Brevet FR2590994A1 — publié le 19870605

- 1 - L'invention a pour objet un système pour accumuler de l'énergie potentielle en tout emplacement d'un puits ou forage. Le système s'applique en particulier à l'alimentation en énergie de sources sismiques devant fonctionner dans des puits jusqu'à des profondeurs relativement importantes. Beaucoup de méthodes de prospection sismique comportent l'utilisation de sources sismiques descendues dans des puits ou forages et activées o10 successivement en une pluralité d'emplacements à des profondeurs différentes. La réception des ondes émises est effectuée par des récepteurs disposés dans d'autres puits ou forages, ce qui permet d'obtenir un pouvoir de résolution élevé, ou bien disposés en surface de manière à restituer des profils sismiques obliques. Le rendement énergétique des sources sismiques de puits est en général bien meilleur que celui des sources fonctionnant en surface, du fait qu'elles émettent les ondes sismiques sous la couche superficielle altérée dont les caractéristiques de propagation sont défavorables. - 2 - Un procédé connu pour apporter l'énergie nécessaire au fonctionnement de sources sismiques devant fonctionner à des profondeurs relativement faibles consiste à les relier par des tuyauteries à un dispositif hydraulique installé en haut du puits. Le fluide hydraulique sous pression qui leur est délivré est utilisé pour produire des vibrations ou bien des impulsions. Un tel procédé, qui est décrit par exemple dans les brevets US N 3 221 833 ou 3 718 205, est inadapté lorsque la profondeur de fonctionnement devient importante du fait de la difficulté d'assurer des liaisons hydrauliques dans des puits souvent exigus. Un autre système plus compatible avec l'alimentation de sources sismiques fonctionnant à grande profondeur, comporte un générateur électrique installé en surface et des conducteurs électriques pour les relier à celui-ci. Ces conducteurs sont le plus souvent réunis avec des conducteurs de transmission de données dans un câble électro-porteur unique à fonctions multiples. Un tel système est utilisé, par exemple, pour l'alimentation électrique des sources sismiques impulsionnelles telles que celles décrites dans les demandes de brevets français EN 83/19185, EN 84/01094 ou EN 84/06922, o l'énergie nécessaire pour engendrer les impulsions est fournie par une pompe hydraulique entrainée par un moteur électrique alimenté depuis la surface par le câble électro-porteur. L'inconvénient des câbles électro-porteurs est leur débit en courant relativement faible. La puissance électrique qu'ils peuvent trans- porter devient vite insuffisante pour réarmer ou faire fonctionner des sources sismiques devant fonctionner à des profondeurs importantes, du fait de la pression hydrostatique très élevée qui y règne. Le système selon l'invention permet d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. Il est caractérisé en ce qu'il comporte une structure ancrable dans le 3 puits, des moyens mobiles dont le déplacement linéaire par rapport à la structure ancrable provoque la création d'énergie et des moyens d'accumulation de l'énergie créée, une colonne rigide connectée aux moyens mobiles et des moyens moteurs disposés à l'extérieur du puits pour déplacer linéairement la colonne rigide. Les moyens mobiles et les moyens d'accumulation peuvent comporter.une masse accumulant de l'énergie potentielle par traction sur la colonne rigide. Suivant un second mode de réalisation, les moyens mobiles et les moyens d'accumulation comportent des ressorts déformés par action sur la colonne rigide. Suivant un troisième mode de réalisation, les moyens de création d'énergie comportent une pompe linéaire actionnée par l'intermédiaire de la colonne rigide et les moyens d'accumulation comportent un accumulateur hydraulique. L'énergie emmagasinée dans l'accumulateur peut servir à actionner par exemple un vibrateur ou bien à réarmer une source sismique impulsionnelle après ses déclenchements successifs. La colonne rigide est constituée, par exemple, d'un train de tiges très robuste qui se prête aussi bien à des tractions qu'à des compressions. La puissance instantanée transmise est très importante. Par une traction sur un train de tiges, on peut transmettre des puissances très importantes suffisantes pour réarmer ou faire fonctionner n'importe quelle source sismique jusqu'à des profondeurs de plusieurs kilomètres. D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention -4 - apparaitront à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessinsannexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une structure ancrable à l'intérieur d'un puits et suspendue à une colonne rigide dont la translation commandée depuis la surface, assure la transmission et l'accumulation d'énergie; - la figure 2 représente schématiquement une structure analogue comportant un élément d'ancrage du type packer, dilatable par rotation de la colonne rigide, la translation de celle-ci assurant également la transmission d'énergie, et son accumulation; - la figure 3 représente une vue en coupe du système de la figure 2 o la translation de la colonne est utilisée pour élever une masse par rapport à un élément-cible, depuis une position de contact avec celui-ci; - la figure 4 représente une vue en coupe du même système dans une portion haute o la chute de la masse est déclenchée; - la figure 5 représente une vue en coupe du même système dans une position o la rotation du train de tiges commande l'ancrage de la source; et - la figure 6 représente schématiquement un second mode de réalisation o l'accumulation d'énergie est obtenue par translation de la colonne agissant sur une pompe linéaire, faisant partie d'un ensemble hydraulique. Le système selon l'invention comporte (Fig. 1) l'utilisation d'une structure 1 adaptée à être descendue dans un puits ou forage 2. Cette structure comporte un dispositif de couplage ou d'ancrage 3 adapté à - 5 venir s'appliquer par intermittence contre la paroi du puits. Ce dispositif peut comporter, par exemple, des patins mobiles appliqués contre la paroi du puits par écartement de bras de manoeuvre au moyen de vérins. On utilise avantageusement un dispositif de couplage à volume variable du type "packer" qui, par une dilatation provoquée par des moyens mécaniques ou hydrauliques, peut être appliqué contre la paroi du puits. Le dispositif de couplage est solidaire d'un système 4 pour créer de l'énergie et l'accumuler, qui comporte des éléments mobiles par rapport à la structure comme on le verra en relation avec les modes de réalisation des figures 3 à 6. Ces éléments sont reliés par une colonne rigide 5 constituée par exemple d'une tige ou d'un train de tiges interconnectées, à un dispositif de manoeuvre 6 d'un type connu en particulier dans le domaine du forage et comportant un mât ou derrick, et des moyens d'accrochage de la colonne comportant un palan, un treuil et des moyens moteurs adaptés à translater la colonne parallèlement à son axe et à la faire tourner sur elle-même. Les figures 3 à 5 montrent un exemple d'application o le système, pour accumuler de l'énergie, comporte une masse et des moyens pour l'élever et ainsi lui communiquer une certaine énergie potentielle, ce système étant combiné avec un dispositif qui exploite l'énergie accumulée par la masse pour engendrer des impulsions sismiques. Le dispositif d'ancrage 3 est constitué avantageusement par un "packer" 7 comportant une enceinte périphérique expansible dont la dilatation est obtenue par rotation d'une partie centrale 8. Des lames flexibles 9 venant prendre appui contre la paroi du puits, permettent la rotation de la partie centrale 8 relativement à l'enceinte lorsque celle-ci est dans son état rétracté. - 6 - Le système pour créer et accumuler de l'énergie et la source sismique associée comportent (Figs. 3 à 5) un corps tubulaire creux 10 solidaire à une première extrémité de la partie centrale 8 du packer. Un élément-cible Il délimite le corps 10 à sa première extrémité. Sur sa face supérieure est disposé un disque 12 en matériau amortisseur. Le corps tubulaire comporte une cavité intérieure 13 o peut coulisser une masse 14. Des rails 15 fixés à la paroi intérieure du corps tubulaire suivant des génératrices de celui-ci, guident le coulissement de la masse entre une première position (position de repos ou d'impact) o celle-ci est en contact avec l'élément-cible ll et une seconde position (position haute ou position de déclenchement) o elle est amenée par des moyens de levage 16. Ces moyens de levage comportent une tige 17 pouvant coulisser dans une ouverture 10 ménagée dans la paroi terminale d'un embout tubulaire 19 fermant le corps 10 à son extrémité opposée au packer 7. Une première extrémité de la tige 17 extérieure au corps 10, est fixée à la base de la colonne 5. Les moyens de levage comportent aussi un mandrin d'accrochage 20 de section adaptée à celle de la cavité 13 qui est pourvu d'un prolongement cylindrique 21. Celui-ci comporte un alésage fileté dans lequel est vissée la seconde extrémité de la tige 17 et des cannelures 22 qui sont ménagées à sa périphérie. La paroi terminale du mandrin, du côté de la masse 14 comporte une cavité de forme arrondie 23. La masse 14 est prolongée à sa partie supérieure du côté du mandrin 20, par une tige 24 terminée par une tête arrondie 25 de forme adaptée à celle de la cavité 23. Quatre rainures radiales 26 sont ménagées dans le mandrin 20. Autour d'axes 27 fixés à l'intérieur de ces rainures, quatre crochets coudés 28 peuvent pivoter entre une position de rapprochement et une position d'écartement. Des ressorts 29 fixés au mandrin 20 rappellent les crochets 28 vers leur position de rapprochement. La section de la tête arrondie 25 est supérieure à l'écartement des crochets 28 en position de repos de manière qu'après avoir été écartés par la pénétration dans la cavité 23, de la tête 25, ils viennent s'engager sous les rebords de celle-ci et la rendent solidaire du mandrin 20. - 7 - L'embout tubulaire 19 comporte une cavité cylindrique 30 ouverte sur la cavité intérieure 13 et débouchant sur celle-ci par une ouverture de forme tronconique 31. La cavité cylindrique 30 comporte sur une partie au moins de sa longueur des cannelures 32 adaptées à venir s'engrener sur les cannelures 22 du prolongement 21 du mandrin, lorsque la tige 17 des moyens de levage est au voisinage de sa position haute ou position d'extraction maximale (Figs. 4, 5). La forme du coude 33 de chaque crochet coudé 28 est choisie de manière que le mouvement d'extraction de la tige 17 au voisinage de sa position haute, les amène en appui contre l'ouverture tronconique 31 de la cavité intérieure 30 et les fasse basculer vers leur position d'écartement. Un ressort 34 est disposé autour de la tige 17. Il prend appui sur le prolongement cylindrique 21 du mandrin 20. Lorsque celui-ci est en position haute, le ressort 34 vient s'appuyer contre le fond de la cavité 30 et freiner le mouvement d'extraction de la tige. Des joints d'étanchéité 35, 36 sont disposés dans l'ouverture 18 de la paroi terminale de l'embout 19, ainsi qu' entre celui-ci et le corps tubulaire 10, pour isoler la cavité interne 13 du fluide extérieur au dispositif. Le système fonctionne de la manière suivante: - Au moment de sa descente dans un puits la masse 14 est en contact avec l'élément-cible 11, 12, comme le montre la figure 2. Le corps tubulaire 10 est suspendu sous la colonne rigide 5. Le mandrin 20 est en position d'extraction (Figs. 4 et 5). Les cannelures correspondantes 22 et 32 sont engagées les unes dans les autres, ce qui solidarise en rotation le corps tubulaire 10 et la colonne 5. - Le dispositif de manoeuvre 6 (Fig. 2) descend le corps tubulaire 10 et le packer 7 associé jusqu'à la profondeur o l'on veut procéder à -8- une émission sismique, par adjonctions successives de tiges à la colonne 5. Les lames flexibles 9 empêchant la rotation du packer 7, on exerce un couple sur le train de tiges depuis la surface. Par l'intermédiaire des cannelures engrenées (Fig. 5), le couple est transmis au corps tubulaire 10 et par conséquent à la partie centrale 8 du packer. Ceci provoque une expansion du packer qui vient s'ancrer contre la paroi du puits. - Le packer étant ancré, on descend la colonne 5 et la tige 17, de manière que le mandrin 20 vienne au contact de la masse 14 et que les crochets 28 saisissent la tête arrondie 25 de celle-ci (Fig. 3). - Une force de traction est alors exercée sur le train de tige de manière à amener le mandrin 20 jusqu'au voisinage de sa position haute o les coudes 33 des crochets 28 viennent s'appuyer sur la paroi de l'ouverture tronconique 31. La force de traction a alors pour effet d'écarter les crochets et de libérer la masse (Fig. 4) qui retombe jusqu'à l'élémentcible. L'impact engendre des impulsions acoustiques qui sont transmises directement aux formations environnantes par l'intermédiaire du packer 7. - Lorsque le dispositif doit être transféré à une profondeur différente, on maintient la tige 17 en position d'extraction et l'on tourne la colonne 5 en sens inverse, de manière à contracter le packer. Suivant un autre mode de réalisation, le système 4 pour accumuler de l'énergie et la restituer de manière différée comporte (Fig. 6) une pompe linéaire constituée d'un corps de pompe 37, à l'intérieur duquel coulisse de manière étanche un piston 38 muni d'une tige 39 qui est fixée à l'extrémité de la colonne 5. Le système comporte également un accumulateur hydraulique 40, un réservoir 41 et un cylindre 42 d'égalisation de la pression statique o un piston 43 coulisse librement et de façon étanche. Les extrémités du cylindre 42, de part -9 - et d'autre du piston 43, communiquent respectivement avec l'extérieur du système et avec le réservoir 41 par l'intermédiaire d'une canalisation 44. L'accumulateur 40 et le réservoir 41 communiquent respectivement avec deux canalisations 45, 46. Chacune des canalisations 45 et 46 communique avec les extrémités opposées du corps de pompe par l'intermédiaire de deux clapets anti-retour référencés 47 et 48 pour l'une, et 49 et 50 pour l'autre. Une traction ou une poussée sur la colonne 5 a pour effet de recharger l'accumulateur 40. L'énergie hydraulique accumulée peut être utilisée de manière différée pour différentes applications et en particulier pour actionner des sources sismiques de puits que l'on connecte sur les canalisations 45, 46. Ces sources peuvent être des vibrateurs hydrauliques ou bien des dispositifs pour engendrer des impulsions sismiques par percussion ou par implosion, tels que ceux décrits dans les demandes de brevets français précitées. Lorsque les ondes sismiques sont appliquées aux formations environnant le puits par l'intermédiaire d'un packer hydraulique, le gonflement de celui-ci peut être assuré au moyen de l'énergie emmagasinée dans l'accumulateur 40. La puissance qu'il est possible de transmettre à un dispositif d'accumulation d'énergie ancré dans un puits, par action sur une colonne rigide peut attteindre plusieurs dizaines de kilowatts, ce qui est très supérieur au débit électrique d'un câble électro-porteur classique et permet de recharger des appareils d'utilisation jusqu'à des profondeurs considérables. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant le déplacement de la colonne rigide pour tendre des ressorts, la détente de ces ressorts étant utilisée par exemple pour lancer une masse contre un élément-cible ancré dans le puits, ou bien encore pour fournir de l'énergie à une génératrice électrique, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une turbine hydraulique. - 10 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Système pour transmettre de l'énergie à un appareil utilisable pour la prospection du sous-sol, tel qu'une source sismique par exemple, descendu à l'intérieur d'un puits ou forage, caractérisé en ce qu'il comporte une structure (1) ancrable dans le puits, des moyens mobiles dont le déplacement linéaire par rapport a la structure ancrable provoque la création d'énergie et des moyens d'accumulation de l'énergie créée, une colonne rigide (5) connectée aux moyens mobiles et des moyens moteurs (6) disposés à l'extérieur du puits, pour déplacer linéairement la colonne rigide. 2. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mobiles de création d'énergie et les moyens d'accumulation comportent une masse (14) accumulant de l'énergie potentielle par traction sur la colonne rigide. 3. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mobiles de création d'énergie comportent une pompe linéaire (37-39) actionnée par l'intermédiaire de la colonne rigide et les moyens d'accumulation comportent un accumulateur hydraulique (40). 4. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens mobiles et les moyens d'accumulation comportent des ressorts déformés par action sur la colonne rigide. 5. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure ancrable dans le puits comporte un élément de couplage expansible (3) pouvant être couplé par intermittence contre la paroi du puits, des moyens pour dilater l'élément de couplage et des moyens de guidage comportant un corps allongé (10) de section inférieure à celle du puits pourvu d'une cavité intérieure (13), et en ce que les - 1 - moyens mobiles et les moyens d'accumulation comportent une masse (14) déplaçable dans la cavité intérieure du corps entre une première position basse d'impact et une seconde position haute et un ensemble de manoeuvre pour déplacer la masse depuis sa première jusqu'à sa seconde position et le maintenir par intermittence, l'ensemble de manoeuvre étant relié à la colonne rigide, laquelle est reliée à des moyens de traction (6) extérieurs au puits, l'appareil auquel l'énergie accumulée est transmise comportant un élément-cible (14) solidaire de la structure qui est frappé par la masse au cours de sa chute depuis sa seconde jusqu'à sa première position. 6. - Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la colonne rigide est constituée d'une pluralité de tiges interconnectées et l'ensemble de manoeuvre comportant un mandrin (20) pourvu de crochets (28) coopérant avec une tête (25) solidaire de la masse, le mandrin étant fixé à une tige (17) coulissant de manière étanche à travers une ouverture (18) ménagée dans la paroi terminale du corps opposée à l'élément-cible, laquelle tige est assujettie à la colonne rigide (5), l'ensemble de manoeuvre comportant des moyens pour libérer la masse lorsqu'elle est parvenue jusqu'à sa seconde position. 7. - Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour libérer la masse comportent une pièce d'embout (19) fixée au corps tubulaire (10) à son extrémité opposée à l'élément-cible et pourvue d'une cavité intérieure terminée par une paroi inclinée contre laquelle viennent s'appuyer les crochets (28) lorsque la masse se trouve au voisinage de sa seconde position. 8. - Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de couplage est un packer (7) comportant une enceinte périphérique expansible par rotation d'une partie centrale (8) solidaire du corps allongé (10), et les moyens pour dilater ledit packer comportent des éléments pour solidariser en rotation la colonne rigide (5) et ledit corps allongé pour une position au moins de la - 12 - tige coulissante (17) et des moyens moteurs disposés à l'extérieur du puits pour faire tourner par intermittence la colonne rigide. 9. - Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments de solidarisation en rotation comportent des cannelures ménagées dans une pièce (21) solidaire du mandrin (20) ainsi que dans la paroi intérieure d'un embout tubulaire (19) fermant le corps à son extrémité opposée à l'élément-cible (11). 10. - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux extrémités opposées de la pompe linéaire (37) sont connectées par l'intermédiaire de clapets anti-retour (47-50) à deux canalisations (4546) l'une étant connectée à l'accumulateur (40), l'autre à un résevoir hydraulique (41) maintenu en équi-pression avec la pression régnant dans le puits.