Brevet FR2563919A1 — publié le 19851108

La présente invention a pour objet un dispositif pour appliquer des contraintes radiales impulsionnelles à la paroi d'un puits 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 sismiques. Une source d'impulsions pour puits présente un certain nombre d'avantages. On peut, en utilisant une telle source, effectuer des opérations de prospection sismique de puits à puits qui permettent d'obtenir un pouvoir de résolution élevé ou encore restituer rapidement des profils sismiques obliques en captant les ondes émises au moyen d'une pluralité de récepteurs disposés en surface. Elle est en outre plus efficace qu'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 inexploitables 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 onde P ou S d'une source de puits émettant sous la couche altérée est de ce fait beaucoup plus élevée. -- 2 - 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 mais le spectre de fréquence de ces impulsions comporte une partie notable de fréquences élevées sans intérêt pratique dans le domaine de la prospection sismique. 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 3.408.622, 3.858.167 ou 3.408.622. Des impulsions sismiques peuvent aussi être engendrées par des sources du type canon à air au moyen de brusques décharges d'air imprimé à l'intérieur du puits rempli d'eau. De telles sources produisent 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. Une telle source est décrite par exemple dans le brevet français 2.311.322. On connait également une source adaptée à engendrer des ondes acoustiques dans un puits contenant de l'eau par brusque éjection de liquide suivant une direction perpendiculaire à l'axe du puits combinée avec une aspiration dans la direction radiale opposée, ces mouvements brusques de liquide étant provoqués par le déplacement d'un équipage mobile sous l'action de forces électromagnétiques. Cette source qui est décrite dans le brevet US 4.207.961 est particulièrement utilisée pour émettre des ondes du type S suivant une direction prédominante de radiation parallèle à l'axe du puits. Le dispositif selon l'invention permet de transmettre des contraintes radiales très puissantes aux formations environnant un puits. Il -3 comporte un corps de sonde adapté à être descendu dans un puits à l'extrémité d'un câble, au moins un patin d'ancrage relié au corps de sonde et déplaçable par rapport à celui-ci entre une position de repos et une position d'ancrage o il est appliqué contre la paroi du puits, sous l'action de moyens moteurs. Il est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer des contraintes radiales intermittentes audit patin, lorsque celui-ci est en position d'ancrage. Les moyens moteurs pour déplacer le bras d'ancrage comportent par exemple au moins un vérin de manoeuvre et un système hydraulique pour commander le vérin. Les moyens pour appliquer des contraintes radiales intermittentes comportent par exemple un système hydraulique auxiliaire pour appliquer au vérin de manoeuvre, en position d'ancrage du patin, une force hydraulique intermittente. Le dispositif selon l'invention possède un très bon rendement énergétique dans la mesure o il fonctionne par application d'impulsions à un ou de préférence plusieurs patins déjà ancrés contre les parois. Son diagramme directionnel en ondes du type P est peu directif, ce qui le rend particulièrement adapté à la prospection sismique de puits à puits ou à la prospection sismique verticale dite inverse o les ondes émises sont captées par un ensemble de récepteurs disposé en surface. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaitront à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre une vue schématique partielle du corps de sonde ancré par application contre la paroi d'un puits de patins d'ancrage (un seul est représenté) sous l'action de vérins; - 4 - la figure 2 représente schématiquement en vue de dessus le corps de sonde ancré dans un puits par trois patins disposés à 120 les uns par rapport aux autres; - la figure 3 représente de façon synoptique, le système hydraulique de commande des vérins associés aux patins, les électro-vannes dudit système étant positionnées pour que les patins soient maintenus en position de retrait; - la figure 4 représente le même système, o les électro-vannes sont positionnées pour l'ancrage des patins contre les parois du puits; et - la figure 5 représente le même système, les électro-vannes étant positionnées pour qu'une contrainte radiale soit appliquée aux patins déjà ancrés. Si l'on se reporte à la figure 1, on voit que le dispositif comporte un corps de sonde 1 qui peut être descendu dans un puits ou forage 2 à l'extrémité d'un câble multi-fonctions 3 adapté à soutenir la sonde et comprenant des conducteurs électriques permettant la transmission de signaux de commande depuis une installation de surface jusqu'à la sonde et en retour, la transmission de signaux de mesure engendrés par des appareils de mesure de la sonde jusqu'à la surface. Le corps 1 est associé à trois patins 4 (Fig. 2) disposes de préférence à 120 les uns des autres, qui peuvent être déplacés d'une position de retrait permettant les libres déplacements de la sonde dans le puits, à une position d'écartement o ils sont appliqués contre la paroi du puits, sous l'action de vérins 5. Chaque patin d'ancrage est associé par exemple à trois vérins disposés radialement et comportant chacun une tige 6 solidaire d'un piston 7 adapté à coulisser dans un cylindre 8 sous l'action d'un système -5- hydraulique de manoeuvre. Ce système comporte un accumulateur oléopneumatique 9 d'un type connu, comportant deux chambres remplies respectivement d'huile et d'air sous pression qui sont séparés par une membrane déformable 10. Il comporte aussi un ensemble de commande contenu dans un compartiment ll et trois canalisations 12, 13, 14 pour faire communiquer l'ensemble de commande respectivement avec la chambre remplie d'huile de l'accumulateur 9, avec les chambres 8b des cylindres 8 des vérins les plus proches des patins et avec les chambres 8a opposées desdits cylindres. Un accumulateur analogue 15 est également disposé à l'intérieur du corps et connecté à l'ensemble de commande par une canalisation 16. Les accumulateurs 9 et 15 sont respectivement utilisés pour l'ancrage des patins et l'application d'impulsions aux patins ancrés, comme on le verra ci-après. L'ensemble de commande contenu dans le compartiment 11 comporte (Figs 3, 4, 5) une pompe hydraulique 17, un cylindre 18 de compensation de pression statique fermé à une première extrémité et communiquant avec l'extérieur du corps de sonde à son extrémité opposée, à l'intérieur duquel coulisse librement un piston 19. La chambre du cylindre 18 du côté fermé de celui-ci, est remplie d'huile qui, en raison du libre coulissement du piston 19, est maintenue en permanence à la pression régnant dans le puits. Une canalisation 20 fait communiquer cette chambre avec l'entrée E de la pompe 17. La sortie s de la pompe communique par une canalisation 21 avec une voie d'entrée a d'une première électro-vanne EV1 à trois voies. Une canalisation 22 sur laquelle est disposée une soupape anti-retour 23, fait communiquer une première sortie b de l'électro-vanne EV1 avec une des voies c d'une électro-vanne à trois voies EV2, avec une canalisation 12 venant de l'accumulateur 9 (Fig. 1) et avec une canalisation 24 connectée A une voie d d'une électro-vanne à trois 6- voies EV3. La seconde voie de sortie e de l'électro-vanne EV1 est reliée à une voie f d'une quatrième électro-vanne EV4 à deux voies par une canalisation 25, à laquelle se raccorde la canalisation 16 venant de l'accumulateur 15. Une seconde voie g de l'électro-vanne EV2 et une seconde voie h de l'électro-vanne EV3 communiquent par une canalisation 26 avec la canalisation 20, à l'entrée E de la pompe. Une canalisation 27 fait communiquer une troisième voie i de l'électro-vanne EV2 avec une voie j d'une électro-vanne à deux voies EV5, l'autre voie k de celle-ci communiquant par une canalisation 28 avec la canalisation 14 (Fig. l) reliant les chambres 8a des vérins 5 les plus éloignées des patins 4. La canalisation 13 interconnectant les chambres opposées 8b de ces mêmes vérins, communique avec une canalisation 29 connectée à la troisième voie 1 de l'électro-vanne EV3. La canalisation 28 est connectée à la seconde voie m de l'électro- vanne EV4 par une canalisation 30 et à la canalisation 27 par une canalisation 31 sur laquelle est disposée une soupape anti-retour 32. Une première soupape tarée 33 disposée sur une canalisation 34 qui réunit les canalisations 22 et 20, permet de limiter l'écart entre la pression de charge Pl de l'accumulateur 9 et la pression statique extérieure Po, à une première valeur prédéterminée Pl. Une seconde soupape tarée 35 disposée sur une canalisation 36 réunissant les canalisations 25 et 20, permet de la même façon de limiter l'écart entre la pression de charge P2 de l'accumulateur 15 et la pression statique extérieure Po, à une seconde valeur prédéterminée i P2 supérieure àAPl. Les électro-vannes sont actionnées par des signaux électriques provenant d'un boitier de commande 37. Les électro-vannes EV2, EV3 sont actionnées simultanément depuis le boitier par une ligne électrique p. De la même manière, une même ligne q issue du boitier 37, permet d'actionner simultanément les électro- - 7 - vannes EV4, EV5. L'électro-vanne EV1 est actionnée séparément par une ligne r provenant également du boitier. Le boitier 37 est connecté à des moyens électriques (non représentés) d'entrainement de la pompe 17 par une ligne d'alimentation t. Une ligne V (non représentée) le connecte à des conducteurs électriques du câble multi-fonctions 2 (Fig. 1) supportant le corps de sonde 1. L'accumulateur 9, les électro-vannes EV2, EV3 et les canalisations qui les relient à l'accumulateur et aux vérins d'ancrage 5, constituent les moyens d'ancrage. L'accumulateur auxiliaire 15, les électro-vannes EV4, EV5 et les canalisations reliant celles-ci à l'accumulateur 15 et à la chambre 8a des vérins d'ancrage, constituant les moyens d'application de contraintes radiales. L'ensemble de mise en pression des accumulateurs 9 et 15, constitué de la pompe 17, du cylindre 18 de compensation de pression statique, de l'électro-vanne EV1, des soupapes 33, 35 et des canalisations associées, est commun aux moyens d'ancrage et aux moyens d'application de contraintes radiales. En position de repos, l'électro-vanne EV1 fait communiquer les canalisations 21 et 22, l'électro-vanne EV2 fait communiquer les canalisations 26 et 27, l'électro-vanne EV3 fait communiquer les canalisations 24 et 29, l'électro-vanne EV4 isole l'une de l'autre les canalisations 25 et 30 et enfin l'électro-vanne EV5 fait communiquer les canalisations 27 et 28. La soupape anti-retour 23 est interposée sur la canalisation 22 pour interdire la décharge de l'accumulateur 9 dans la pompe 17, lorsque celleci est arrêtée. La soupape 32 empêche la décharge de l'accumulateur 15 dans l'accumulateur 9 par l'intermédiaire des canalisations 25, 30, 31 lorsque les électro-vannes EV2, EV4 et EV5 sont excitées. Le système hydraulique est agencé pour que, en position de repos des -8électro-vannes, la chambre 8a de chaque vérin la plus éloignée de chaque patin soit maintenue à la pression Po extérieure au corps 1, la pression dans la chambre opposée 8b qui est celle de l'accumulateur 9 étant supérieure à cette pression statique, de manière qu'aucune force d'ancrage ne s'excerce sur les patins. Le dispositif fonctionne de la manière suivante: - les électro-vannes étant toutes en position de repos (Fig. 3), le dispositif est descendu dans le puits 2 depuis la surface jusqu'à la profondeur de fonctionnement choisi ou déplacé jusqu'à celle-ci depuis une position de travail antérieure. - On commande la mise en fonctionnement de la pompe 17 et on charge l'accumulateur 9 jusqu'à la pression prédéterminée P1 = Po + A P1 fixée par l'élément de limitation (soupape tarée) 33, puis on actionne l'éléctro-vanne EV1 de manière à mettre en communication les voies a et e de celle-ci. Le fluide sous pression délivré par la pompe 17 est alors utilisé pour gonfler l'accumulateur 15 jusqu'à la pression prédéterminée P2 = Po + P2 fixée par la soupape tarée 35. Les accumulateurs étant charges, la pompe est alors arrêtée. - On actionne alors simultanément les électro-vannes EV2, EV3 (Fig. 4) de manière à mettre en communication les voies c et i d'une part et h et 1 d'autre part. Ceci se traduit par l'application de la pression P1 de l'accumulateur 9 aux chambres 8a des vérins et de la pression statique extérieure Po inférieure à P1 aux chambres opposées 8b des mêmes vérins. La résultante des forces hydrauliques appliquée aux tiges 6 a pour effet d'écarter les patins 4 du corps 1 et de les plaquer contre les parois du puits. - Les patins étant appliqués contre les parois, on déclenche les moyens d'application des contraintes radiales. Pour cela, on applique aux électro-vannes EV4, EV5 un signal de commande -9- intermittent par la ligne q, de manière à mettre en communication les voies f, m et isoler l'une de l'autre les voies j, k pendant un instant relativement bref (Fig. 5). La canalisation 28 et par conséquent la chambre 8a des vérins d'ancrage 5 se trouvant mises, par l'intermédiaire de la canalisation 25 en communication avec l'accumulateur auxiliaire 15 chargé à une pression P2 beaucoup plus élevée que la pression d'ancrage Pl, une impulsion très forte est appliquée aux vérins 5 et par conséquent aux patins d'ancrage 4. I1 en résulte qu'une impulsion sismique radiale est transmise aux formations environnantes. Le cycle de déclenchement peut être effectué plusieurs fois à un même emplacement. Les enregistrements sismiques correspondant respectivement aux différentes impulsions émises sont alors sommés pour obtenir un enregistrement amélioré. Le retrait des patins 4 permettant le déplacement du dispositif le long du puits, est ensuite effectué en ramenant les électro-vannes EV2, EV3 en position de repos (Fig. 3). Dans le mode de réalisation décrit, les moyens d'application de contraintes radiales sont constitués d'un système hydraulique auxiliaire comportant un accumulateur et des électro-vannes connectés au système hydraulique d'ancrage. Mais on ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant le système hydraulique auxiliaire par tout moyen équivalent capable d'appliquer des contraintes radiales à des patins déjà ancrés contre la paroi du puits. - 10 - R REVENDI C A T I ONS 1. - Dispositif pour appliquer des contraintes radiales impulsionnelles à la paroi d'un puits ou forage, comportant un corps de sonde (1) adapté à être descendu dans un puits (2) à l'extrémité d'un câble (3), au moins un patin d'ancrage (4) relié au corps de sonde et déplaçable par rapport à celui-ci entre une position de repos et une position d'ancrage o il est appliqué contre la paroi du puits, sous l'action de moyens moteurs, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer des contraintes radiales intermittentes audit patin lorsque celui-ci est en position d'ancrage. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens moteurs pour déplacer ledit bras d'ancrage comportent au moins un vérin de manoeuvre (5) et un système hydraulique pour commander ledit vérin. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer des contraintes radiales intermittentes comportent un système hydraulique auxiliaire pour appliquer au vérin de manoeuvre, en position d'ancrage dudit patin, une force hydraulique intermittente. 4. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système hydraulique comporte un accumulateur (9) chargé à une pression (P1) supérieure à la pression statique (Po) extérieure au corps de sonde et des moyens pour distribuer le fluide hydraulique de l'accumulateur audit vérin de manoeuvre, de manière à déplacer le patin d'ancrage alternativement vers la paroi du puits et vers le corps de sonde, et en ce que le système hydraulique auxiliaire comporte un second accumulateur (15) chargé à une pression (P2) supérieure à celle du premier accumulateur et des moyens pour appliquer par intermittence le fluide délivré par le second accumulateur au vérin de manoeuvre, lorsque ledit patin est appliqué - 11 - contre la paroi du puits, de manière à appliquer à celui-ci une force hydraulique radiale. 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (17) pour délivrer un fluide sous pression, une première électro-vanne (EV1) pour mettre cesdits moyens en communication avec le premier accumulateur ou le second accumulateur et des moyens pour limiter à des valeurs prédéterminées les écarts de pression entre les pressions respectives (P1, P2) de charge des deux accumulateurs et la pression statique (Po) extérieure au corps de sonde. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de limitation des écarts comportent un cylindre d'équilibrage (18) à piston libre (19) pour rendre la pression la plus basse du fluide des deux systèmes hydrauliques, en permanence égale à la pression statique extérieure au corps de sonde et des circuits (34, 36) comportant des soupapes tarées (33, 35). 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de distribution comportent une seconde électro-vanne (EV2) et une troisième électro-vanne (EV3), la seconde électro-vanne étant associée en série avec une quatrième électro-vanne (EV4) ouverte en position de repos. 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour appliquer le fluide délivré par le second accumulateur comportent une cinquième électro-vanne (EV5) fermée en position de repos, cette électro-vanne étant disposée sur une portion de circuit reliant le second accumulateur (15) audit vérin de manoeuvre (5). 9. - Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs patins d'ancrage disposés à la périphérie du corps de la sonde, chacun d'eux étant relié à plusieurs vérins de manoeuvre.