémités des bobines. Un objet de l'invention se rapporte à un blindage de bobine solénoïdale gui forme un ensemble compact permet- tant ainsi un équilibrage facile dans le cas d'un équipement de diagraphie à induction. Un autre objet de l'invention est de blinder les extrémités des bobines de façon à éliminer sensiblement les effets capacitifs d'extrémités de ces bobines. Un autre objet de l'invention concerne un blindage comprenant des fils de blindage dans lesquels ne passe aucun courant de Foucault en réponse à un courant d'émission qui passe dans la bobine, supprimant ainsi les signaux parasites dans les mesures par induction. Un autre objet de l'invention permet d'obtenir un espacement suffisamment élevé entre les enroulements d'une bobine et le blindage pour que la capacité entre bobine et blindage soit minimisée. Enfin, un autre objet de l'invention concerne un blindage entourant une bobine solénoLdale, ce blindage étant transparent pour les champs électriques transversaux engen- drés par un courant alternatif qui passe dans la bobine solénoïdale tout en éliminant sensiblement le champ magnétique transversal produit par un tel courant alternatif. Selon l'invention, une bobine solénoïdale blindée adaptée aux mesures de diagraphie dans les sondages, comprend un support tubulaire ouvert à chacune de ses extrémités et comportant un corps annulaire de section transversale sensiblement rectangulaire ayant une cavité. Un bobinage conducteur de mesure est enroulé dans la cavité du corps annulaire de façon que son axe soit sensiblement parallèle à l'axe du support tubulaire. -4- 1 Un blindage électrostatique est formé par un fil enroulé autour de l'extérieur du corps du support tubulaire, l'enroulement étant effectué en spires entourant entièrement le corps de façon à envelopper ce corps et le bobinage de mesure. Le fil de blindage est sensiblement perpendiculaire au bobinage de mesure. Le fil de blindage a une disconti- nuité électrique dans chaque spire enroulée sur le support de façon à empêcher le passage de courant dans ces spires. Un fil de masse disposé autour du support est électriquement relié à chaque spire du fil de blindage. De préférence, le fil de masse comporte une discontinuité électrique formant ainsi une boucle de courant ouverte coaxiale au support. Le diamètre du fil de blindage a, de préférence, un diamètre plus faible que la valeur d'une profondeur de peau à la fréquence de fonctionnement choisie pour le courant alternatif envoyé dans le bobinage de mesure lors de son utilisation en diagraphie. Le fil de blindage est de préférence séparé du bobinage conducteur de mesure par l'épaisseur du corps du support de façon à minimiser la capacité entre le blindage et le bobinage de mesure. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront d'ailleurs mieux compris de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un exemple d'un appareil de fond et d'une instrumentation de surface montrant notamment un diamétreur électronique pour tubes dans lequel on peut utiliser la bobine solénoidale blindée selon l'invention; La figure 2 est une vue en perspective d'une bobine solénoidale selon l'invention représentant, en coupe trans- versale, le corps annulaire du support, le bobinage interne et le blindage torique enroulé autour du support; -5- 1 La figure 2A est une vue agrandie de la coupe transversale de la paroi de révolution montant l'emplacement d'un anneau en élastomère utilisé pour maintenir en place les fils de blindage; La figure 3 est une vue de dessous de la bobine représentant un fil de masse qui relie électriquement chacune des spires du blindage torique; et La figure 4 est un schéma de la bobine blindée de l'invention montrant comment le bobinage conducteur est protégé par la cage formée par l'enroulement torique dont chaque spire est relié à la masse. En référence à la figure 1, on a représenté un système de diagraphie dans lequel le capteur blindé 40 de la figure 2 peut être utilisé. La figure 1 représente un diamétreur électronique 10 qui détermine le diamètre interne de tubes comme, par exemple, un tubage 20 dont est revêtu un sondage 16. Le diamétreur 10 comprend une sonde 12, une cartou- che électronique de fond 13 et un équipement de surface 14. La sonde 12 est suspendue à un câble 18 de façon a pouvoir être déplacée au travers du tubage 20. Le diamétreur 10 est adapté à mesurer le diamètre interne du tubage 20 en fonction de la profondeur lorsque la sonde est déplacée a l'intérieur de ce tubage. Le cable 18 peut avoir un seul conducteur (mono-câble) ou plusieurs conducteurs (générale- ment sept). L'équipement de surface 14 communique avec la sonde 12 par le câble 18 pour commander la position de la sonde dans le tubage 20 et pour recevoir, traiter, afficher et enregistrer les signaux transmis de la sonde 12. Un transducteur mécanique 22 entraîné par le câble fournit, par une transmission 23, des signaux de position indicateurs de la profondeur de la sonde 12 dans le sondage 16. Généralement, le transducteur 22 a la forme d'une roue calibrée en contact sur le câble 18, laquelle élabore des impulsions électriques lorsqu'elle est entraînée en rotation par le mouvement de la sonde 12 dans le tubage. L'appareil 1 de fond comprend la sonde 12, la cartouche électronique 13, deux centreurs 27a et 27b, une extrémité inférieure 28 et une tête de câble 30. La sonde 12 porte deux bobines de diamétrage 40' et 40 selon l'invention pour effectuer des mesures électro- magnétiques en fonction de la profondeur de la sonde. Un signal est engendré par la bobine émettrice qui peut être la bobine 40'. Un signal de réponse détecté par la bobine 40" est proportionnel au diamètre interne du tubage. Le procédé et le dispositif au moyen desquels on détermine un signal proportionnel au diamètre interne du tubage sont décrits dans la demande de brevet européen n 83402412.7 publiée le 27 juin 1984 sous le n 0112248. La figure 2 représente la bobine solénoïdale blindée 40 selon l'invention. Une telle bobine peut être utilisée comme bobine émettrice 40' ou réceptrice 40" du diamétreur de la figure 1. Un bobinage solénoïdal 44 est disposé dans une cavité 41 d'un support 42 de section transversale généralement rectangulaire. Le support tel que représenté comprend une première partie 41' en forme de 'Un tourné vers l'extérieur. Après enroulement du bobinage 44 dans le renfoncement du U",. on peut fixer une partie 41" de fermeture sur la première partie 41' de façon à former un support tubulaire de section rectangulaire ayant une cavité intérieure de section également rectangulaire dans laquelle se trouve le bobinage 44. Selon l'invention, une bobine torique 45 est enroulée autour de l'extérieur du support de façon à entou- rer complètement le corps annulaire du support. Comme représenté, la bobine torique est enroulée autour de la section transversale du support d'abord sur le côté infé- rieur, puis sur le côté interne, puis sur le côté supérieur, puis sur le côté extérieur et ainsi de suite jusqu'à ce que le fil de cet enroulement ait recouvert de spires la totalité du support tubulaire. -7- 1 Le diamètre du fil de blindage formant la bobine torique 45 doit être plus petit que la profondeur de peau définie pour la fréquence de fonctionnement choisie pour le courant alternatif passant dans la bobine solénoïdale 44. Comme les mesures d'induction en sondage découvert et les mesures de diamètre du type représenté sur la figure 1 s'effectuent à des fréquences relativement faibles (par exemple 20.000 Hz), le diamètre du fil 45 doit être relati- vement petit. Comme représenté sur la figure 2, chaque spire de la bobine torique est électriquement interrompue par une découpe 46 au travers d'une partie des spires. La découpe 46 interrompt effectivement le circuit électrique de chaque spire du fil 45 autour du support 42, de préférence à sa surface supérieure. Comme représenté sur la figure 2A, une gorge préformée 47 du support 42 reçoit un anneau en élastomère 48, constituant ainsi un dispositif pour empêcher que les spires toriques ne se déroulent du support 42. Un avantage important résultant du blindage 45 réalisé autour du support 42 et du bobinage 44 provient du fait que la bobine solénoïdale 44 est protégée électrostati- quement des effets diélectriques du sondage. Un autre avantage résultant de l'enroulement torique du fil de blin- dage 45 autour du support, provient du fait que le bobinage 44 est protégé des effets d'extrémités par rapport à une bobine solénoidale adjacente. Par exemple, sur la figure 1, les bobines 40' et 40" sont protégées l'une de l'autre de leurs effets d'extrémités mutuels du fait de l'effet de blindage du fil 45 entre ces extrémités. Le capteur blindé de la figure 2 est fabriqué en enroulant un conducteur 44 dans une cavité annulaire d'un support tubulaire 42 de façon que la conducteur 44 une fois enroulé forme un bobinage solénoïdal d'axe essentiellement parallèle à l'axe du support tubulaire 42. Le support a une gorge 47 prédécoupée à sa surface supérieure. On enroule ensuite un fil de blindage 45 autour du corps du support, -8- 1 l'enroulement étant effectué en formant des spires de l'extérieur vers l'intérieur du support jusqu'à recouvrir entièrement le corps et entourer ce corps-et le bobinage de mesure. La gorge circulaire réalisée dans le support 42 permet l'utilisation d'une matrice pour découper simultané- ment toutes les spires 45 et replier dans cette gorge les extrémités sectionnées. On utilise une presse pour mettre en place un joint en élastomère 48 dans la gorge 47 de façon à fixer les extrémités de chaque spire 45. Une partie de l'isolant de ces spires est enlevée, de préférence à la surface inférieure du blindage et l'on fixe un fil de masse formant une boucle ouverte sur cette partie dénudée. Bien que le support soit réalisé de préférence avec une section sensiblement rectangulaire ayant une cavité interne de section également rectangulaire pour recevoir le bobinage solénoïdal, ce support peut aussi avoir une section en forme de "UU tourné vers l'extérieur, le bobinage étant enroulé dans le renfoncement de cet "Un. On a trouvé qu'il était avantageux d'avoir une distance suffisante entre les spires toriques 45 et le bobinage solénoïdal 44. Un support de section généralement rectangulaire en deux parties, l'une 41' en forme de 'Un et l'autre 41" en forme de fermeture permet d'obtenir une telle distance entre les spires 45 et le bobinage 44. On a trouvé que la bobine torique ne produisant pas d'interférence avec le vecteur de flux axial et le vecteur de champ électrique azimutal qui accompagne ce flux. En d'autres termes, le blindage est effectivement transparent pour les champs transversaux électriques engendrés par un courant alternatif passant dans le bobinage solénoïdal. En outre, les spires de blindage 45 éliminent sensiblement le champ magnétique transversal produit par le passage d'un courant alternatif dans le bobinage solénoidal. Cette élimination du champ magnétique transversal est avantageux car de tels champs produisent des signaux d'erreur dans les paires émettrices-réceptrices du type de la paire de cap- teurs 40', 40" de la figure 1. 1 La figure 3 est une vue de dessous de la figure 2 qui montre un anneau de masse 50 comportant une discontinuité 55. L'anneau 50 recouvre presque les 3600 de la circonfé- rence du support 42. L'anneau 50 est relié électriquement à chacune des spires du bobinage torique 45. Un connecteur A fixé à l'anneau de masse est relié à la masse comme représenté schématiquement sur la figure 4. Des connecteurs 44A et 44B représentent les extré- mités du bobinage solénoïdal 44 par lesquelles le courant alternatif est appliqué au bobinage ou par lesquelles sort une tension de réponse fournie par le bobinage. De préfé- rence, l'anneau de masse est fixé aux spires 45 en enlevant l'isolant de chacune des spires 45 et en fixant cet anneau aux parties dénudées des spires. L'anneau 50 est ensuite fixé à l'ensemble du capteur 40 en le soudant aux spires de blindage. La figure 4 est un schéma de la bobine blindée selon l'invention montrant les connecteurs 44A et 44B du bobinage solénoidal et les spires du blindage torique 45 de môme que l'anneau de masse 50 et son connecteur 50A relié à la masse. On peut obtenir un résultat similaire en prolon- geant suffisamment let bras du "U" pour que les spires de blindage, une fois enroulées sur la face extérieure de ces bras, se trouvent à la distance convenable du bobinage 44. Cet écartement des spires de blindage 45 par rapport au bobinage solénoidal de mesure 44 minimise la capacité entre blindage et bobinage. Diverses modifications et variantes susceptibles d'être apportées à la structure précédemment décrite apparaîtront aux spécialistes de la technique. Ces modifi- cations ne sortent évidemment pas du cadre de l'invention qui n'est pas limité au mode de réalisation décrit mais est défini par les revendications annexées. -10- 1 REVENDICATIONS 1. Bobine solénoïdale blindée adaptée aux mesures de diagraphie dans les sondages comprenant: - un support tubulaire ouvert à chacune de ses extrémités et ayant un corps annulaire de section transver- sale sensiblement rectangulaire, ledit corps ayant une cavité à l'intérieur de ladite section; - un bobinage conducteur de mesure enroulé dans ladite cavité de façon que son axe soit parallèle à l'axe du support tubulaire; caractérisée en ce qu'elle comprend: - un blindage électrostatique formé par un fil enroulé autour de l'extérieur du corps dudit support tubulaire, cet enroulement étant constituée de spires entourant la totalité du corps de façon à envelopper ce corps et le bobinage de mesure, ledit fil de blindage étant sensiblement perpendiculaire au bobinage de mesure, ledit fil ayant une discontinuité électrique dans chaque spire enroulée sur le support; et - un fil de masse disposé autour dudit support et relié électriquement à chaque spire du blindage. 2. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit fil de masse comporte une discontinuité électrique de façon a former une boucle de moins de 360 autour dudit support. 3. Bobine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre du fil de blindage est inférieur à l'épaisseur de peau à la fréquence de fonctionnement sélec- tionnée pour lesdites mesures de diagraphie. -11- 1 4. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fil de blindage est séparé du bobinage de mesure par l'épaisseur du corps dudit support de façon à minimiser la capacité entre le blindage et le bobinage de mesure. 5. Procédé de fabrication d'une bobine solénoïdale blindée comprenant les étapes suivantes: - enrouler un conducteur de mesure dans une cavité du corps d'un support de forme tubulaire, le conducteur enroulé formant ainsi un bobinage sensiblement coaxial avec le support tubulaire; - enrouler un fil de blindage autour du corps du support, cet enroulement formant des spires partant de l'extérieur vers l'intérieur du support et entourant la totalité du support de façon à envelopper ledit corps et le bobinage de mesure; - réaliser une découpe circulaire dans lesdites spires de façon à créer une discontinuité électrique dans chaque spire et empêcher le passage de courant dans chaque spire; et - disposer un fil de masse autour du corps dudit support et relier électriquement chaque spire audit fil de masse. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape d'enroulement du conducteur de mesure comprend les opérations suivantes: - enrouler ledit conducteur de mesure par une ouverture réalisée dans le corps dudit support; et - refermer ladite ouverture du corps du support. -12- 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé 1 en ce que ledit support a une gorge circulaire réalisée à sa surface supérieure, lesdites spires étant découpées au- dessus de la gorge, ledit procédé comprenant de plus l'étape consistant à fixer un anneau du matériau élastomère sur les extrémités découpées desdites spires de façon à fixer ces extrémités dans ladite gorge circulaire. 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'étape consistant à réaliser une discontinuité électrique dans ledit fil de masse.