Brevet FR2593606A1 — publié le 19870731

La présente invention est relative à un procédé permettant de calculer la vitesse instantanée d'avancement d'un organe tournant ou percutant, notamment d'un outil de forage. Elle concerne également un appareillage permettant sa mise en oeuvre. Dans un forage, il est primordial de connaître avec précision la position de l'outil tournant ou percutant ainsi que la vitesse instantanée d'avancement de forage pour une tranche de terrain donnée. En effet, une telle information donne des renseignements multiples aussi bien sur la conduite des opérations de forage que sur la géologie des terrains traversés (lithologie, tectonique, associations mlnErales, approche d'un gisement métallique ou d'hydrocarbures) par l'interpretation des proprietés.rhéologiques des formations rencontrées. En d'autres termes, grâce à l'invention on peut, en plus d'un contrôle et d'une surveillance géologique minutieuse du forage, appréhender avec précision et en continu la nature des terrains traversés par ce forage. les divers appareils qui ont été jusqu'ici réalass sont généralement constitues par un compteur mécanique ou optique, solidaire d'une poulie entraSnée sans glissement par un câble relié a l'extremitE supérieure du train de tiges portant l'outil de forage. Certains de ces appareils enregistrent le temps mis pour forer une certaine unité de longueur, soit en fonction du temps comme dans le document US12 883 256, soit en fonction de la profondeur comme dans le document US-2 981 102. Dans ces appareils, la vitesse d'avancement est issue de mesures incrémentales qui correspondent à une fréquence de longueur dont la transmission, par l'intermédiaire d'un système du genre convertisseur fréquence-tension, fournit une valeur de la vitesse d'avancement. Ce procédé impose l'utilisation d'un lissage du signal analogique de sortie, ce qui affecte le calcul de la mesure d'une erreur préjudiciable lors des variations importantes de vitesse du fait de la bande passante imposée par le lissage. les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent å remédier aux inconvénients des appareils connus et à utiliser un procédé de détermination de la vitesse d'avancement n'utilisant pas la fonction temps lors de l'affichage sur un enregistreur graphique en continu de manière à supprimer ainsi les défauts dûs aux variations importantes de vitesse. De plus, la structure et la synchronisation des diffErentes étapes du procédé suivant l'invention les unes par rapport aux autres permettent, grâce à la gestion par micro-processeur, d'apporter une nouvelle méthode d'acquisition et de traitement de données "ON-LINE. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste - à conserver les compteurs d'un compteur-décaupteur à mémoire à l'état maximal ; - à compter les impulsions positives en l'état, c'est-à-dire s'ajoutant a l'état maximal ; i à recevoir et à compter lesdites impulsions positives par rapport à un pas de base prédéterminé en vue de créer un nombre exprimé en unités de pas de base ; - à transmettre ce nombre à au moins une borne d'interruption prioritaire d'un micro-processeur ; - à émettre une fréquence de temps de référence ; - a mesurer le temps écoulé entre l'apparition de deux impulsions successives se présentant à au moins la borne d'interruption du micro-processeur ;; - à faire le rapport entre le temps écoulé et le nombre exprimé en unités de pas de base ; - à transmettre ce rapport au micro-processeur et à l'afficher ; - et à commander l'avance d'un moyen permettant l'affichage graphique de la vitesse de translation de l'organe tournant ou percutant par rapport à sa cote de pénétration dans le milieu. L'invention se réfère également à un appareil permettant la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention permet de supprimer tous les effets d'atténuation sur le rendu graphique par l'absence de lissage analogique externe à 1 'enregistreur graphique. Elle restitue une valeur de vitesse instantanée d'avance moyenne par rapport à une valeur de pas élémentaire ou multiple de pas élementaire, par codage interne du nombre de cycles d'interruption du microprocesseur. Elle permet aussi de disposer de valeurs numériques de vitesse instanée d'avancement pour le stockage de données numériques permettant un traitement ultérieur aisé. Elle assure enfin la connection, grâce a un bus de données, de tout autre système different mais nécessaire pour l'scquisition d'autres paramètres externes pour avoir une synchronisatton à l'afELcha- ge sur un enregistreur graphique. Les avantages et les caractérlstlques de l'invention ressorttront mieux de la description qui va suivre donnee à tltre d'exemple non tinitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels fig. 1 est un diagramme des différents composants de l'appareil réalise pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Fig. 2 montre la representation graphique de la variation de vitesse instantanée d'avancement de l'outil par rapport I la cote de profondeur. En se référant à la fig. 1, I'appareil destiné la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, comprend un certain nombre d'éléments décrits ci-après On a référencé 1 une tête de forage, c'est-à-dire la partie supérieure d'un train de tiges dont ltextrémité inférieure est associée à un outil de forage tournant ou percutant non représenté. Bien entendu, il peut s'agir aussi de tout autre outil s'enfonçant dans un milieu quelconque. Une cordelette inextensible 2 est fixée par une de ses extrémités à la tette 1, elle entoure une poulie 3, son extrémité opposée à celle qui est associée à la tête 1 étant enrouée sur un tambour enrouleur 4 qui maintient une tension constante sur la cordelette.Ainsi la rotation de la poulie est-elle directement dépendante de la translation de la tête 1 dans un sens ou dans l'autre. La translation de la tête 1 déplace donc la cordelette 2 qui entraîne la rotation de la poulie 3 à laquelle est associé un codeur 5 tournant en synchronisme avec cette poulie. Ce codeur est prévu optique incrémental de marnière que par sa conception et son mouvement de rotation il crée deux trains d'impulsions décalés de 900 l'un par rapport à l'autre, soit en avance soit en retard suivant le sens de rotation de la poulie 3, et dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de cette poulie. Le codeur peut ainsi créer deux trains d'impulsions A et B qui sont appliqués à un système de permutation 6 pouvant etre soit électrique soit électromagnétique et comportant une porte logique du type OU EXCLUSIF' qui permet de reposittonner les deux trains d'impulsions A et B par rapport aux circuits avals. Ceci permet de placer le codeur 5 dans n'importe quel sens, par exemple au sommet du derrick d'un forage ou sur la table de rotation de celuici par un dispositif de rappel de la cordelette 2 ou à n'importe quel endroit facilitant la prise de mesure. Les deux sorties du système de permutation 6 sont appliquées à un système de décodage 7 dont le rôle est de Jefinir le sens de translation de la tête 1. En pratique, grâce à ce système de décodage, il est possible de savoir si la tête descend ou remonte en partant du passage des deux trains A et B dans un système équivalent à une porte logique du type OU EXCLUSIF. De tels circuits n'ont pas à être décrits de manière plus détaillée car ils sont bien connus des hommes du métier. Les deux sorties C et D du système de décodage 7 sont introduites dans un circuit de mise en forme 8 dont le rôle unique est de calibrer les impulsions électroniques qui seront introduites en aval dans d'autres circuits. Les deux sorties E et F du système de mise en forme 8 des impulsions électroniques sont appliquées à l'entrée d'un dispositif de compteur-décompteur à mémoire 9 dont les fonctions sont différentes selon qu'il reçoit des impulsions E ou F, c'est-à-dire selon que les trains d'impulsions ont été identifies comme provenant de la descente de la tête 1 (voie E) ou de sa remontée (voie E). Le dispositif 9 comporte des compteurs qui initialement sont positionnés à leur état maximal. Si le train d'impulsions provient de la voie E, celui-ci traver- se le dispositif 9 sans modification des compteurs car il ressort de ce dispositif par un bouclage 10 destiné à rtaintenir les compteurs à leur état maximal -malgré le passage des impulsions provenant de la vote E. Ainsi on obtient un cyclè permanent I chaque apparition d'impulsion. Si le train d'impulsions provient de la voie Fcorrespondant à la remontée de la tête 1, celui-ci va déclencher une décrémentation progressive des compteurs du dispositif 9, celle-ci s'effectuera d'autant d'unités qu'il y a d'impulsions dans le train considéré provenant de la vote F. Si après être remontée, la te te 1 redescend, le train d'impulsions émis en correspondance et provenant de la vote E va déclencher une incrémentation progressive des compteurs du dispositif 9 qui sont comme indiqué ci-dessus dans un Stat inférieur a celui maximal.Des que les compteurs reviennent a leur état maximal, le surplus d'impulsions est transféré par la voie de sortie G du dispositif 9 de sorte que l'on peut comme on l'indiquera plus loin repérer la position de l'outil associe à la tête 1 en terme de longueur. Par cette procédure le dispositif 9 matErialise les fonctions décrites ci-dessus. La sortie la plus haute du report des compteurs de ce dispositif 6, représente dès lors sur la sortie G le pas élémentaIre de longueur, de forage. Cette valeur n'est pas nécessairement une valeur entière d'unité de longueur cela pourrait etre une valeur décimale. Cette valeur est alors ajustée grâce a un diviseur 11, pour reprEsenter le pas de base désiré. Ce pas est choisi de manière å représenter une longueur, par exemple de Smm, de telle sorte que le diviseur 11 Émet des impulsions représentatives d'une valeur exprime en unité de pas de base. Autrement dit, ce diviseur divise le nombre d'impulsions reçues par un nombre d'impulsions égal à celui du pas de base pour obtenir un quotient reprEsentatif de la valeur d'avance de la tête 1 ou d'une longueur forée. I1 est alors possible d'afficher la cote a laquelle se trouve l'outil associé a la tete 1 sur un compteur de profondeur 12 ou de celle de n'importe quel autre point repéré reliant la tette 1 à cet outil. Le compteur 12 peut par exemple afficher l'équivalent du centimètre d'avance de l'outil. L'impulsion ainsi calibree issue du diviseur 11 est amenée à au moins une borne d'interruption 13 d'un micro-processeur 14, ladite borne devant hêtre prioritaire sur le reste des tâches de ce micro-processeur afin de pouvoir exécuter les calculs relatifs à la vitesse instantanEe d'avancement de la tete 1 ou de l'outil qui lui est relié. Une horloge de précision 15 extérieure a l'ensemble des ElEments décrits ci-dessus délivre une fréquence de référence représentant soit la valeur maximal de translation pouvant entre atteinte par la tête 1, soit la vitesse maximale voulue pour la restitution graphique de la vitesse instantanée d'avancement, soit toute autre représentation de vitesse d'un phénomène physique par l'intermédiaire ou non d'un diviseur 16 ou par l'action directe de la fréquence de référence par l'horloge 15.Cette fréquence de temps est applique par un diviseur de fréquence 17, prEpo6itionné a une certaine valeur qui est l'image numérique de la pleine échelle d'un enregistreur graphique D Autrement dit, le diviseur est prépositionné a une valeur reprEsentant l'abscisse maximale de la représentation graphique du phEnombne telle qutillustrEe en fig. 2. Le rôle principal de ce diviseur de fréquence 17 est donc de décompter en permanence entre deux interruptions déclenchées par l'arrivée sur au moins la borne d'interruption 13 d'une impulsion calibré représentative d'un pas élEmentaire de longueur d'avancement de la tête 1. Autrement dit, le diviseur de fréquence mesure le temps Coulé entre l'apparition de deux i:npulsions successives à la borne 13 du micro-processeur 14 et représentatif d'une longueur d'avancement et fait le rapport entre ledit temps écoulé et le pas de base (5mm dans l'exemple choisi). Ceci donne un nombre qui est l'inverse de la valeur de la vitesse instantanée d'avancement.Le calcul est exécuté par le micro-processeur 14 et son résultat est amené par un bus de données 18 à un circuit 19 de type conversion numériquelanalogique à sortie unique ou multiple, et a verrou permettant ainsi l'affichage en continu sur un enregistreur graphique de la vitesse instantanée d'avancement sans lissage affectant la mesure. De plus chaque impulsion arrivant à la borne d'interruption 13 du micro-processeur 14 déclenche la fonction de déroulement du support d'affichage de l'enregistreur graphique réalisé sous la forme d'une bande de papier qui se déroule ainsi grâce à l'action d'un moteur pas à pas 20 de telle sorte que les ordonnées du graphique obtenu illustrent la profondeur d'avancement à I'échelle de profondeur choisie.Le souplesse de ce dispositif permet en modifiant soit la fréquence de l'horloge 15 soit en utilisant un diviseur intermédiaire 16 et/ou en agissant sur la valeur des nombres de prépositionnement du diviseur de fréquence 17, d'obtenir plusieurs calibrations de vitesse instantanée d'avancement et de pouvoir les afficher sur plusieurs voies de l'enregistreur graphique permettant ainsi de couvrir toutes les plages de vitesse nécessaires à l'exploitation optimale de ce paramètre déterminant. Il permet en outre de réaliser avec le maximum de fiabilité l'exécution et la synchronisation parfaite de la restitution de la vitesse instantanée d'avancement à partir de la seule mesure de vitesse de rotation de la poulie 3. Comme illustré en fig. 2, on a porté en abscisse et dans la limite du déplacement maximal de l'outil lié 3 la tête 1 représentée par la verticale L, la vitesse instantanée d'avancement en mètres par heure, tandis qu'en ordonnée on a porté la profondeur en mètres. Sur la représentation illustrée on peut lire que la vitesse instantanée d'avancement a décru entre 2 et 3 mètres de profondeur, de telle sorte qu'on peut déduire que dans cette zone on 8 rencontré une roche dont la forabilité a diminué et que l'on peut identifier facilement. On notera que la borne d'interruption 13 pourrait être constituée par la sortie d'une porte "ET'. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qutà titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de déterminer et de calculer la vitesse instantanEe d'avancement d'un organe tournant ou percutant (1), notamment d'un outil de forage, du genre dans lequel des impulsions sont d'abord ElaborEes à partir de la translation du dispositif, puis comptées, décodées et calibrées, caractérisé en ce qu'il consiste :: - à conserver un compteur-décompteur à mémoire (9) à l'état maximal ; - à compter les impulsions positives en ltétat, c'est-àdire s'ajoutant à l'état maximal ; - à recevoir et à compter lesdites impulsions positives par rapport à un pas de base prédéterminé en vue de créer un nombre exprimé en unités de pas de base ; - à transmettre ce nombre à au moins une borne d'interruption (13) prioritaire d'un micro-processeur (14) ; - à émettre une fréquence de temps de référence ; - à mesurer le temps écoulé entre l'apparition de deux impulsions successives se présentant à au moins la borne d'interruption (13); - à faire le rapport entre le temps écoulé et le nombre exprimé en unité de pas de base ; - à transmettre ce rapport au micro-processeur (14) et à l'afficher ;; - et à commander l'avancement d'un moyen permettant l'affichage graphique de la vitesse de translation de l'organe tournant ou percutant par rapport à sa cote de pénétration, cette vitesse de translation de l'organe étant une vitesse instantanée d'avancement. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre - à décompter les impulsions négatives de l'état maximal dans le compteur-décompteur à mémoire (9) lorsque l'organe (1) se déplace dans le sens inverse du sens de "travail choisi (en général ce sens de "travail" correspond à la descente de l'outil). - et a replacer ledit compteur-décompteur à son état maximal afin qu'après une course négative de l'organe à mémoire (9) (1) ledit compteur-décompteur compte à nouveau les impulsions positives lors de l'avance de l'organe tournant ou percutant. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la borne d'interruption (13) du micro-precesseur (14) est situé à la sortie d'une porte "ET'. 4. Dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens propres à permettre la mise en oeuvre du pracEdE suivant l'une quelconque des revendications l a 3. 5. Dispositif suivant la revendication 4, du genre comprenant une cordelette inextensible (2) dont une extrémité est associée à la tête-support (1) de l'organe tournant ou percutant et passe autour d'une poulie (3) entraînée en rotation par le déplacement llnEalre de la cordelette (2) et dont la rotation entrain un codeur (5) mettant des impulsions entrant dans un système de permutation (6) dont les sorties (C, D) sont appliquées à un décodeur (7) à partir duquel les impulsions sont calibrées dans un circuit de mise en forme (8), caractErisé en ce que les impulsions calibrées sont appliquées a un compteur-décompteur à mémoire (9) permettant aux impulsions positives de le traverser sans modification pour entrer dans un diviseur qui divise le nombre d'impulsions reçues par un nombre fixe correspondant un pas de translation prédétenminE au pas de base en vue de fournir une valeur de la translation de l'organe exprimé en unités de pas de base, tandis que les impulsions sont rebouclées par un système (10) dans ledit compteur-décompteur à mémoire (9) afin de maintenir ses compteurs è leur état maximal. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisE en ce que les impulsions négatives correspondant a une remontée de l'organe tournant ou percutant (1) décrémentent d'autant les compteurs du compteur-dcompteur à mémoire (9), les impulsions positives engendrées par la course d'avancement suivante de l'organe tournant ou percutant (l) recrémentant lesdits compteurs jusqu'à leur Stat maximal. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de la translation exprimez en unités de pas de base est entre dans un microwprocesseur de traitement (14). 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisE en ce qu'il comprend en outre un composant (15) de production d'une fréquence de temps dont les slgnaux sont amenés à un diviseur de fréquence (17) quS mesure le temps écoulé entre l'apparition de deux impulsions successives à la borne d'interruption (13) du micro-processeur (14). 9. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport entre le temps écoulé et le nombre exprimé en unités de pas de base est établi dans le micro-processeur (14) puis transmis à un circuit de conversion numérique/analogique (19) représentant la valeur d'une vitesse instantanEe d'avancement affichable sur un enregistreur graphique et d'autre part à un même dispositif d'affichage dont I'ordonnée correspond à l'échelle profondeur choisie et qui comporte un tambour dont le moteur (20) de rotation pas à pas reçoit des impulsions de déroulement dont la fréquence est proportionnelle a l'échelle profondeur choisie.