Brevet FR2585851A1 — publié le 19870206

Ia présente invention concerne un câble a fibre optique, destiné à être utilisé dans les instruments de diagraphie des sondages, de manière non exclusive. Lors du forage d'un nouveau puits de pétrole, les pressions et les températures doivent être détectées à des profondeurs qui peuvent être par exemple de 5 km. A cette profondeur, les températures peuvent être de l'ordre de 400 C et les pressions de l'ordre de 600 bars. Les techniques actuelles de mesure de ces températures et pressions mettent en oeuvre des circuits électroniques et des matériaux semi- conducteurs qui ne peuvent être exposés à de telles condi- tions que pendant de très courtes périodes. On ne peut donc que prélever un échantillon de pression et de tempé- rature uniquement, puis retirer l'appareillage. Il n'est pas normalement possible de laisser l'appareillage dans ces conditions pendant un temps relativement long afin que des mesures puissent être réalisées au cours d'une période. La présente invention concerne une installation de transmission de données qui permet des mesures à distance dans des conditions de températures et de pressions élevées, telles que décrites précédemment, pendant une période consé- quente. Plus précisément, l'invention concerne une installa- tion de données qui comporte une fibre optique logée dans un tube fermé hermétiquement et constituant un organe d'en- caissement des contraintes, et un fluide de flottaison, placé dans le tube et destiné à supporter la fibre optique afin que, lorsque le câble est supporté verticalement, la fibre optique soit protégée contre les contraintes excessives, grâce à sa flottaison dans le fluide qui l'entoure. L'invention concerne aussi un câble à fibre optique qui comporte une fibre optique logée dans un tube fermé hermétiquement et destiné à encaisser les contraintes, la fibre étant revêtue d'un matériau adhérent ayant une masse volumique différente de celle de la fibre, et un fluide de flottaison placé dans le tube et destiné à supporter la fibre optique revêtue, la masse volumique de ce fluide étant telle que, lorsque le câble est supporté verticale- lement, la fibre optique revêtue est protégée contre l'appli- cation de contraintes indésirables, étant donné sa flottai- son dans le fluide qui l'entoure. Une garniture résistante à haute pression assure de préférence l'étanchéité autour de la fibre au moins dans la région qui doit former la partie inférieure. L'installation peut avoir avantageusement un cap- teur de pression qui module la lumière renvoyée le long de la fibre optique ou le long d'une seconde fibre de retour, proportionnellement à la pression détectée. Le système peut comporter, à la place ou en outre, un capteur de tempé- rature qui module la lumière renvoyée le long de la fibre ou le long d'une fibre séparée de retour, proportionnelle- ment à la température détectée. De préférence, le capteur ou chaque capteur comporte un réflecteur selon lequel la lumière est focalisée par un arrangement de focalisation et le réflecteur est déplacé afin qu'il passe par le foyer, en fonction de la température ou de la pression détectée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une élévation schématique en coupe partielle d'une installation de transmission de données destinée à la diagraphie des sondages, selon un mode de réalisation de l'invention; et la figure 2 représente un arrangement de capteurs de l'appareil de la figure 1, avec plus de détails. On se réfère d'abord à la figure 1; une fibre optique F (l'appareil peut en comprendre plusieurs) est logée dans un tube T d'acier inoxydable, soudé longitudina- lement et qui est placé avec du jeu autour de la fibre, et ce tube est raccordé à un boîtier H qui contient une virole G et une lentille L, destinées à former un ensemble complet de terminaison de câble. Le tube T a été soudé au laser (ou- fermé hermétiquement d'une autre manière) et le tube est serré à l'aide de joints hermétiques S du type métal sur métal (ou autre) afin qu'un joint à haute pression soit formé entre le boîtier H et le tube T, une connexion formée entre le boîtier H et l'intérieur du tube T permettant la transmission du fluide. L'ensemble du système est rempli d'un liquide, par exemple une huile de silicone O, ayant une masse volumi- que prescrite destinée à correspondre à celle de la fibre optique et de son revêtement principal. Dans ce mode de réalisation, le revêtement principal préféré est un caout- chouc de silicone, mais un revêtement secondaire peut permettre une fermeture étanche et l'obtention d'un faible coefficient de frottement, comme décrit dans la suite du présent mémoire. Le tube T est formé d'un matériau dont le coeffi- cient de dilatation thermique est bien adapté à celui de la fibre optique. Il a pour effet de réduire les contraintes induites thermiquement dans la fibre lorsque l'ensemble est placé dans des conditions variables de température. Un type avantageux de tube est un tube d'acier inoxydable soudé au laser, commercialisé par la Société Amortech, sous la désignation de tube K. De préférence, le tube T, le boîtier H et la virole G sont formés d'"Invar" qui est un alliage de nickel. Cependant, il'existe d'autres alliages de nickel qui peuvent être sélectionnés afin que les coef- ficients de dilatation thermique de la fibre et de l'alliage correspondent, de tels alliages étant couramment utilisés pour la formation des joints verre-métal. Une caractéristique importante de l'installation est le fluide de remplissage, formé d'une huile de silicone. Ce fluide a plusieurs buts. 1. D'abord, il donne à la fibre optique une flotta- bilité neutre par sélection convenable de l'huile et de l'épaisseur du revêtement principal porté par la fibre, lorsque le câble est suspendu verticalement par exemple. L'huile de silicone est choisie avec une densité qui corres- pond à celle de la fibre de verre augmentée de son revête- ment primaire. La fibre "flotte" ainsi dans le fluide de remplissage et elle n'a pas à supporter son propre poids lorsqu'elle est suspendue verticalement. s 2. Il transmet les contraintes régulièrement sur toute la longueur de la fibre, lorsqu'elle dépasse les con- traintes induites par la pression hydrostatique. 3. Le tube T peut supporter une différence de pression d'écrasement de l'ordre de 600 bars, lors de la sélection d'un diamètre et d'une épaisseur de paroi qui conviennent. Le liquide empêche la transmission de la pres- sion différentielle à la fibre qui ne subit que la pres- sion hydrostatique due à la hauteur de la colonne d'huile de silicone. 4. Pendant l'enroulement et la manutention du câble, les contraintes de compression sont encaissées par déplace- ment du fluide. Toutes ces caractéristiques contrastent avec le cas dans lequel la fibre est entourée d'un polymère. Dans --- ce cas, les contraintes dues aux forces mécaniques ou aux contraintes thermiques appliquées au tube externe T peuvent être encaissées seulement par "fluage" du polymère par rap- port à la fibre de verre. Ceci peut créer une contrainte excessive d'écrasement de la fibre ou des contraintes de cisaillement, à la suite du déplacement axial du polymère. Lors de la fabrication de l'installation représentée sur la figure 1, le tube T peut être rempli par utilisation d'huile de silicone sous pression introduite à une extrémité de l'ensemble formé par le tube et la fibre, avec un trou évent à l'autre extrémité. Il est possible de remplir un tronçon de cable de 10 km de longueur en fioins de quelques heures. Lorsque le câble est suspendu verticalement, alors que la température et la pression externe sont élevées, supérieures aux valeurs ambiantes normales, par exemple dans une diagraphie d'un sondage pétrolier, le résultat de la technique d'encapsulation est le suivant: a) la dilatation thermique différentielle et les contraintes mécaniques correspondantes sont réduites au minimum par sélection du matériau du tube afin que son coefficient de dilatation thermique corresponde à celui de la fibre de verre, b) la présence d'un dispositif de relaxation des contraintes, lorsque le câble est enroulé alors qu'il est soumis à des forces. Les forces de compression du tube sont transmises au fluide qui ne peut que transmettre la pression hydrostatique locale. On se réfère maintenant à la figure 2 des dessins. Celle-ci représente un prolongement du boîtier H de la figure 1. Dans ce prolongement H' sont disposés un diaphrag- me D et un miroir M fixé à ce diaphragme D. Ce dernier est fixé à sa périphérie entre des flasques J et K. La cavité interne du prolongement H' du bottier est remplie d'un gaz à la pression ambiante normale et, lorsqu'il existe une différence de pression de part et d'autre du diaphragme D, celui-ci fléchit et déplace le miroir M par rapport au foyer du faisceau B provenant de la lentille L. La lumiè- re renvoyée vers la lentille est donc de plus en plus réduite lorsque le miroir est de plus en plus défocalisé alors que la pression augmente à l'extérieur du bottier. Lorsque l'étalonnage est convenable, la pression absolue peut ainsi être mesurée. En plus du capteur de pression, un capteur de tempé- rature comporte un barreau N sensible à la température, qui peut avoir un coefficient linéaire de dilatation thermi- que important et qui porte à son extrémité, un miroir M' destiné à recevoir un faisceau lumineux B' focalisé sur le miroir M' par une seconde lentille L', elle-même couplée à une seconde fibre optique F' encapsulée dans un tube métallique, de la même manière que la fibre précédente. Ainsi, l'installation peut comprendre deux fibres ou plus chacune étant individuellement encapsulée dans un tube hermétique. Les fibres individuelles encapsulées sont incorpo- rées a des câbles électrooptiques ou à des cables capables de supporter des contraintes. Dans le mode de réalisation décrit, le diamètre du tube T est de l'ordre 1 mm. Des fibres ayant un revêtement primaire ont par exemple un diamètre extérieur de 250 à 350 microns. Une valeur de 250 microns est normale dans le cas d'une fibre multimode du type 50/125 microns. L'arrangement d'encapsulation décrit crée des con- traintes induites sous l'action de la pression externe, des variations extérieures de température (et notamment les températures élevées pouvant atteindre 400 C environ), des forces de traction appliquées lorsque la fibre optique est suspendue verticalement, en tronçons de longueur égale ou supérieure à 5 km, de flexion pendant l'enroulement d'un tronçon de câble, et de compression pendant l'enroulement du tronçon de câble. Les fluides de flottaison peuvent être diverses qualités d'huiles de silicone. Elles ont une plage convenable de masse volumique afin que toute une gamme de fibres revê- tues puissent être réalisées avec une flottaison neutre. Les huiles de silicone résistent aussi à la dégradation a une température élevée. La fibre optique (monomode ou multimode) porte le revêtement tampon qui assure la flottaison de la fibre, le revêtement tampon préféré étant un caoutchouc de silicone du type décrit précédemment. Un revêtement secondaire peut être placé sur le caoutchouc de silicone afin qu'il réduise le frottement entre la fibre et le tube métallique T. Ce revêtement secondaire peut être une mince couche métallique obtenue par pulvérisation cathodique ou autre sur une couche de nitrure de silicium. Le revêtement secondaire forme aussi un joint hermétique empêchant la dilatation du caoutchouc de silicone et empêchant le contact entre le caoutchouc et l'huile de silicone. Le trou du tube métallique T a de préférence un diamètre interne compris entre 1 et 2 mm et il peut contenir une, trois ou même sept fibres optiques. L'eau dans laquelle le cable est utilisé a une masse volumique de 1,0, mais cette masse volumique varie dans la boue dense de forage et se rapproche de 2,0 et dépasse même cette valeur, en atteignant par exemple 2,2. Comme décrit précédemment, les possibilités d'utili- sation à température élevée de la fibre du câble peuvent être exploitées à l'aide de capteurs optiques passifs qui ne mettent pas en oeuvre de circuits électroniques et de matériaux à semi-conducteurs pour leur fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Installation de transmission de données, carac- térisée en ce qu'elle comprend une fibre optique (F) logée dans un tube (T) fermé hermétiquement et constituant un organe d'encaissement des contraintes, et un fluide (O) de flottaison placé dans le tube et destiné à supporter la fibre optique de manière que, lorsque le câble est sup- porté verticalement, la fibre optique soit protégée par sa flottaison dans le fluide environnant contre les con- traintes excessives. 2. Cable à fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique (F) logée dans un tube (T) fermé hermétiquement et constituant un organe d'encaissement des contraintes, la fibre étant revêtue d'un matériau adhé- rent dont la masse volumique est différente de celle de la fibre, et un fluide (O) de flottaison placé dans le tube et destiné à supporter la fibre optique revêtue, la masse volumique du fluide étant telle que, lorsque le cable est supporté verticalement, la fibre optique revêtue est protégée contre les contraintes excessives par sa flottai- son dans le fluide environnant. 3. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau adhérent est un caoutchouc de silicone. 4. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube (T) est un tube d'acier inoxydable soudé longitudinalement. 5. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide (O) est un caoutchouc de silicone. 6. Cable selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique revêtue (F) comporte un revête- ment étanche. 7. Cable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement étanche comporte un revêtement secondaire placé à l'extérieur de la fibre revêtue. 8. Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement étanche est choisi dans le groupe qui comprend un métal et un nitrure de silicium. 9. Installation de transmission de données, compre- nant un câble selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un boîtier (H'), un joint assurant la coopération étanche du boîtier avec une extré- mité du tube, et un capteur placé dans le boîtier et destiné à détecter les paramètres physiques et couplé optiquement à la fibre afin que les données correspondant aux paramètres détectés soient transmises. 10. Installation selon la revendication 9, carac- térisée en ce que le capteur comporte un dispositif (L L') destiné à transmettre de la lumière en quantité plus ou moins grande suivant la variation du paramètre détecté. 11. Installation selon la revendication 10, carac- térisée en ce que le boîtier (H') est relié à l'intérieur du tube (T) si bien que du fluide peut être transmis.