Brevet FR2563273A1 — publié le 19851025

Divers procédés ont été utilisés pour déterminer les paramètres tels qu'une direction, une pression ou une relation par rapport à une formation adjacente, pendant le forage d'un sondage, et pour récupérer les données à partir du sondage. Le brevet des Etats-Uihis d'Amérique N 3 771 118 décrit un procédé dans lequel le train de tiges est tiré en totalité du sondage, périodiquement, et remplacé par une certaine forme d'outil de contrôle qui enregistre les données, par exemple sur un film, ou les transmet au front d'attaque par l'intermédiaire d'un câble électrique de liaison. Il est suggéré, dans lesbrevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 790 930 et N 4 001 773, un autre procédé par lequel des données sont transmises de façon acoustique de l'intérieur du sondage par le train de tiges, soit pendant le forage, soit pendant des pauses del'opération de forage, la transmission s'effectuant par ondes de torsion. Il a été également proposé, comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis N 4 019 148, N 4 293 936 et N 4 390 975, de produire des données sous une forme binaire et de les utiliser pour la modulation de la fréquence d'un signal acoustique qui peut être transmis par le train de tiges, à l'aide de répéteurs si cela est souhaité. Divers éléments utiles dans la télémétrie par données acoustiques sont connus dans l'art antérieur, par exemple un capteur décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 021 773, un isolateur acoustique décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 066 995 et un transducteur à résonance acoustique décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 4 283 780. Un dispositif spécialisé pour le guidage acoustique du forage d'un second trou, parallèle à un premier sondage existant, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 391 336. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 386 664 décrit un procédé pour commander la direction du forage d'un sondage sensiblement horizontal, par exemple pour le drainage du méthane à partir d'une veine de charbon. Enfin, une étude de télémétrie de fond de sondage a été publiée dans "Journal of Petroleum Technology", en octobre 1983, pages 1792-1796, par Kamp, sous le titre "Downhole Telemetry from the User's Point of View". L'invention porte sur la télémétrie sans fil de données de sondage utilisant un émetteur qui est à la fois physiquement robuste et simple à faire fonctionner et entretenir. Un grand nombre des dispositifs utilisés jusqu'à présent sont suffisamment complexes à utiliser, interpréter et entretenir pour qu'il existe une industrie spé- cialisée de la diagraphie de puits. L'invention concerne un dispositif de télémétrie de données de puits, dans lequel les données sont transmises sous la forme d'impulsions binaires audibles codées, à partir d'un émetteur autonome, le long du train de tiges de forage jusqu'au front d'attaque o elles sont décodées. Les impulsions sont produites par l'excitation d'une bobine électrique dont le corps est en couplage acoustique avec le train de tiges de forage. Dans une forme préférée de réalisation, le cycle de transmission de données est déclen- ché par la détection, par l'émetteur, d'un intervalle prédéterminé d'inactivité de forage. Dans une autre forme préférée de réalisation, l'alimentation en énergie des éléments sensibles se trouvant dans l'émetteur est coupée lorsque l'émetteur détecte un intervalle prédéterminé, relativement long, d'inactivité de forage. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une élévation, avec coupe partielle, d'une installation de télémétrie utilisée dans un sondage horizontal, conformément à la présente invention; - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un dispositif émetteur conforme à l'invention; et - la figure 3 est un schéma simplifié d'un circuit convenant à la mise en oeuvre de la présente invention. En référence à présent aux dessins, et notamment à la figure 1, on y voit représentée une machine I0 de forage reposant sur des roues 12 ou sur un mécanisme à chenilles, conçue pour exercer une poussée vers l'avant. La machine 10 est représentée dans une cavité excavée 14 délimitée par un plafond 16 et un mur 18. La machine est placée à proximité du front 20 d'une veine s'étendant à peu près horizontalement, telle qu'une veine de charbon, dans laquelle un trou horizontal est en cours de forage. Conformément à l'opération de forage, un trou surdimen- sionné 22 est d'abord foré, puis un manchon ou un tubage métallique 24 est introduit dans le trou et est fixé en position, par exemple par injection de ciment 26 dans l'espace annulaire compris entre la surface extérieure du tubage 24 et l'intérieur du trou 22. Ensuite, la machine 10 est équipée d'un ou plusieurs tronçons de tiges 28 de forage et, sur l'extrémité avant, d'un émetteur 30 de guidage et d'un moteur 32 de fond équipé d'un outil rotatif 34 de forage. Au point o la tige 28 pénètre dans le tubage 24, il est prévu un presse-étoupe 36. De l'eau sous haute pression provenant d'une source non représentée arrive par un tuyau 38 et par un raccord 40 à l'intérieur de la tige 28. L'eau sous haute pression s'écoule le long de la tige 28 jusqu'au moteur 32, fournissant l'énergie nécessaire à la rotation du moteur 32 et, donc, de l'outil 34, et elle sert également à refroidir l'outil 34 en étant déchargée par des orifices ménagés dans cet outil. L'eau déchargée revient ensuite le long du sondage, dans l'espace annulaire 42 situé à l'extérieur de la tige 28 de forage, entraînant avec elle les déblais qu'elle fait sortir du trou en cours de forage. L'eau et les déblais sont évacués en passant par un raccord 44 fixé sur le tubage 24, puis sortent par un tuyau 46 relié au raccord 44. Enfin, un détecteur acoustique 48, tel qu'un accéléromètre piézo-électrique en contact avec la tige 28, est connecté par un câble électrique 50 à un dispositif d'affichage et de lecture 52. Il convient de noter, dans la description préceédente, que l'on utilise un moteur de fond pour faire tourner l'outil 34 et que, par conséquent, l'opération de forage ne demande à la machine 10 que d'exercer un mouvement ou une poussée axial sur les tiges 28 de forage. Cependant r le dispositif de guidage selon l'invention est également utile à un forage rotary dans lequel la machine 10 applique non seulement une poussée axiale, mais également une rotation au train de tigesde forage 28 et à l'outil 34. Dans ce cas, le moteur de fond 32 est évidemment inutile. L'émetteur 30 de guidage sera décrit plus complètement en référence à la figure 2. L'émetteur 30 est configuré de façon à être monté dans un train de tiges de forage classique et il est avantageusement du même diamètre extérieur que la tige 28. Il comporte donc, à ses extrémités, des sections filetées femelle et mâle 60 et 62 respectivement, prévues à cet effet. Comme indiqué précé- demment, il est relié au moteur 32 et à l'outil 34 de forage, montrés schématiquement sur la figure 1, par son extrémité avant ou extrémité de fond, à l'aide des filets 62. De I'eau sous haute pression, destinée à entraîner le moteur 32, entre dans l'ensemble 30 par son extrémité de gauche, à partir du canal central ménagé dans la tige de forage immédiatement adjacente 28 (non représentée). L'eau pénètre dans un alésage axial central 64, puis sort, par plusieurs canaux radiaux 66 aboutissant à un espace annulaire 68. Ce dernier est situé entre un corps extérieur 70 et un corps intérieur 72. Le corps intérieur 72 est totalement fermé de façon hermétique, c'est-à-dire qu'il est fermé à ses deux extrémités, sans présenter d'ouvertures, même pour le passage, par exemple, de câbles électriques. Il est supporté à l'intérieur du corps extérieur 70 par plusieurs croisillons 74 de centrage. %he fois que l'eau a franchi les croisillons 74, elle pénètre dans le moteur 32, par son orifice central d'entrée (non représenté) pour fournir l'énergie, comme décrit. Le corps intérieur 72 contient un ensemble détecteur-émetteur autonome, étanche. Ses éléments sont disposés physiquement comme montré sur la figure 2 et leur fonctionnement sera décrit en regard de la figure 3. A partir de l'extrémité de fond 62, les éléments comprennent un capteur 80, un détecteur gamma 82, un ensemble à ampli- ficateur gamma et source d'alimentation 84, une carte 86 d'interface, une batterie 88 de piles d'alimentation et un ensemble 90 à bobine et percuteur. Dans une forme préférée de réalisation, la matière constituant à la fois le corps intérieur 72 et le corps extérieur 70 dans la zone entourant le capteur 80 est une matière non magnétique. Le corps intérieur 72 peut également être divisé en sections par des raccords isolants 92, comme représenté, ce qui simplifie le remplacement des piles 88. La partie du corps intérieur 72 entourant l'ensemble à bobine et percu- teur 90 est avantageusement résistante aux explosions. Le corps extérieur 70 est conçu pour supporter la totalité de l'effort de poussée de forage et, si cela est approprié, l'effort de torsion lors d'un forage rotary. Le-fonctionnement de l'ensemble capteur-émetteur sera présenté en référence à la figure 3. La totalité du circuit montré sur la figure 3 est alimentée par la batterie de piles 88, montrée sur la figure 2 mais non sur la figure 3, laquelle batterie est constituée avantageusement d'un certain nombre de piles rechargeables étanches, connectées en série. Uh contrôleur 100 d'activité, qui peut comprendre un accéléromètre sensible, détecte la présence ou l'absence de bruit indiquant une activité de forage à l'intérieur du sondage. Au bout d'un intervalle programmé de silence (absence d'activité de forage), le détecteur 100 déclenche la transmission de données codées par un élément pilote 112 et l'ensemble 90 à bobLne et percuteur, lesquelles données ont été connectées et enregistrées par la partie restante du circuit, dans l'intervalle consécutif à toute transmission précédente. Le capteur 80 comprend des accéléromètres X, Y et Z orientés sur trois axes perpendiculaires entre eux, et des magnétomètres X', Y' et Z', d'orientation similaire. Uh signal est également produit par un accéléromètre 102 sensible aux vibrations et son amplificateur associé 104 de maintien de crête. Les six signaux provenant du capteur 80 et un signal provenant de l'amplificateur 104 sont regroupés séquentiellement par un multiplexeur 106 qui les transmet sous une forme analogique à un convertisseur analogique/ numérique 108. Ces données mises sous forme numérique sont transmises à un micro-ordinateur 110 qui peut également recevoir un signal provenant d'une source 84 de polarisation d'amplificateur, tel que détecté par le détecteur gamma 82. Le capteur 80 peut être, par exemple, un capteur pour sondage du type "Develco", modèle 106470-05, disponible auprès de la firme Develco Inc. de Sunnyvale, Californie. L'ensemble 90 à bobine et percuteur peut comprendre une bobine linéaire telle que le modèle L12AM5LE124P24, disponible auprès de la firme The G. W. Lisk Co. Inc., Clifton Springs, N. Y. On modifie cette bobine en fixant une masse métallique cylindrique supplémentaire à bride à l'extrémité de son plongeur et en mettant en place un faible ressort de compression ou de rappel entre le corps de la bobine et la bride. Le corps de la bobine est ajusté étroitement dans le corps intérieur 72 avec lequel il réalise un couplage acoustique ainsi, par suite, qu'avec le corps ex- térieur 70. Chaque excitation de la bobine 90 a donc pour résultat un "coup" métallique bruyant hautement audible, lorsque le plongeur est tiré à l'intérieur du corps, lequel coup est aisément détecté après des transmissions sur des distances de plus de 840 m de tiges de forage de 73mm de diamètre, dans un sondage ménagé dans une veine de charbon. Une batterie de piles comprenant 12 piles du type D, au plomb, rechargeables et et étanches, montées en série, alimentant les capteurs, l'ensemble à bobine et percuteur et le circuit associé, le micro-ordinateur, etc, tels qu'indiqués ci-dessus, a permis plus de 250 cycles de transmission de données et l'addition de tiges supplémentaires de forage lors d'une opération réelle de forage. Comme indiqué, l'élément pilote 112 et l'ensemble à bobine et percuteur 90 transmettent une suite de données après que le détecteur 100 a capté un intervalle pré- programmé de silence, qui apparaît normalement lorsque le sondage a été avancé d'une longueur de tige 28, de manière que la machine 10 soit arrêtée pour ajouter une autre longueur de tige 28. Les données sont transmises sous forme binaire, c'est-à-dire qu'un "coup" produit par l'élément pilote 122 excitant la bobine 90 représente un "1" et que l'absence d'un coup ou un silence représente un "0". Si l'on se réfère de nouveau brièvement à la figure 1, le détecteur 48, qui est avantageusement placé à proximité immédiate de la machine 10, peut comprendre un microphone relié magnétiquement à la tige 28 de forage. Les "coups" du signal détecté sont transmis par le câble 50 au visuel 52. Ce dernier est codé de façon à interpréter Ies données à la réception d'un code "départ" transmis predeterminé, puis à les trier suivant une séquence temporelle pour afficher une valeur et/ou produire un affichage numérique pour le guidage de l'opérateur de la machine. Les données reçues peuvent évidemment être aussi enregistrées, par exemple sur une bande magnétique, afin de constituer un enregistrement permanent du trou. Un exemple particulier d'une suite convenable de données binaires, qui est avantageusement transmise à une fréquence comprise entre environ 1 et 10 Hz, est donné ci-dessous N de bits Identité des données 1-3 1-0-1 code départ 4-13 10 bits de gamma 14-23 10 bits d'accélération X 24-33 10 bits d'accélération Y 34-43 10 bits d'accélération Z 44-53 10 bits du magnétomètre X 54-63 10 bits du magnétomètre Y 64-73 10 bits du magnétomètre Z 74-83 10 bits de l'accélération maximale de chocs 84,85 2 bits (de moindre poids) d'accélération X 86-92 7 bits de total de contrôle Le total de contrôle est la somme de tous les éléments binaires "1" transmis, exprimée sous forme binaire, pour permettre au récepteur de vérifier l'exactitude de la réception. Dans une forme préférée de réalisation, le moniteur 100 et son circuit associé, non seulement déclenchent la transmission d'une suite de données après avoir détecté une période prédéterminée d'inactivité de forage, par exemple d'une à quelques minutes, mais ils arrêtent égale- ment l'alimentation de tous les autres éléments, par exemple le capteur 80 et le détecteur 82, après un intervalle pré- déterminé plus long d'inactivité de forage, par exemple de minutes à 1/2 heure, comme cela se produit entre des changements d'équipes ou la nuit. Cet arrêt automatique permet à l'émetteur de rester en fond de sondage pendant un intervalle beaucoup plus grand entre les rechargements des piles. Le détecteur 100 et le circuit associé de commande restent continuellement alimentés et remettent en action l'ensemble du cycle de détection et de transmission dès la détection d'une reprise de l'activité de forage. En général, le seul entretien demandé sur l'émetteur est un remplacement occasionnel de la batterie de piles 88 par une batterie de piles fraîchement rechargées. La disposition en segments du corps intérieur 72 facilite cette opération. Les données intéressantes concernant le sondage sont disponibles sur le visuel 52 situé au front d'attaque, en continu et de façon rapide, de sorte que l'opérateur de forage s'habitue aisément à une utilisation et une interprétation appropriées de ces données. Pour ces raisons, l'invention évite d'avoir affaire à un spécialiste des diagraphies sur place. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour transmettre des données d'un émetteur (30) à un récepteur (28) par un train de tiges de forage (48) dans un sondage, caractérisé en ce qu'il comporte: (a) des moyens de détection (80) placés à proximité de l'extrémité en fond de trou du train de tiges et conçus pour mesurer un paramètre du sondage et pour générer un signal analogique dépendant de cette mesure, (b) des moyens de conversion (108) connectés auxmoyens de détection et conçus pour convertir le signal analogique en un signal numérique binaire, (c) des moyens (110) d'enregistrement de signaux conçus pour enregistrer des signaux numériques provenant des moyens de conversion, (d) une source (88) d'alimentation en énergie électrique à batterie, et (e) un ensemble (90) à bobine électrique connecté à la source d'alimentation et auxditsmoyexnKd'enregistrement de signaux, et couplé acoustiquement au train de tiges de forage, à proximité de ladite extrémité située dans le trou, l'ensemble à bobine étant conçu pour générer une impulsion audible le long du train de tiges de forage à la suite de l'activation des moyens d'alimen- tation en réponse auxdits moyens d'enregistrement de signaux. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte en outre: (a) un détecteur (100) destiné à déterminer la présence ou l'absence d'activité du train de tiges de forage, et (b) un ordinateur (110) connecté au détecteur et conçu pour permettre la mise en action de l'ensemble à bobine lorsque le détecteur détermine l'écoulement d'un inter- valle de temps prédéterminé d'absence d'activité. 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de détection mesurent l'orien- tation directionnelle de l'extrémité du train de tiges de forage à l'intérieur du trou.