Brevet FR2655429A1 — publié le 19910607

La présente invention concerne des assemblages de sonde pour fond de forage utilisés dans des conditions sévères de chocs et de vibrations telles que celles que l'on rencontre à l'intérieur des assemblages d'extrémité de fond d'un train de tiges rotatif en cours de forage. Au cours des mesures effectuées au fond d'un trou de sonde en cours de forage, une ou plusieurs sondes de mesure sont situées à l'intérieur de la partie en manchon du train de tiges située au voisinage du trépan et le risque existe que de telles sondes de mesure soient endommagées ou que les mesures effectuées soient faussées par les niveaux élevés de vibrations ou de chocs auxquels ces sondes sont soumises en cours d'utilisation. Un type de sonde utilisé est la sonde à détecteur à rayons gamma, qui détecte le rayonnement gamma reçu à partir d'éléments radioactifs situés dans les formations géologiques traversées par le trou de sonde au cours du forage, en vue d'établir un relevé gammagraphique en fonction de la profondeur, destiné à l'analyse de la formation géologique De telles sondes comportent généralement un compteur muni d'un cristal à scintillation à rayons gamma et d'un tube photomultiplicateur reliés par une interface optique constituée par exemple par de la graisse au silicone L'interface optique, située dans son ensemble entre le cristal et le tube photomultiplicateur peut être affectée par les vibrations et ceci peut sérieusement compromettre la performance du compteur à scintillation. Les documents US-A-4004151, 4158773, 4383175 et 4764677 décrivent diverses formes de compteurs à scintillation comportant un agencement destiné à protéger le compteur contre des vibrations extérieures Cependant, aucun de ces agencements n'assure une protection suffisamment efficace contre les vibrations de manière à surmonter de façon fiable les effets des vibrations très élevées qui existent au fond du forage. Un objet de la présente invention est d'améliorer le montage d'un compteur à scintillation ou toute autre unité interne sensible aux vibrations d'un assemblage de sonde pour fond de forage de manière à protéger l'unité contre les effets des vibrations. La présente invention fournit un assemblage de sonde pour fond de forage destiné à être utilisé dans des conditions sévères de vibrations ou de chocs, comportant une unité interne sensible aux vibrations et ayant une surface extérieure cylindrique, un boîtier extérieur ayant une surface intérieure cylindrique, à l'intérieur duquel est logée l'unité interne, et un fourreau composite intermédiaire prévu pour amortir les vibrations, situé entre lesdites surfaces intérieure et extérieure et comprenant deux parties de fourreau co-axiales ajustées l'une à l'intérieur de l'autre et consistant en une partie présentant des ouvertures, en matériau relativement rigide et une partie complémentaire en un matériau relativement élastique, ayant des portions qui se prolongent à travers les ouvertures dans la partie de fourreau en matériau relativement rigide, de telle façon que des portions de la partie de fourreau complémentaire sont en prise avec ladite surface intérieure du boîtier et d'autres portions de la partie de fourreau complémentaire sont en prise avec ladite * surface extérieure de l'unité interne, de manière à maintenir cette dernière à l'intérieur du boîtier extérieur. De préférence, la partie de fourreau complémentaire OS s'ajuste à l'intérieur de la partie de fourreau en matériau relativement rigide, de telle sorte que les portions intérieures de la partie de fourreau complémentaire soient en prise avec la surface extérieure de l'unité interne et que les portions extérieures de la partie de fourreau complémentaire s'étendent à travers des ouvertures ménagées dans la partie de fourreau ouverte et soient en prise avec la surface intérieure du boîtier extérieur. Dans un mode préféré de réalisation, la partie de fourreau en matériau relativement rigide comporte une paroi cylindrique à travers laquelle sont ménagées une pluralité de fentes axiales espacées régulièrement sur la circonférence de la paroi, et la partie de fourreau complémentaire comporte une paroi de forme générale cylindrique munie de cannelures axiales qui s'étendent à travers lesdites fentes. Sous cet aspect, en pratique le manchon a une section droite de forme générale circulaire, bien que l'on puisse envisager, dans le cadre de l'invention l'emploi de sections droites différentes, par exemple hexagonales, triangulaires ou carrées, notamment lorsque les surfaces cylindriques intérieure et extérieure du boîtier extérieur et l'unité interne, ont des sections droites non circulaires. De plus, la partie de fourreau complémentaire peut comporter des portions de sa paroi de section droite arquée pour constituer lesdites cannelures axiales, et peut comporter dans sa paroi des portions dans lesquelles sont ménagés des évidements allongés, situés entre les cannelures axiales de telle sorte que les arêtes des évidements soient en prise avec les portions de paroi se faisant vis-à-vis de ladite partie de fourreau en matériau relativement rigide De plus, la partie de fourreau complémentaire peut être en un matériau élastomère Ces caractéristiques augmentent les capacités d'amortissement aux vibrations extérieures de la partie de fourreau complémentaire tout en permettant sa dilatation thermique. Par ailleurs, l'unité interne peut être soumise à une contrainte axiale à ses extrémités, exercée par des capuchons d'embout prévus aux extrémités du fourreau. De plus, le fourreau peut être supporté de façon élastique à l'intérieur du boîtier extérieur par des moyens de mise en contrainte agissant dans une direction axiale entre chaque extrémité du fourreau et une paroi extrême adjacente respective du boîtier extérieur. Les capuchons d'embout peuvent comporter des prolongements axiaux qui s'étendent à l'intérieur d'alésages axiaux ménagés dans les parois extrêmes du boîtier extérieur et qui servent de guidage aux extrémités du fourreau; les moyens de mise en contrainte peuvent être constitués par des ressorts à compression entourant lesdits prolongements axiaux L'un au moins des capuchons d'embout peut aussi être formé avec un alésage destiné au passage de conducteurs électriques connectés à l'unité interne. Dans une application, l'unité interne comporte un cristal à scintillation à rayons gamma cylindrique et un tube photomultiplicateur cylindrique montés bout à bout, leurs extrémités adjacentes étant séparées par un élément d'interface optique en un matériau élastomère L'agencement de ce montage assure une isolation contre les vibrations externes à la fois latérale et axiale, de l'unité interne et notamment de l'élément d'interface optique sensible. L'invention sera mieux comprise, à partir de la description d'un mode de réalisation préféré, donnée à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés dans lesquels: La Figure 1 est une coupe à travers deux portions d'extrémité d'un assemblage de sonde pour fond de forage dans laquelle est incorporé le détecteur à rayons gamma; la Figure 2 est une vue latérale d'un fourreau d'amortissement des vibrations de l'assemblage dans lequel est logé le détecteur; la Figure 3 est une coupe axiale faite le long de la ligne III1 II de la Figure 2; et la Figure 4 est une vue en coupe faite le long de la ligne IV-IV de la Figure 2. La Figure 1 représente la sonde 1 qui comprend un boîtier extérieur 2 ayant une paroi cylindrique 3 située entre une cloison transversale 4 d'interconnexion et un corps de blindage électromagnétique 5 La cloison transversale d'interconnexion 4 comprend un alésage axial 6 dans lequel pénètrent des conducteurs électriques 7 qui se prolongent à travers une ouverture latérale 8 Le boîtier extérieur 2 contient une unité interne sensible aux vibrations à l'intérieur d'un fourreau composite 9 d'amortissement des vibrations ayant des capuchons d'embout munis de prolongements axiaux 11 qui sont reçus à l'intérieur d'évidements cylindriques 12 ménagés respectivement dans la cloison transversale d'interconnexion 4 et le corps de blindage 5 Les prolongements axiaux 11 sont entourés par des ressorts à compression 13 dont la fonction sera décrite ci-dessous. La Figure 2 représente le fourreau composite 9 d'amortissement des vibrations, à l'intérieur duquel est logée l'unité interne, retiré du boîtier extérieur 2 De plus, la Figure 3, qui est une coupe faite le long de la ligne III-III de la Figure 2, représente l'unité interne 14 comportant une surface extérieure cylindrique entourée par le fourreau 9 et qui consiste en un cristal cylindrique 15 de scintillation en iodure de sodium et en un tube photomultiplicateur cylindrique 16 placés bout à bout, leurs extrémités adjacentes étant séparées par une interface optique isolante constituée par un disque en caoutchouc de silicone 17. Les composants 15, 16 et 17 de l'unité interne 14, sont pré-contraints dans la direction axiale entre les capuchons d'embout 10 au moyen de cales d'interposition 18 d'épaisseur appropriée, le disque en caoutchouc 17 assurant une certaine élasticité dans le montage de ces composants. De plus, les capuchons d'embout 10 sont maintenus de façon fixe et étanche sur les extrémités du fourreau 9 de manière connue, et comportent des alésages axiaux 19 destinés au passage de conducteurs électriques De plus, des alésages de dérivation 20 sont ménagés dans les capuchons d'embout , dans un but qui apparaîtra dans la description qui va suivre Un godet de soudage 21 se prolonge à travers les cales 18 et est destiné à la connexion de conducteurs au cristal 15. La Figure 4 représente en coupe le fourreau composite 9 d'amortissement des vibrations, qui comporte une partie métallique ouverte 25 et une partie en matériau élastomère 26, par exemple en caoutchouc La partie de fourreau métallique 25 comporte cinq fentes axiales 27 ainsi que deux fentes axiales 28 supplémentaires prévues pour le passage de conducteurs qui relient les alésages axiaux 19 des capuchons d'embout 10 à travers les alésages de dérivation 20. Comme on peut le voir de la Figure 4, les cinq fentes axiales 27 sont équidistantes autour de la circonférence de la paroi cylindrique de la partie de fourreau métallique , et sont prévues pour recevoir des cannelures axiales correspondantes 29 prévues sur la partie 26 de fourreau en matériau élastomère de forme générale cylindrique Les cannelures axiales 29 sont formées par des portions arquées vers l'extérieur 30 de la paroi de la partie de fourreau en matériau élastomère 26 et font saillie à travers les fentes axiales 27 de manière à être en prise avec la surface cylindrique intérieure de la paroi 3 du boîtier extérieur lorsque le fourreau composite 9 est ajusté à l'intérieur du boîtier extérieur 2. De plus, cinq évidements allongés 31 sont ménagés dans la partie de fourreau 26 en matériau élastomère, dans les portions de paroi de celleci situées entre les cannelures axiales 29, de telle sorte que ces évidements 31 font face à la paroi intérieure de la partie de fourreau métallique et que les arêtes 32 limitant ces évidements 31 sont en prise avec les portions de paroi opposées de la partie de fourreau métallique 25 Les portions de paroi arquées 30 de la partie de fourreau en matériau élastomère 26 constituent aussi des encoches axiales 33 sur la surface intérieure de la partie de fourreau 26 et définissent, entre les encoches 33, des zones axiales 34 prévues pour être en prise avec la surface cylindrique extérieure de l'unité interne 14. Ainsi, le manchon 9 d'amortissement des vibrations, assure une isolation latérale à l'unité interne 14 contre les vibrations externes appliquées au boîtier extérieur 2, grâce au fait que les zones axiales 34 de la partie de fourreau en matériau élastomère 26 sont en prise avec la surface extérieure de l'unité interne 14 et que les cannelures axiales 29 de la partie de fourreau 26 sont en prise avec la surface intérieure du boîtier extérieur 2 La forme de la partie de fourreau en matériau élastomère 26 est telle qu'elle augmente les propriétés anti-vibratoires du fourreau 9 pour amortir les vibrations extérieures tout en permettant la dilatation thermique de la partie 26 du fourreau sous l'effet des températures élevées que l'on rencontre en fond de forage De plus, la partie métallique du fourreau sert à maintenir la forme structurale de la partie de fourreau en matériau élastomère 26 tout en préservant les propriétés anti-vibratoires d'amortissement du fourreau composite 9. Diverses modifications peuvent être apportées à la forme du manchon 9 en matériau composite anti-vibratoire d'amortissement dans le cadre de l'invention Par exemple le nombre et l'étendue dans la direction axiale des cannelures axiales 29 peuvent varier De même, la partie métallique du fourreau peut être prévue à l'intérieur de la partie du fourreau en matériau élastomère; dans ce cas, il y a lieu de prévoir des portions de la partie du fourreau élastomère en saillie vers l'intérieur à travers les fentes ménagées dans la partie de fourreau métallique. Comme mentionné précédemment des fentes axiales 28 sont prévues dans la partie de fourreau métallique 25 pour le passage de conducteurs, et sont désignées par la référence sur la Figure 4 Comme on peut le voir sur la Figure 1, un alésage axial 36 est prévu dans le corps de blindage 5 pour le passage de ces conducteurs ainsi que des conducteurs reliant le tube photomultiplicateur aux circuits électroniques de traitement associés (non représentés). De plus, l'isolation axiale de l'unité interne 14 par rapport aux vibrations qui s'exercent sur le boîtier extérieur 2, est assurée par le fait que les prolongements axiaux 11 des capuchons d'embout 10 sont disposés avec jeu à l'intérieur des évidements 12, et par le fait que les ressorts de compression 13 agissent entre la paroi transversale d'interconnexion 4 et le capuchon d'embout 10 à une extrémité de l'unité interne 14 et entre le corps de blindage 5 et le capuchon d'embout 10 à l'autre extrémité de l'unité interne 14 La combinaison de l'isolation latérale et axiale contre les vibrations assure à l'unité interne 14, et notamment à l'interface optique sensible située entre le cristal 15 et le tube photomultiplicateur 16 une protection efficace contre les vibrations extérieures. Finalement, un agencement anti-vibratoire d'amortissement analogue à celui décrit ci- dessus peut être envisagé pour protéger d'autres types d'unités internes tels que des compteurs Geiger-M ller et d'autres formes de transducteurs de mesure pour fond de forage ainsi que pour des circuits électroniques sensibles. REVENDICATIONS 1 Assemblage de sonde pour fond de forage destiné à être utilisé dans des conditions sévères de vibrations et de chocs, comportant une unité interne ( 14) sensible aux vibrations et présentant une surface extérieure cylindrique, un boîtier extérieur ( 2) présentant une surface intérieure cylindrique à l'intérieur de laquelle est logée l'unité interne ( 14), et un fourreau intermédiaire ( 9) d'amortissement des vibrations qui s'étend entre lesdites surfaces intérieure et extérieure, caractérisé en ce que le fourreau ( 9) d'amortissement des vibrations est un fourreau composite comprenant deux parties ( 25, 26) co-axiales ajustées l'une à l'intérieur de l'autre et consistant en une partie de fourreau ( 25) en un matériau relativement rigide, présentant des ouvertures et en une partie de fourreau complémentaire ( 26) en un matériau relativement élastique, ayant des portions ( 29) qui s'étendent à travers des ouvertures ( 27) ménagées dans la partie de fourreau ( 25) en matériau relativement rigide, de telle façon que des portions de la partie de fourreau complémentaire ( 26) sont en prise avec ladite surface intérieure du boîtier, et que d'autres portions de la partie de fourreau complémentaire ( 26) sont en prise avec ladite surface extérieure de l'unité interne, de manière à maintenir l'unité interne ( 14) à l'intérieur du boîtier extérieur ( 2). 2 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie ( 26) de fourreau complémentaire s'ajuste à l'intérieur de la partie de fourreau en matériau relativement rigide ( 25) de telle sorte que des portions intérieures ( 34) de la partie de fourreau complémentaire ( 26) sont en prise avec la surface extérieure de l'unité interne ( 14) et que des portions extérieures ( 29) de la partie de fourreau complémentaire ( 26) s'étendent à travers des ouvertures ( 27) ménagées dans la partie de fourreau ouverte ( 26) et sont en prise avec la surface intérieure du boîtier extérieur ( 2). 3 Assemblage suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie de manchon en matériau relativement rigide ( 25) comporte une paroi cylindrique à travers laquelle sont ménagées une pluralité d'entailles axiales ( 27 > équidistantes autour de la circonférence de la paroi, et en ce que la partie de fourreau complémentaire ( 26) comporte une paroi de forme générale cylindrique ayant des cannelures axiales ( 29) qui s'étendent à travers lesdites fentes ( 27). 4 Assemblage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de fourreau complémentaire ( 26) comporte des portions ( 30) de sa paroi qui sont de section droite arquée pour former lesdites cannelures axiales ( 29). 5 Assemblage selon les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la partie de manchon complémentaire ( 26) comporte des évidements allongés ( 31) dans des portions de sa paroi situées entre les cannelures axiales ( 29) de telle sorte que des arêtes ( 32) de ces évidements ( 31) sont en prise avec les portions de paroi qui leur font face de ladite partie de fourreau en matériau relativement rigide ( 25). 6 Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie de fourreau complémentaire ( 26) est en un matériau élastomère. 7 Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité interne ( 14) est soumise à une contrainte axiale à ses extrémités, exercée par des capuchons d'embout ( 10) situés aux extrémités du manchon ( 9). 8 Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fourreau ( 9) est supporté de façon élastique à l'intérieur du boîtier extérieur ( 2) par des moyens de poussée ( 13) qui agissent dans une direction axiale entre chaque extrémité du fourreau ( 9) et la paroi d'extrémité adjacente il respective du boîtier extérieur ( 2). 9 Assemblage selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les capuchons d'embout ( 10) sont munis de prolongements axiaux ( 11) qui s'étendent à l'intérieur d'alésages axiaux ( 12) ménagés dans les parois d'extrémité du boîtier extérieur ( 2) et qui servent de guidage aux extrémités du fourreau ( 9), les moyens de mise sous contrainte étant constitués par des ressorts de compression ( 13) qui entourent lesdits prolongements axiaux ( 11). Assemblage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité interne ( 14) comporte un cristal à scintillation à rayons gamma ( 15) et un tube photomultiplicateur cylindrique ( 16) placés bout à bout, leurs extrémités adjacentes étant séparées par un élément d'interface optique ( 17) en un matériau élastomère.