Brevet FR2633972A1 — publié le 19900112

La présente invention concerne un élément de cuvelage pour la détermination des càractéristiques dynamiques du terrain dans un forage, et plus particulièreaent un tel élément comprenant un tronçon de tube muni à ses extrémités de filetages appropriés pour sa liaison à des éléments de cuvelage traditionnels, ainsi que des dispositifs d'excitation d'un terrain en cisaillement (ondes SV) et en compression (ondes P) aptes à coopérer avec un tel élément de cuvelage. Lorsque l'on veut simuler des phénomènes vibratoires dans un terrain, que ce soit en ondes de cisaillesent SV ou en ondes de compression P, afin de déterminer les propriétés dynamiques du terrain dans un but de reconnaissance, on se trouve actuellenent devant l'alternative suivante - soit on ne tube pas le forage et le trou s'effondre, du moins dans les terrains les plus avais et les plus dangereux du point de vue sismique, donc ceux pour lesquels la reconnaissance des caractéristiques dynamiques est fondamentale ;; - soit on tube le forage pour tenir le terrain, ctest-à-dire que l'on dispose dans le trou un train d'éléments de cuvelage consistant en une succession de tubes reliés les uns aux autres par des filetages d'extrémités appropriées, sains on se trouve alors face à de nombreuses difficultés. Tout d'abord, le cuvelage représente une gêne considérable pour faire vibrer le terrain. D'une part, il est en effet impossible de faire vibrer tout le cuvelage eu égard aux énergies nécessaires et d'autre part, on désire généralement étudier séparément les diverses couches de terrain. Par ailleurs, le cuvelage masquant les mesures, il est nécessaire de travailler à des niveaux d'énergie élevés difficiles à obtenir. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un élément de cuvelage utilisable notaient pour la détermination des caractéristiques dynamiques du terrain dans un forage, comprenant un tronçon de tube wni à ses extrémités de filetages appropriés pour sa liaison à des éléments de cuvelage traditionnels, caractérisé par le fait qu'il comporte au ins un orifice dans la paroi dudit tube pour le passage de lodens d' excitation du terrain. Selon l'invention, on prévoit par conséquent des éléments de cuvelage spéciaux insérés dans un train d' éléments traditionnels aux eplacesents désirée, ces éléments spéciaux permettant non seulement de tenir le terrain au anse titre qu'un cuvelage classique, mais encore de transiettre au terrain, sous l'action d'un dispositif autonome, une vibration, soit de cisaillenent, soit de compression, sans transmettre cette vibration au reste du forage. Dans un premier mode de réalisation, l'élément de cuvelage selon l'invention comporte une pluralité d'orifices allongés axialement répartis à sa périphérie, et des premières lames traversant lesdits orifices et agencées pour vibrer axialement pour transmettre au terrain une excitation de cisaillement. Un tel élément de cuvelage est donc particulièrement destiné à la simulation de phénomène vibratoire en ondes de cisaillement SV parallèles à l'axe du forage. Ces premières lames peuvent hêtre montées sur un manchon en matériau élastique de longueur axiale supérieure à celles desdite orifices, et fixé à ses extrémités périphériquement audit tube. Plus particulièrement, lesdites premières lames peuvent s'étendre de part et d'autre dudit manchon et comporter des crans sur au moins une de leurs faces orientées radialement. Les crans disposés sur la face orientée radialement vers l'extérieur permettent d'assurer une bonne liaison entre les lames et la paroi du forage. Quant aux crans disposés sur la face orientée radialement vers l'intérieur, on verra ci-après qu'ils ont pour but d'assurer la liaison entre les lames excitatrices et le dispositif d'excitation disposé à l'intérieur de l'élément de cuvelage selon l'invention. De préférence, les premières lames précitées ont une dimension radiale du même ordre que l'épaisseur du tube. Ainsi, l'élément de cuvelage selon l'invention peut pénétrer dans le forage au wiême titre que les éléments traditionnels auxquels il est relié. De plus, il ménage intérieurement un volume de même diamètre que ses autres éléments de cuvelage pour le passage de tout appareil de forage ou d'essais, et notamment des dispositifs d'excitation qui seront décrits ci-après. Selon un autre mode de réalisation, l'élément de cuvelage selon l'invention comprend un manchon en matière élastique extérieur au tube et fixé de manière étanche audit tube de part et d'autre desdits orifices, pour l'injection, par l'intermédiaire dudit orifice, d'un fluide d'excitation du terrain en compression radiale, entre la surface extérieure du tube et le manchon. Cet élément de cuvelage est donc particulièrement destiné à la détermination des propriétés dynamiques du terrain en ondes de compression P perpendiculaires A l'axe du forage. La présente invention a également pour objet un dispositif d'excitation d'un terrain en cisaillement, apte à coopérer avec un élément de cuvelage selon le premier iode de réalisation décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de poussée pour presser lesdites premières lames radialement vers l'extérieur contre la surface du forage et des moyens de vibration pour faire vibrer axialement lesdites premières lames. Dans un mode de réalisation particulier de ce dispositif, les troyens de poussée peuvent comprendre des deuxièmes lames radiales allongées axialement et effilées en direction de leurs extrémités axiales, deux surfaces coniques coaxiales de conicité opposée et s'évasant en direction des extrémités axiales du dispositif et sur lesquelles les parties effilées des deuxièmes lames Sont en appui, et des moyens pour rapprocher lesdites surfaces coniques. Ainsi, lorsque les surfaces coniques sont rapprochées axialement, elles provoquent un écartement des deuxièmes lames qui, étant en appui sur les premières lames, provoquent également un écartement des premières lames qui viennent ainsi prendre appui sur les parois du forage. Les moyens de vibration peuvent par ailleurs comprendre également d'autres laies, qui seront généralement les niemes que les deuxièmes laies précitées, agencées pour venir en prise avec lesdites premières lames, et des moyens moteurs tels qu'un vérin à double effet pour entraîner ces autres lames dans un mouvement alternatif axial. Dans le cas où l'on utilise les mêmes deuxièmes lames pour presser les premières lames vers l'extérieur et les entratner en mouvement alternatif axial, les moyens moteurs peuvent etre simplement reliés aux moyens de rapprochement des surfaces coniques précitées. Les deuxièmes lames peuvent également comporter, comme les premières lames, des crans sur leurs faces orientées radialement vers l'extérieur pour coopérer avec les crans des surfaces radialement intérieures des premières lames. L'invention a également pour objet un dispositif d'excitation d'un terrain en compression, apte à coopérer avec un élément de cuvelage selon le deuxième rode de réalisation précité, caractérisé par le fait qu'il comprend deux obturateurs agencés pour obturer de facon étanche ledit élément de cuvelage de part et d'autre dudit orifice, des moyens d'injection d'un fluide d'excitation dans la chambre ainsi formée, et des moyens pour générer des ondes de compression dans ledit fluide. Le fluide injecté entre les deux obturateurs traverse l'orifice pour venir gonfler le manchon qui vient ainsi en appui sur les parois du forage. En générant des ondes de compression dans le fluide, on transmet par conséquent des vibrations radiales aux parois du forage. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'lnvention en référence aux dessins annexes dans lesquels - les figures la et lb représentent en coupe axiale les parties basses et hautes respectivement d'un cuvelage et d'un dispositif d'excitation en cisaillement selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure lb et, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un cuvelage et d'un dispositif d'excitation en compression selon l'invention, Les figures la et lb représentent un forage dont la paroi 1 a été revêtue à l'aide d'éléments de cuvelage traditionnels 2, entre lesquels a été disposé un élément de cuvelage spécial 3 selon l'invention. Cet élément comprend une zone 4 de plus faible épaisseur, radialement en retrait par rapport à la surface extérieure de l'élément. Des fenêtres 5 en forme de rectangles très allongés sont découpées dans cette zone 4 et sont séparées par des barreaux 6. Un manchon élastique 7 en polyuréthane est collé à ses extrémités en 8 et 9 à l'extérieur de la zone 4, de sorte qu'il ne déborde pas de l'enveloppe extérieure de l'élément 3. Le manchon 7 porte par ailleurs des lames 10 dont les surfaces radialement intérieures et extérieures sont crantées. Les lames 10 sont insérées dans le manchon 7 et ont une dimension Radiale inférieure à l'épaisseur des parois des éléments de cuvelage 2 de telle sorte qu'elles ne dépassent des éléments de cuvelage ni à l'intérieur ni à l'extérieur. Les figures la, lb et 2 représentent également un dispositif d'excitation 11, descendu dans le forage par tout moyen convenable au niveau de l'élément 3. Ce dispositif présente sensiblement une forme cylindrique et est muni lui aussi de fenêtres 12 traversées par des lames 13 crantées sur leur surface radialement extérieure. Les lames 13 se trouvent ainsi an vis-à-vis des lames 10 de liélément de cuvelage 3. Les lames 13 sont effilées à leurs extrémités comme représenté à la figure lb, et sont en appui au repos dans leur zone centrale contre un tube 14 terminé à sa partie supérieure par un clone 15, de demi-angle au soumet sensiblement égal à l'angle des parties effilées des lames 13. Les extrémités des lames 13 sont en appui d'une part sur le cône 15, et d'autre part sur un autre c8ne 16 de même conicité et prolongé par un tube 17. Le tube 14 pénètre à l'intérieur du c8ne 16 et est relié à une tige 18 d'un vérin 19 sonné dans le tube 17 et solidaire de ce tube. Le vérin 19 est également solidaire de la tige 20 d'un autre vérin 21 dont le corps est ponté solidaire du carter du dispositif 11. Le vérin 19 est un vérin à simple effet dont la tige 18 peut exercer une traction sur le tube 14, cette traction ayant ainsi pour effet de rapprocher les cônes 15 et 16 et par conséquent de provoquer un écartement radial des laies 13 et > par leur intermédiaire, un écartement des lames 10 rendu possible par l'élasticité du manchon 7. Par contre, le vérin 21 est un vérin à double effet et comporte une deuxième tige 22 opposée a la tige 20. Chacune des tiges 20 et 22 porte une masse d'inertie 23 et 24 respectivement. Enfin, un dispositif amortisseur à ressort 25 est intercalé sur la tige 20. Lorsque le vérin 19 eet actionné, les lames 10 viennent se plaquer contre la paroi 1 du forage dans laquelle elles sont fermement ancrées du fait des crans situés à leur surface extérieure. Si le vérin 21 est alors mis en'action, il provoque un mouvement alternatif de la masse 24 d'une part, et de l'ensemble constitué par la masse 23, le vérin 19, les tubes 14 et 17, les lames 13 et les lames 10 d'autre part. La transmission du mouvement entre les lames 10 et les lames 13 est assurée gracie aux crans de leurs surfaces en vis-à-vis. Une vibration en cisaillement est ainsi appliquée au terrain dans le voisinage du dispositif 11. Dans le 'ode de réalisation de la figure 3, on voit les éléments de cuvelage traditionnels 2, et un autre type d'élément de cuvelage spécial 26 selon l'invention. Cet élément de cuvelage 26 présente également une zone de moindre épaisseur 27 dont la surface extérieure est radialement en retrait par rapport à la surface extérieure des éléments 2. Des orifices 28 sont formés à la périphérie de la partie centrale de la zone 27, et un manchon 29 en matière élastique telle que du polynréthane est fixé aux extrémités de cette zone 27, de part et d'autre par conséquent des orifices 28. Un dispositif d'excitation 30 est, comne précédemment, descendu dans le cuvelage jusqu'au niveau de l'élément 26. Ce dispositif comprend un corps sensiblement cylindrique sur lequel sont entés deux obturateurs annulaires 31, par exemple, des obturateurs gonflables, mis en place respectivement au-dessus et aubdessous des orifices 28. Le dispositif 30 est par ailleurs relié par un conduit 32 à une source de fluide comprimé installée à la surface du forage et non représentée. Des orifices 33 sont formés dans le carter du dispositif 30 de aorte que l'intérieur de ce carter, la zone annulaire définie par la paroi extérieure de ce carter, par l'élément de cuvelage 26 et par les deux obturateurs 31, ainsi que la zone annulaire comprise entre la partie 27 de l'élément 26 et le manchon 29, forment une chambre unique reliée à la source de pression précitée. Lorsqu'un fluide sous pression est injecté par la canalisation 32, il se produit par conséquent un gonflement du manchon 29 qui vient se plaquer sur la paroi du forage. Si une oscillation de pression est alors ajoutée à la pression statique, des ondes de compression radiale sont ainsi transmises au terrain dans le voisinage de l'élément de cuvelage 26. Aussi bien dans le cas des figures la, lb et 2, que dans le cas de la figure 3, il est ainsi possible de transmettre au terrain une excitation donnée, puis d'analyser la réponse du terrain par tout moyen connu. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant ni du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Elément de cuvelage utilisable notamment pour la détermination des caractéristiques dynamiques du terrain dans un forage, comprenant un troncon de tube muni à ses extrémités de filetages appropriés pour sa liaison à des éléments de cuvelage traditionnels, caractérisé par le fait qu'il comporte au rotins un orifice (5 ; 28) dans la paroi dudit tube pour le passage de moyens d'excitation du terrain. 2 - élément de cuvelage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il colporte une pluralité d'orifices (5) allongés axialement, répartis A sa périphérie, et des premières lames (10) traversant lesdits orifices et agencées pour vibrer axialement pour transmettre au terrain une excitation de cisaillement. 3 - élément de cuvelage selon la revendication 2 > caractérisé par le fait que lesdites premières laies sont montées sur un manchon (7) en matériau élastique, de longueur axiale supérieure à celle desdits orifices, et fixé à ses extrémités périphériquement audit tube. 4 - Elément de cuvelage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites premières lames s'détendent de part et d'autre dudit manchon. 5 - Elément de cuvelage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que lesdites premières lames comportent des crans, sur au moins une de leurs faces crantées radialement. 6 - Elément de cuvelage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que lesdites premières lames ont une dimension radiale du m8me ordre que l'épaisseur du tube. 7 - Elément de cuvelage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un manchon (29) en matière élastique extérieur au tube, et fixé de manière étanche audit tube de part et d'autre desdits orifices (28), pour l'injection d'un fluide d'excitation du terrain cn compression radiale, entre la surface extérieure du tube et le manchon, par l'intermédiaire dudit orifice. 8 - Dispositif d'excitation d'un terrain en cisaillevent, apte à coopérer avec un élément de cuvelage selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait qu' il comprend des moyens de poussée (13, 19) pour presser lesdites premières laies radialement vers l'extérieur, contre la surface du forage, et des moyens de vibration (13 > 21) pour faire vibrer axialement lesdites premières laies. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérise par le fait que lesdits moyens de poussée comprennent des deuxièmes lames radiales (13), allongées axialement, et effilées en direction de leurs extrémités axiales, deux surfaces coniques coaxiales (15 > 16) > de conicités opposées et s'évasant en direction des extrémités axiales du dispositif, et sur lesquelles les parties effilées des deuxièmes laies sont en appui, et des moyens (19) pour rapprocher axialement lesdites surfaces coniques. 10 - Dispositif selon ltune quelconque des revendications 8 et 9r caractérisé par le fait que lesdits moyens de vibration comprennent des deuxièmes lames (13) agencées pour venir on prise avec lesdites premières lames, et des moyens moteurs (21) pour entraîner lesdites deuxièmes laies dans un mouvement alternatif axial. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que lesdits moyens moteurs comprennent un vérin à double effet. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que lesdites deuxièmes lames comportent des crans sur leur face orientée radialement vers l'extérieur. 13 - Dispositif d'excitation d'un terrain en compression, apte à coopérer avec un élément de cuvelage selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend deux obturateurs (31) agencés pour obturer de façon étanche ledit élément de cuvelage de part et d'autre dudit orifice (28), des moyens (32) d'injection d'un fluide d'excitation dans la chambre ainsi formée, et des moyens pour générer des ondes de compression dans ledit fluide.