Brevet FR2555761A1 — publié le 19850531

La présente invention a pour objet un dispositif pour engendrer des impulsions acoustiques par implosion à l'intérieur d'un puits ou d'une cavité, et plus particulièrement un dispositif d'émission adapté à être descendu à une certaine profondeur dans un puits foré dans le sol, pour engendrer des impulsions acoustiques pouvant être utilisées dans le but d'effectuer des opérations de prospection sismique par exemple. Une source sismique pour puits présente un certain nombre d'avantages par rapport à une source disposée à la surface. Une partie notable de l'énergie acoustique produite par celle-ci est en effet émise sous la forme d'ondes de surface ou d'ondes de RAYLEIGH inexploita- bles, et la partie de cette énergie qui est émise sous la forme d'ondes de type P ou S, est atténuée considérablement par la couche superficielle ou couche altérée (W. Z). Le rendement énergétique en ondes P ou S d'une source de puits émettant sous la couche alté- ree est de ce fait beaucoup plus élevé. Parmi les sources de puits d'un type connu, on peut citer celles qui utilisent des explosifs solides ou des mélanges gazeux explosifs. De telles sources produisent des impulsions sismiques très puissantes -2mais leur mise en oeuvre à grande profondeur est difficile, du fait particulièrement que la durée de leur cycle opératoire est assez long. Il faut noter aussi que le spectre de fréquence de ces impulsions comporte une partie notable de fréquences élevées sans intérêt pratique dans le domaine de la prospection sismique. De plus, la puissance des explosions a généralement pour effet d'endommager le puits ou d'altérer les régions avoisinantes, si bien que la répétition ultérieure des tirs sismiques aux mêmes emplacements est difficile. Des sources à explosifs sont décrites par exemple dans les brevets US N 3 408 622, 3 858 167 ou 3 408 622. On peut également citer les sources du type canon à air o des impulsions sismiques sont engendrées par de brusques décharges de gaz à l'intérieur du puits rempli d'eau. De telles sources pro- duisent des ondes acoustiques puissantes mais nécessitent pour leur fonctionnement l'utilisation d'un compresseur ou de réservoirs de fluide comprimé qui, du fait de l'exiguité du trou foré, doivent être installés en surface et reliés à la source par des tuyauteries, ce qui rend également leur mise en oeuvre difficile et accroît de façQn notable la durée de leur cycle de fonctionnement. Une telle source est décrite, par exemple, dans le brevet français N 2 311 322. Le dispositif selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte un corps rigide allongé de section inférieure à celle du puits et relié par un cable à une installation de surface, le corps rigide comportant deux chambres coaxiales isolées l'une de l'autre par un élément de séparation fixe, une première des deux chambres communiquant avec l'extérieur du corps à son extrémité opposée à l'élément de séparation, un premier piston adapté à coulisser de manière étanche à l'intérieur de la première chambre entre une première position vers l'extrémité ouverte de celle-ci et une seconde position, vers l'extré- mité opposée, le premier piston étant solidaire d'un clapet de section supérieure à la section du premier piston qui est exposée, dans la première position de celui-ci, à la pression régnant à l'extérieur du corps, le clapet étant adapté à se déplacer dans la seconde chambre 3 - et à venir s'appuyer contre un siège ménagé sur l'élément de sépara- tion, dans la première position du premier piston, un second piston adapté à coulisser de manière étanche à l'intérieur de la seconde chambre du côté du clapet opposé audit élément et dont la course est au moins égale à celle du premier piston entre sa première et sa seconde positions, des moyens pour introduire dans la première chambre, du côté du premier piston opposé à l'extrémité ouverte, un gaz à une pression très inférieure à la pression extérieure et un système hydrau- lique de manoeuvre comportant des moyens moteurs et des circuits hydrauliques, disposé à l'intérieur du corps rigide, pour déplacer le premier Piston vers sa première position par poussée du second piston sur le clapet jusqu'à son siège et pour maintenir par intermittence le clapet contre son siège, lorsque le second piston est ramené vers l'extrémité de la seconde chambre opposée à l'élément de séparation. Le siège du clapet comporte, par exemple, un évidement intérieur. La section de l'ouverture de la première chambre est inférieure à celle du clapet et le premier piston comporte une partie adaptée à venir clore de manière étanche cette ouverture, lorsque le clapet vient en appui sur son siège. La seconde chambre est constituée de deux parties de sections inégales et le second piston comporte deux parties de sections différentes adaptées respectivement aux sections des deux parties de la seconde chambre, l'extrémité de sa partie de plus grande section étant adaptée à venir en appui sur le clapet et le système hydraulique comporte une source de pression, un premier circuit hydrau- lique et un premier moyen de commutation pour établir par intermittence une surpression dans la partie de la seconde chambre de plus faible section et un second circuit hydraulique associé à un système de com- mutation, pour mettre l'évidement du siège en communication par inter- mittence avec un réservoir dont la pression est très inférieure à celle régnant dans la seconde chambre lorsque le clapet est en appui sur son siège. Les moyens de commutation sont de préférence des électro-vannes. Le dispositif-selon l'invention est adapté à produire des impulsions sismiques intenses et peut être réarmé par action d'un système hydrau- 2555 7 6 1 -4- lique contenu entièrement dans le corps rigide et relié à une ins- tallation de commande en surface par des fils électriques incorporés dans les câbles supportant le dispositif. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe du dispositif en position de déclenchement, le système hydraulique assurant le déplacement du premier piston et le maintien du clapet étant partiellement représenté; - la figure 2 représente schématiquement une vue d'ensemble en coupe du dispositif en position de repos, le système hydrauli- que étant représenté dans son entier; - la figure 3 représente schématiquement une vue d'ensemble en coupe du dispositif dans une position intermédiaire à la fin de la phase de poussée du premier Piston vers sa première position (position d'armement); - la figure 4 représente schématiquement une vue partielle du système hydraulique commandé pour provoquer un blocage du clapet contre son siège et la remontée du second piston vers sa posi- tion de repos; et - la figure 5 représente schématiquement une vue partielle du système hydraulique commandé au moment choisi du déclenchement pour libérer le clapet et permettre la brusque remontée du premier piston sous l'action de la pression extérieure au corps et la création d'ondes sismiques. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le dispositif comporte un corps rigide allongé 1 adapté à être descendu depuis la surface dans un puits foré, à l'extrémité inférieure d'un câble de manoeuvre Z555761 -5 - (non représenté) comportant des conducteurs électriques. Le corps rigide 1 comporte deux chambres 2, 3 coaxiales, isolées l'une de l'autre par un élément de séparation 4,constituée d'une pièce rapportée fixée à la paroi latérale du corps. La première chambre 2 communique avec l'extérieur, à son extrémité opposée à l'élément de séparation 4, par une ouverture 5 ménagée dans un bouchon 6 vissé à l'extrémité du corps. Le dispositif comporte aussi un premier piston 7 pourvu de deux parties 7A, 7B coaxiales dont les sections reepectives sont sensiblement égales à celles de la première chambre 2 et de son ouverture 5. Le forme et les dimensions des deux parties du piston 7 sont choisies de manière que la partie 7B vienne s'introduire dans l'ouverture 5 lorsque la partie 7A vienten appui contre le bouchon 6. Des joints d'étanchéité 8, 45 sont disposés respectivement autour de la partie 7A pour isoler l'une de l'autre les parties de la chambre 2 de part et d'autre du premier piston, et autour de la partie 7B, de manière que lorsque celle-ci est engagée dans l'ouverture 5, la première chambre soit isolée du milieu extérieur. Une tige 9, de longueur supérieure à celle des deux chambres 2, 3, est disposée dans l'axe du corps et traverse l'élément de séparation 4 par une ouverture 10 ménagée dans celui-ci. Des joints d'étanchéité ll sont disposés dans l'ouverture 10 autour de la tige 9, pour isoler les deux chambres l'une par rapport à l'autre. A l'extrémité de la chambre 3 opposée à l'élément de séparation, la tige 9 coulisse dans un alésage central 43 du corps 51. Des joints d'étanchéité 44 sont disposés dans cet alésage pour rendre étanche le coulissement de la tige et isoler de la chambre 3, la partie dudit alésage au-dessus de l'extrémité de la tige. La tige 9 est fixée dans la première chambre 2 au premier piston 7 et dans la seconde chambre à un clapet 12 dont la section est supérieure à celle de l'ouverture 5. La distance entre le clapet 12 et le premier piston 7 est choisie de préférence pour que, lorsque ce dernier vient obstruer l'ouverture 5 de la première chambre 2, le clapet soit en contact avec l'élément 4. -6 - Un évidement 13 est ménagé dans la face du clapet en regard de l'élément 4 et une cavité annulaire 14 de diamètre inférieur à celui du clapet est ménagée dans ladite paroi. Un conduit radial 15 la fait communiquer avec une rainure 16 de la surface intérieure du corps. La seconde chambre 3 comporte une première partie 3A dans laquelle se déplace le clapet 12 et une seconde partie 3B de section inférieure à celle de la première. Les deux parties sont séparées par un épaulement 17. La course et la section du clapet 12 sont respectivement infé- rieures à la longueur et la section de cette première partie de chambre 3A. Un second piston 18 comportant deux parties de section respectivement égales aux deux parties de la seconde chambre et pourvu à sa péri- phérie de joints annulaires 19 est adapté à coulisser de manière étanche dans cette seconde chambre 3. Le second piston comporte un alésage central 20 et un joint circulaire 21permettant le coulissement étanche de la tige 9 associée au premier piston. Le système hydraulique de manoeuvre comporte quatre canalisations 22, 23, 24 et 25 parallèles à l'axe du corps 1, qui sont ménagées dans la paroiextérieure de celui-ci. Les canalisations 22, 23 débouchant à une première extrémité respectivement au voisinage de la base de la seconde chambre 3 et dans la rainure circulaire 16 de la paroi du corps. Les canalisations 24, 25 débouchent à une première extrémité au voisinage respectivement des deux extrémités opposées de La seconde chambre 3. Une canalisation 26 ménagée dans l'axe de la tige 9 fait communiquer la partie 4 de la chambre 2 comprise entre l'élément de séparation 4 et le premier piston, avec l'alésage central 43. Des moyens d'évacuation (non représentés) comportant par exemple un canal traversant le premier piston 7 de part en part, associé à une soupape qui est actionnée mécaniquement lorsque la première partie 7A du piston vient au contact de la paroi intérieure du bouchon 6, -7 - permettant d'évacuer vers l'intérieur de la chambre 2 et, par l'inter- médiaire du canal axial 26 de la tige 9, vers un compartiment à la pression atmosphérique, le volume de fluide extérieur à la forte pression qui peut se trouver confiné entre la paroi intérieure du bouchon 6 et la partie 7A du piston,- lorsque la partie 7B de celui-ci vient boucher étroitement l'ouverture 5. Les canalisation 22, 23, 24 et 25 et l'alésage central 43 o coulisse la tige 9 aboutissent à un compartiment 28 du corps, contenant des éléments dont le détail est représenté aux figures 2 à 5. La canalisation 23 est connectée à son autre extrémité à l'entrée de deux électro-vannes 29, 30 à deux voies fermées en position de repos. Les sorties de celles-ci étant connectées respectivement à la canall- sation 22 et à un réservoir 31 contenant de l'air à une pression très inférieure à la pression régnant à l'extérieur du corps dans les conditions normales d'utilisation du dispositif, de l'air à la pression atmosphérique par exemple, au moyen d'une canalisation 32. La pression à l'intérieur du compartiment 28 est égale à celle régnant dans le réservoir 31. La canalisation 24 communique avec l'entrée d'une électro-vanne 33 à deux voies, ouverte en position de repos et, par l'intermédiaire d'une valve anti-retour 42 avec la sortie d'une pompe hydraulique 34 mue par un moteur électrique (non représenté), l'entrée de celle-ci étant connectée par une canalisation 35 avec la sortie de l'électro- vanne 33 et avec la canalisation 25. La canalisation 35 est en outre connectée à l'entrée d'un cylindre 36 communiquant à une extrémité avec l'extérieur du corps et fermé par un piston libre 37 adapté à maintenir le fluide hydraulique à l'entrée de la pompe et à la base de la seconde chambre 3, à une pression égale à la pression extérieure. Un élément de circuit comportant une soupape 38 tarée à une pression déterminée et une valve anti-retour 39, est disposée en dérivation sur la pompe 34, pour limiter la surpression créée en fonctionnement par celleci. La pompe, le réservoir 31 et les électro-vannes 29, 30, 33 constituent les moyens moteurs du système hydraulique de manoeuvre. -8- Une couche 40 d'un matériau amortisseur est fixée à l'élément de séparation 4, du côté de la première chambre, pour freiner le premier dispositif 7 en fin de course. Les électro-vannes et le moteur électrique actionnant la pompe sont alimentés par l'intermédiaire de conducteurs électriques 41 reliés aux conducteurs inclus dans le câble supportant le dispositif dans le puits. Le dispositif fonctionne de la manière suivante: - Dans sa position de repos (figure 2), la pompe est à l'arrêt et l'électro-vanne 33 est ouverte. Les pressions du fluide hydrau- lique aux deux extrémités de la seconde chambre 3 sont égales à la pression extérieure au corps. La surface du second piston 18 étant plus grande du c8té du clapet 12 que du côté opposé, la force résultant de l'application sur ses faces opposées de cette pression a pour effet de le maintenir en position haute. La pression dans le volume de la première chambre 2 entre l'élément de séparation 4 et le premier piston 7 étant très inférieure à la pression extérieure,l'ensemble du premier piston et du clapet 12 est maintenu à sa position haute. - Les deux électro-vannes 29, 30 étant maintenues au repos, on actionne simultanément la pompe hydraulique 34 et l'électro-vanne 33, de manière à fermer celle-ci et à établir dans la partie supérieure de plus faible section de la seconde chambre 3, une pression supérieure à la pression extérieure (figure 3). Le second piston 18 se déplace vers le bas et vient s'appliquer contre le clapet 12 qu'il entraîne dans sa translation, jusqu'à ce qu'il vienne s'appliquer sur l'élément de séparation 4 et que l'évidement 13 du clapet soit isolé du reste de la seconde chambre 3. Le premier piston occupe alors sa première position (position basse) o il obstrue l'ouverture 5 du corps 1. _ 9-. - On commande (figure 4) alors l'ouverture de l'électro-vanne 30 et la mise en communication de l'évidement 13 du clapet 12 avec le réservoir à la pression atmosphérique 31 par l'intermédiaire de l'évidemnent annulaire 14 dans l'élément de séparation 4 et les canalisations 23 et 32. Les sections respectives de la partie 7B premier du/piston et du clapet sont choisies de manière que la force qui résulte de l'application à celui--ci de la différence de pression entre la pression extérieure et la pression atmosphérique, soit suffisante pour maintenir le premier piston en appui contre le bouchon 6 en l'absence de toute poussée supplémentaire de la part du second piston. On commande ensuite l'arrêt de la pompe 31 et l'on interrompt l'alimentation électrique de la troisième électro- vanne 33 qui revient en position d'ouverture. Les deux faces opposées du second piston 18 se retrouvant à la même pres- sion et étant de surfaces inégales, celui-ci remonte vers le haut de la seconde chambre, en raison des forces inégales qui lui sont appliquées par le fluide hydraulique, jusqu'à la position représentée à la figure 1. - Au moment choisi du déclenchement (figure 5) on interrompt l'alimentation électrique de la seconde électro-vanne 30 et on excite la première électro-vanne 29. La communication avec le réservoir 31 est interrompue et les canalisations 22 et 23 sont de nouveau réunies. La pression s'égalisant des deux c8tés du clapet 12, la force de retenue cesse et le premier piston 7, propulsé par le liquide extérieur agissant par l'ouverture 5, revient brusquement à sa position de repos (seconde position). Sous l'effet de l'implosion, des impulsions sismiques intenses sont émises à l'intérieur du puits et transmises aux formations environnantes. - 10 - R E V E N D I C A T I ONS 1. - Dispositif pour engendrer des impulsions acoustiques par implosion à l'intérieur d'un puits, caractérisé en ce qu'il comporte un corps rigide allongé (1) de section inférieure à celle du puits et relié par un câble à une installation de surface, le corps rigide comportant deux chambres coaxiales (2,3) isolées l'une de l'autre par un élément de séparation fixe (4) une première (2) des deux chambres communiquant avec l'extérieur du corps à son extrémité opposée à l'élément de séparation, un premier piston (7) adapté à coulisser de manière étanche à l'intérieur de la première chambre entre une première position vers l'extrémité ouverte (5) de celle-ci et une seconde posi- tion vers l'extrémité opposée, le premier piston étant solidaire d'un clapet (12) de section supérieure à la section du premier piston qui est exposée, dans la première position de celui-ci, à la pression régnant à l'extérieur du corps, le clapet étant adapté à se déplacer dans la seconde chambre et à venir s'appuyer contre un siège ménagé sur l'élément de séparation, dans la première position du premier piston, un second piston (18) adapté à coulisser de manière étanche à l'intérieur de la seconde chambre du côté du clapet opposé audit élément et dont la course est au moins égale à celle du premier piston entre sa première et sa seconde positions, des moyens pour établir dans la première chambre, du côté du premier piston opposé à l'extré- mité ouverte, une pression très inférieure à la pression extérieure et un système hydraulique de manoeuvre comportant des moyens moteurs et des circuits hydrauliques, disposé à l'intérieur du corps rigide, pour déplacer le premier piston vers sa première position, par poussée du second piston sur le clapet jusqu'à son siège et pour maintenir par intermittence le clapet contre son siège, lorsque le second piston est ramené vers l'extrémité de la seconde chambre opposée à l'élément de séparation. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le siège du clapet comporte un évidement intérieur (14), la section de ladite ouverture (5) est inférieure à celle du clapet, le premier - 11 - piston comporte une partie (7B) adaptée à venir clore de manière étanche ladite ouverture, lorsque le clapet est en appui sur son siège, la seconde chambre comporte deux parties de sections inégales, le se- cond piston comporte deux parties de sections différentes adaptées res- pectivement aux sections des deux parties de la seconde chambre (3), l'extrémité du second piston (18) de section la plus grande étant adaptée à venir en appui sur le clapet, et en ce que le système hydraulique comporte une source de pression (34), un premier circuit hydraulique et un premier moyen de commutation (33) pour établir par intermittence une surpression dans la partie de la seconde chambre de plus faible section et un second circuit hydraulique associé à un ensemble de commutation (29, 30) pour mettre ledit évidement (14) du siège en communication par intermittence avec un réservoir (31) dont la pression est très inférieure à celle régnant dans la seconde chambre, lorsque le clapet est en appui sur son siège. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de pression (34) est une pompe hydraulique communiquant par le premier circuit (24, 25) avec la partie de plus faible section de la seconde chambre (3) et avec la partie opposée de celle-ci par l'intermédiaire d'une électro-vanne (33) ouverte au repos et actionnée simultanément à la pompe, le système de commutation comportant deux électro-vannes (29, 30) fermées en position de repos et actionnées successivement, faisant communiquer ladite cavité (14) du siège par l'intermédiaire du second circuit hydraulique (22, 23), respectivement avec ledit réservoir (31) et avec la partie de plus grande section de la seconde chambre (3). 4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche (40) d'un matériau amortisseur est de préférence intercalée entre le premier piston et l'élément (4) séparant les deux chambres, pour freiner le mouvement dudit premier psiton, au voisinage de sa seconde position. - 12 - 5. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier moyen de commutation est une électro-vanne ouverte en position de repos et mettant en communication lorsqu'elle est actionnée élec- triquement, par l'intermédiaire de canalisations (24, 25), les volumes de la seconde chambre, et d'autre part du second piston (18), le fluide hydraulique à sa plus basse pression étant maintenu à la pression régnant à l'extérieur du corps par un piston libre (37) déplaçable dans un cylindre (36) ouvert à l'une des extrémités, et en ce que l'ensemble de commutation comporte deux électro-vannes (29, 30) fermées en position de repos, ledit évidement du siège étant mis en communication par fermeture sélective de ces deux électro-vannes, avec la partie de la seconde chambre au voisinage de l'élément de séparation (4) ou avec ledit réservoir (31). 6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier piston dans sa première position vient obturer une ouver- ture (5) pratiquée dans une pièce (6) rapportée à l'extrémité ouverte de la première chambre (2). 7. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture (5) de la première chambre (2) est délimitée par une pièce rapportée (6) formant siège pour le premier piston dans sa première position, et en ce qu'il comporte des moyens pour supprimer les surpressions entre le piston et ladite pièce rapportée dans la première position dudit piston.