Brevet FR2636671A1 — publié le 19900323

PROCEDE ET APPAREIL POUR INTRODUIRE -DES SIGNAUX A DISTANCE DANS UN CIRCUIT DE MESURE, PENDANT LE FORAGE 1 La présente invention concerne le domaine des mesures en cours de forage (MWD) et la télémétrie au fond du trou de forage. Plus particulièrement, cette invention concerne un procédé et un appareil pour transmettre sans fil ou à distance des informations de données ou de commande provenant de l'opérateur de l'appareil vers le système MWD. On a reconnu depuis longtemps déjà dans le domaine du forage et, en particulier, des forages de puits de pétrole et de gaz, l'utilité des systèmes capables de détecter des paramètres a la base de la colonne de forage et de transmettre ces données à la surface au cours du forage. On connaît déjà et on utilise couramment des systèmes de télémétrie à impulsions dans la boue pour faire les mesures en cours de forage. Ces systèmes ont été décrits, par exemple, dans les brevets US n 3,982,431; 4,013,945 et 4,021,774 qui sont tous attribués au demandeur du présent brevet. Un système MWD est constitué de différents capteurs au fond du trou, combinés avec un système d'acquisition de données commandé par ordinateur et avec un système de télémétrie par impulsions dans la boue. En service, un système MWD est exposé à des sollicitations mécaniques extrêmes par suite des chocs, 1 des vibrations, de la pression hydrostatique de la boue et de la température. Ces conditions extrêmes impliquent que les dispositifs électroniques soient contenus dans une enveloppe de haute résistance. D'autre part, cette enveloppe doit être placée dans un collet de forage, ce qui rend son accès difficile. Les modifications des conditions de forage rendent fréquemment souhaitable de pouvoir effectuer des modifications aux paramètres fonctionnels du système MWD à l'emplacement du derrick. On connaît déjà une méthode consistant à interconnecter deux ordinateurs à la surface, en utilisant une interface telle que décrite dans le EIA Standard RS232, de façon à établir une communication permanente câblée. Une fois celle- ci établie, les données, les commandes ou les programmes peuvent être échangés entre les ordinateurs. Malheureusement, l'utilisation d'une liaison de communications RS232 donne lieu à certaines difficultés. Par exemple, il faut prévoir des connecteurs électriques pour réaliser la liaison RS232. Dans l'outil MWD, ce connecteur est combiné à un orifice à travers le collet de forage. On comprendra que la nécessité d'ajouter les éléments nécessaires (tels que l'orifice à travers le collet de forage) pour réaliser la connexion électrique directe avec l'outil MWD peut augmenter considérablement le coût du système MWD tout en aggravant le risque de pannes du système utilisé au fond du trou. La présente invention a pour objet de surmonter ou de diminuer les difficultés et insuffisances mentionnées ci-dessus, et d'autres encore, qui sont propres à la technique antérieure. Conformément à la présente invention, on prévoit un procédé pour introduire à distance des signaux provenant d'un premier ordinateur dans un système de mesure en cours de forage 1 (MWD), le système MWD comprenant un magnétomètre et un second ordinateur dans un ensemble électronique, l'ensemble électronique étant supporté à l'intérieur d'un collet de forage, ce procédé comprenant les étapes de: créer un premier signal provenant du premier ordinateur; transformer ledit premier signal en un champ magnétique; appliquer ledit champ magnétique à l'ensemble électronique du système MWD; détecter ledit champ magnétique dans l'ensemble électronique; transformer à nouveau ledit champ magnétique détecté pour obtenir le premier signal; et introduire ledit premier signal dans le second ordinateur. On prévoit également un appareil pour introduire à distance le signal provenant du premier ordinateur dans un système de mesure en cours de forage (MWD), le système MWD comprenant un magnétomètre et un second ordinateur dans un ensemble électronique, cet ensemble électronique étant supporté dans un collet de forage, ledit appareil comprenant les éléments suivants: un moyen pour créer un premier signal provenant du premier ordinateur; un premier moyen de transformation pour transformer ledit premier signal en un champ magnétique; un moyen d'introduction pour introduire ledit champ magnétique dans l'ensemble électronique du système MWD; un moyen de détection pour détecter ledit champ magnétique dans l'ensemble électronique; un second moyen de transformation pour transformer à nouveau ledit champ magnétique détecté pour obtenir ledit premier signal; et un moyen d'introduction pour introduire ledit premier signal dans le second ordinateur. Conformément à une caractéristique importante de la présente invention le magnétomètre, qui est normalement présent dans les systèmes MWD classiques, est utilisé comme canal de communication pour le transfert à distance (par exemple, sans fil) des données et/ou des ordres de commande vers l'outil MWD. La présente invention fonctionne en remplaçant le couplage électrique direct RS232 par une liaison magnétique sans fil. L'invention utilise la sortie RS232 de l'ordinateur de l'opérateur pour actionner son amplificateur de puissance, qui excite à son tour des bobines de champ d'un émetteur. L'axe des bobines de champ doit être aligné avec l'un des axes de détection du magnétomètre qui, comme déjà indiqué, est un élément préexistant du système de mesure directionnelle'de l'appareil MWD. Par conséquent, la présente invention évite la nécessité, propre à la technique antérieure,d'établir une liaison directe RS232 entre l'ordinateur de surface et l'ordinateur sur l'outil MWD. Les caractéristiques et avantages discutés ci-dessus et propres à la présente invention seront mieux appréciés et compris par les spécialistes de cette technique à l'examen de la description détaillée ci-après et des figures. Celles-ci, o les éléments semblables sont numérotés de la même façon dans toutes les figures, représentent respectivement: La figure 1, une vue schématique générale d'un trou de forage et d'un derrick de forage montrant le cadre de fonctionnement de la présente invention; La figure 2, une vue frontale en élévation, partiellement en coupe transversale, d'un système de mesures au fond du trou en cours de forage (MWD); La figure 3, un diagramme de bloc d'une liaison de communications de la surface avec un outil MWD propre à la technique antérieure; La figure 4, un diagramme de bloc d'une liaison de communications sans fil de la surface avec un outil MWD conforme à la présente invention; La figure 5, un schéma électrique d'un émetteur utilisé dans le système de la figure 4; et La figure 6, un diagramme de bloc du récepteur utilisé dans le système de la figure 4. Si l'on examine tout d'abord les figures 1 et 2, on voit le cadre général dans lequel la présente invention trouve ses applications. Il est toutefois bien entendu que cette vue d'ensemble a uniquement pour but de représenter des conditions typiques dans lesquelles la présente invention peut être utilisée, mais sans vouloir limiter le domaine d'application de cette invention à la disposition particulière représentée par les figures 1 et 2. L'appareil de forage représenté à la figure 1 comporte un derrick 10 qui supporte une colonne de forage ou tige de forage 12, qui se termine par un outil de forage 14. Comme on le sait déjà, l'ensemble de la colonne de forage peut tourner ou bien cette colonne de forage peut être maintenue fixe tandis que seul l'outil de forage esten rotation. La colonne de forage 12 est constituée d'une série de segments interconnectés, de nouveaux segments étant ajoutés au fur et à mesure de l'augmentation de la profondeur du puits. Dans les systèmes o l'outil de forage est entrainé par turbine, il est souvent souhaitable de faire tourner lentement la colonne de forage. Ce 1 résultat peut être obtenu grâce au couple de réaction provenant du forage, ou bien en faisant réellement tourner la colonne de forage depuis la surface. A cet effet, la colonne de forage est suspendue à un bloc mobile 16 d'un treuil 18 et l'ensemble de la colonne de forage peut être mis en rotation par une barre carrée qui coulisse à travers la table rotative 22 en étant mise en rotation par celle-ci au pied du derrick. Un assemblage de moteur 24 est connecté pour entraPner le treuil 18 et mettre la table rotative 22 en rotation. La partie inférieure de la colonne de forage peut contenir un ou plusieurs segments 26 (de plus grand diamètre que les autres segments de la colonne de forage) appelés collets de forage. Comme on le sait déjà dans cette technique, ces collets de forage peuvent contenir des détecteurs et des circuits électroniques pour détecteurs et des sources de puissance, telles que turbines entraînées par la boue, qui entraînent des outils de forage et/ou des générateurs et pour fournir de l'énergie électrique aux éléments de détection. Les débris de forage résultant du fonctionnement de l'outil de forage 14 sont évacués par un grand courant de boue qui monte par l'espace annulaire libre 28 entre la colonne de forage et la paroi du trou 30. Cette boue est amenée par un tuyau 32 à un système de filtrage et de décantation représenté schématiquement par le réservoir 34. La boue filtrée est ensuite aspirée par une pompe 36 équipée d'un absorbeur de pulsations 38 et est amenée sous pression par la conduite 40 à une tête d'injection tournante 42, puis à l'intérieur de la colonne de forage 12, pour être envoyée à l'outil de forage 14 et à la turbine à boue, si une turbine à boue est comprise dans le système. 1 La colonne de boue de la colonne de forage 12 sert également de support de transmission pour transporter des signaux indiquant les paramètres au fond du trou vers la surface. Cette transmission des signaux est réalisée par la technique bien connue de création d'impulsions dans la boue, o des impulsions de pression sont créées dans la colonne de boue de la colonne de forage 12, pour représenter les paramètres détectés au fond du puits. Les paramètres de forage sont détectés par une unité de détection 44 (voir figure 2) dans un collet de forage 26 à proximité ou aux environs du collet de forage. Des impulsions de pression sont créées dans le courant de boue dans la colonne de forage 12 et ces impulsions de pression sont reçues par un transducteur de pression 46, puis transmises à une unité de réception de signaux 48 qui peut enregistrer, afficher et/ou effectuer des calculs sur les signaux, afin de fournir des informations relatives aux différentes conditions au fond du trou. Si l'on examine brièvement la figure 2, on y voit schématiquement un système avec un segment de colonne de forage 26, dans lequel sont créées des impulsions dans la boue. La boue passe à travers un orifice à débit variable 50 et entra!ne une première turbine 52. La première turbine actionne un générateur 54 qui fournit de l'énergie électrique au détecteur de l'unité de détection 44 (par les conducteurs électriques 55). La sortie de l'unité de détection 44, qui peut se présenter sous forme de signaux électriques, hydrauliques ou analogues, actionne un piston 56 qui modifie la dimension de l'orifice variable , le piston 56 ayant un actionneur de vanne 57 qui peut être commandé électriquement ou hydrauliquement. Les modifications de la dimension de l'orifice 50 créent des impulsions de pression dans le courant de boue, 1 qui sont transmises et détectées à la surface afin de fournir des indications relatives aux différentes conditions détectées par l'unité de détection 44. Le passage de la boue est représenté par des flèches. Comme les détecteurs de l'unité de détection 44 présentent une sensibilité magnétique, le segment de colonne de forage particulier 26 qui contient les éléments de détection doit être une section non magnétique de la colonne de forage, réalisée de préférence en Monel ou en acier inoxydable. L'unité de détection 44 est en outre enveloppée par un récipient à pression non magnétique 60, afin de protéger l'unité de détection et de l'isoler de la pression existant dans le puits. Comme l'unité de détection 44 peut contenir d'autres détecteurs pour les mesures directionnelles ou autres, il contiendra un magnétomètre triaxial à trois enroulements, ces enroulements étant représentés séparément, uniquement à titre d'illustration et de description et étant désignés comme étant les enroulements 56A, 56B et 56C, qui sont respectivement les enroulements de magnétomètre dans les directions "x", "y" et "z". Une turbine de forage 61 est disposée en dessous de l'assemblage de détection 44. Fréquemment, un autre segment 27 du collet de forage non magnétique est situé entre l'assemblage de détection 44 et la turbine 61. L'arbre de la turbine de forage 61 présente une section inférieure dirigée vers le bas 62, qui est connectée et qui entraîne l'outil de forage 14 ainsi qu'une section 64 dirigée vers le haut. Il est souvent nécessaire d'effectuer des modifications des paramètres de fonctionnement du système MWD à l'emplacement du derrick. Ces 1 modifications sont classiquement réalisées en ramenant l'outil MWD à la surface, A l'emplacement du derrick, et en réalisant une communication permanente directe par fil entre le système d'ordinateur du MWD et l'ordinateur de l'opérateur qui est situé sur le derrick de forage luimême (voir l'élément 48 de la figure 1). Une liaison de communications classique de ce genre est représentée à la figure 3, qui montre une liaison RS232 entre l'ordinateur de l'opérateur 70 et le système d'ordinateur de l'outil MWD 72. Comme le montre également la figure 3, l'ordinateur du système MWD 72 est en communication électronique avec le magnétomètre 74 (qui correspond aux éléments 56A, 56B, 56C de la figure 2) , avec l'accéléromètre 76 et avec d'autres détecteurs connus 78. La liaison de communications classique propre à latechnique antérieure, telle que représentée à la figure 3, présente certaines insuffisances. Par exemple, il est nécessaire de prévoir les éléments requis pour réaliser une connexion électrique directe vers l'outil MWD, ce qui peut augmenter considérablement le co t du système MWD tout en aggravant le risque de panne du système utilisé au fond du trou. Ceci est particulièrement ennuyeux quand un orifice doit être prévu à travers le collet de forage de l'outil MWD, afin de réaliser une connexion directe permanente RS232 avec fil. Si l'on examine maintenant les figures 4-6 conformes à la présente invention, on y voit un procédé et un appareil pour introduire à distance des signaux de commande ou d'information provenant d'un opérateur de l'appareil dans le système MWD à la surface du derrick de forage. Comme le montre la figure 4, la présente invention utilise un émetteur 80 qui assure une communication à distance sans fil, avec un récepteur 74' dans l'outil MWD. Comme on le décrira plus en détail ci-après, une caractéristique importante de la présente invention consiste en ce que le récepteur sans fil 74' est réellement un magnétomètre, désigné par 44 à la figure 2; celui-ci est un élément déjà existant des systèmes MWD classiques. Par conséquent, la présente invention utilise le magnétomètre 74',qui existe déjà dans les systèmes MWD du commerce, comme canal de communication pour transmettre à distance des données et/ou des ordres de commande vers l'outil MWD. Cette liaison de communications sans fil remplace donc le couplage électrique direct RS232 par une liaison magnétique sans fil. Si l'on examine maintenant simultanément les figures 4 - 6, on voit que l'ordinateur de l'opérateur 70' possède une entrée RS232 vers l'émetteur 80. Dans l'émetteur 80, le signal RS232 provenant de l'ordinateur d'opérateur 70' est transformé en cinq signaux logiques de tension par le récepteur 81 de la ligne RS232. La sortie du récepteur de ligne 81 est utilisée pour actionner la commande 82 du transistor à effet de champ (FET) qui commande le FET 83. Le FET ainsi commandé fonctionne alors comme un commutateur, pour permettre ou empêcher le passage du courant par les enroulements de champ 84 et 85. Comme les bobines 84 et 85 sont mises alternativement sous tension, en fonction de la sortie de la ligne RS232, il apparait un champ magnétique à polarité alternée. Les bobines 84 et 85 de la figure 5 sont représentées de façon schématique à la figure 2, o une bobine horlogique est désignée par 84 et o une bobine anti-horlogique est désignée par 85. Les bobines 84 et 85 peuvent être alignées avec l'un quelconque des enroulements "x", e"y" ou "z" du magnétomètre 44. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 2, les 1 enroulements 84 et 85 ont été alignés avec l'enroulement "x" 56B du magnétomètre. On comprendra que les différents composants électroniques désignés schématiquement à la figure 5 sont tous disponibles dans le commerce et bien connus de tout spécialiste de cette technique. Les bobines 84 et 85 peuvent être constituées de bobines de 12" de diamètre, ayant 150 spires de fil de cuivre n 20 AWG. Si l'on examine maintenant les figures 4 t 6, on comprendra que, conformément à une très importante caractéristique de la présente invention, le magnétomètre 74' (ou élément 44 de la figure 2) du détecteur directionnel est utilisé comme transducteur pour transformer à nouveau le champ magnétique créé par l'émetteur en un signal électrique. Ceci est réalisé en utilisant un comparateur 86 pour détecter les transitions entre l'état zéro et l'état avec champ magnétique. La sortie du comparateur actionne une commande 88 de la ligne RS232 qui envoie des informations à l'ordinateur 72' du système MWD. Pendant le fonctionnement, la sortie de la commande de ligne 88 transmet la même quantité d'informations que l'entrée RS232 représentée à la figure 5. Une caractéristique essentielle de la présente invention consiste en ce que tout logiciel de système informatique rédigé pour l'ordinateur de l'opérateur et l'ordinateur de système MWD peut être utilisé afin de réaliser une communication entre les deux ordinateurs, sans tenir compte du fait qu'il existe ou non une connexion électrique directe. Par conséquent, des données des commandes ou d'autres programmes peuvent facilement être transmis depuis l'ordinateur de l'opérateur et vers l'ordinateur au fond du trou de forage sur l'outil MWD. Cette liaison de communications est réalisée par connexion à distance, sans nécessiter 1 une interconnexion électrique directe. Une autre importante caractéristique de la présente invention consiste en ce que le récepteur utilisé au fond du trou dans l'outil MWD peut être simplement constitué d'un magnétomètre, qui est un détecteur existant qui se trouve dans tous les systèmes MWD du commerce. L'utilisation d'un détecteur existant comme récepteur élimine donc la nécessité de prévoir une unité de réception séparée, ce qui facilite l'utilisation et diminue le prix de fabrication de la liaison de communications propre à la présente invention. La liaison de communications sans fil de la présente invention permet des débits de données pouvant atteindre 50 bits/seconde, ce qui est particulièrement utile au niveau du derrick de forage, o le temps est un élément essentiel. R E V E N D I C A T I ON S 1. Procédé pour introduire à distance des signaux provenant d'un premier ordinateur dans un système de mesures en cours de forage MWD, le système MWD comprenant un magnétomètre et un second ordinateur dans un ensemble électronique, l'ensemble électronique étant supporté dans un collet de forage, ce procédé comportant les étapes de: créer un premier signal provenant du premier ordinateur; transformer ledit premier signal en un champ magnétique; amener ledit champ magnétique à l'ensemble électronique dans le système MWD; détecter ledit champ magnétique dans l'ensemble électronique; transformer à nouveau ledit champ magnétique détecté pour obtenir ledit premier signal; et amener ledit premier signal au second ordinateur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de détection est réalisée par ledit magnétomètre dans ledit système MWD. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit magnétomètre comprend des enroulements x, y et z et dans lequel le champ magnétique est fourni par une paire de bobines et qui comprend l'étape de: aligner ladite paire de bobines avec l'un des enroulements x, y ou z du magnétomètre. 4. Appareil pour introduire à distance des signaux provenant d'un premier ordinateur dans un système de mesures en cours de forage (MWD), le système MWD comprenant un magnétomètre et un second ordinateur dans un ensemble électronique, l'ensemble électronique 1 étant supporté dans un collet de forage, cet appareil comprenant: un moyen pour créer un premier signal provenant du premier ordinateur; un premier moyen de transformation pour transformer ledit premier signal en un champ magnétique un moyen pour amener ledit champ magnétique à l'ensemble électronique dans le système MWD; un moyen pour détecter ledit champ magnétique dans l'ensemble électronique; un second moyen de transformation pour transformer à nouveau ledit champ magnétique détecté pour obtenir ledit premier signal; et un moyen pour amener ledit premier signal au second ordinateur. 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel ledit moyen de détection est constitué du magnétomètre (44), (74') dans ledit système MWD. 6. Appareil selon la revendication 5, dans lequel ledit magnétomètre (44), (74') comprend des enroulements x, y et z et dans lequel ledit moyen de transmission est constitué d'une paire de bobines comprenant une bobine horlogique (84) et une bobine anti-horlogique (85). 7. Appareil selon la revendication 6, dans lequel ladite paire de bobines (84), (85) est alignée avec les enroulements x, y ou z dudit magnétomètre (44), (74'). 8. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen pour créer un signal est constitué d'une entrée de signaux RS232. 9. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit premier moyen de transformation est constitué d'un transistor à effet de champ (82), (83). 10. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit second moyen de transformation est constitué d'un comparateur (86), la sortie provenant du comparateur (86) commandant un actionneur (88) de ligne RS232 pour créer une sortie RS232.