Brevet FR2657964A1 — publié le 19910809

La p-résente invention est relative à un procédé permettant de représenter la vitesse instantanée d'avancement d'un organe tournant ou percutant, notamment d'un outil de forage. ELle concerne également un appareillage permettant sa mise en oeuvre. Dans un forage, il est nécessaire de connaître avec précision la position de l'outil tournant ou percutant pendant les phases de travail ainsi que la vitesse instantanée d'avancement de L'outil pour une tranche de terrain donnée. Une teLle information donne de multiples renseignements tant sur la conduite des opérations de forage que sur la géologie des terrains traversés (lithologie, tectonique, associations minérales, approche de gisement métalliques, d'hydrocarbures) par l'interprétation des propriétés rhéologiques des formations rencontrées. En clair, grâce à L'invention on peut, en plus d'un contrôle et d'une surveillance géoLogique minutieuse du forage, visualiser avec précision et en continu la nature des terrains traversés par ce forage. Les divers appareils qui ont été jusqu'ici réalisés sont généralement constitués par un compteur mécanique ou optique, solidaire d'une poulie entraînée sans glissement par un câble relié à l'extrémité supérieure du train de tiges portant l'outil de forage. Dans ces appareils, la vitesse d'avancement est issue de mesures incrémentales qui correspondent à une fréquence de longueur dont la transmission, par l'intermédiaire d'un système du genre convertisseur fréquence-tension, fournit une va Leur de la vitesse d'avancement. Ce procédé impose l'utilisation d'un lissage du signal analogique de sortie, ce qui affecte le calcul de la mesure, d'une erreur préju viciable lors de variations importantes de vitesse du fait de la bande passante opposée par le lissage. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à remédier aux inconvénients des appareils connus et à utiliser un procédé de détermination de la vitesse d'avancement n'utilisant pas la fonction temps lors de l'affichage sur un enregistreur graphique en continu de manière à supprimer ainsi les défauts dûs aux variations importantes de vitesse De plus, la structure et la synchronisation des différentes étapes du procédé suivant l'invention les unes par rapport aux autres permettent d'apporter une nouvelle méthode d'acquisition et de traitement des données. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste - à traiter les impulsions (C et D) afin de déterminer celles qui sont positives et qui traduisent l'avance de l'organe ; - à émettre les impulsions positives CD) correspondant à une valeur d'unité de longueur ; - à conditionner cette valeur pour qu'elle représente un pas de base prédéterminé sous la forme d'un signal (W) ; - à transformer ce signal (W) en deux impulsions (I.J.) déca lées ; - à appliquer une fréquence de temps à un compteur dont La sortie émet Le temps écoulé entre deux cycles ; - à introdui-re dans une table une loi assurant la transformation du temps en une valeur désirée sous La forme d'un signal numérique (Z) ;; - et à transformer ce signal numérique (Z) en une tension qui est affichée par un lecteur graphique sur le support déplacé pas à pas. L'invention se réfère également à un appareil permettant la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention permet de supprimer tous les effets d'atténuation sur le rendu graphique par l'absence de lissage analogique externe à l'enre- gistreur graphique, ainsi que d'accéder à des plages supérieures de vitesse. L'invention supprime le calcul de la vitesse instantanée. Elle restitue la valeur de vitesse instantanée d'avance moyenne par rapport à une valeur de pas élémentaire. Elle permet aussi de disposer des valeurs numériques de vitesse instantanée d'avancement pour le stockage de données numériques permettant un traitement ultérieur. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre L'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un diagramme par blocs des différents composants de l'appareil, réalisé pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'inven- tion. Fig. 2 montre la représentation graphique de la variation de vitesse instantanée d'avancement de l'outil par rapport à la cote de profondeur. En se référant à fig 1, l'appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant L'invention comprend un certain nombre d'éléments dé crits ci-après. On a référencé 1 un organe tel qu'une tête de forage, c'est-à-dire la partie supérieure d'un train de tiges dont l'extrémité inférieure est associée à un outil de forage tournant ou percutant non représenté. Bien entendu, il peut s'agir aussi de tout autre outil s'enfonçant dans un milieu quelconque. Une cordelette inextensible 2 est fixée par une de ses extrémités à la tête 1 elle entoure une poulie 3, son extrémité opposée à ceLle qui est associée à la tête 1 étant enroulée sur un tambour enrouleur 4 qui maintient une tension constante sur la cordelette. Ainsi, la rotation de la poulie est-eLle directement dépendante de la translation de La tête 1 dans un sens ou dans l'autre. La translation de la tête 1 déplace donc la cordelette 2 qui entraîne la rotation de la poulie 3 à laquelle est associé un codeur 5 tournant en synchronisme avec cette poulie. Ce codeur est prévu optique incrémental de manière que par sa conception et son mouvement de rotation, il crée deux trains d'impulsions décalés de 900 l'un par rapport à l'autre, soit en avance soit en retard suivant le sens de rotation de la poulie 3, et dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de cette poulie. Le codeur peut aussi créer deux trains d'impulsions A et B qui sont appliqués à un système de permutation 6 électrique comportant une porte logique du type "OU exclusif" qui permet de repositionner les deux trains d'impulsions A et B par rapport aux circuits avals. Ceci permet de placer le codeur 5 dans n'importe quel sens, par exemple au sommet du derrick d'un forage ou sur la table de rotation de celui-ci par un dispositif de rappeL de la cordelette 2 ou 3 n'importe quel endroit facilitant la prise de mesure. Les deux sorties du système de permutation 6 sont appliquées à un système de décodage 7 et 8, le système de décodage 8 dont le rôle est de définir le sens de translation 1 par la valeur d'état de sa sortie 14 (niveau haut, ou niveau bas), le système de décodage 7 dont la fonction est de fournir un seul train d'impulsion C ou D sur ses sorties 7a ou 7b (équivalence d'une porte "OU exclusif") dont le rôle est de définir le sens de rotation. En pratique, grâce à ce système de décodage, il est possible de savoir si la tête descend ou remonte en partant du passage des deux trains d'impulsions A et B. De tels circuits n'ont pas à être décrits de manière plus détaillée car ils sont bien connus dans la pratique. Les deux trains d'impulsions C et D sont appliqués respectivement à deux compteurs de grande capacité 9 et 10 dont les fonctions sont différentes, c'est-à-dire selon que les trains d'impulsions C et D ont été identifiés comme provenant de la descente de la tête 1 (impulsions D) ou de sa remontée (impulsion C). Le train d'impulsions D incrémente le compteur 9 par sa borne 9a. Le train d'impulsion C incrémente le compteur 10 par sa borne 10a. Un comparateur 11 compare constament le déséquilibre d'état desdits compteurs 9 et 10 et fournit par sa sortie 13 L'état du déséquilibre ou écart e à une porte "ET logique" 15 qui reçoit en outre le train d1im- pulsions D. Trois cas sont possibles, c'est-à-dire que l'écart e est soit positif, soit nul, soit négatif. Si l'écart e est positif, son application à la porte 15 ouvre celle-ci, de sorte que les impulsions D sont émises par cette porte. Au contraire, si l'écart est nul ou négatif, la porte ET n'autorise pas le passage des impulsions D. Le compteur 9 reçoit sur une autre de ses entrées parallèles 9b L'état du compteur 10 pour permettre une multiplicité de permutations de sens de déplacement aller et retour par l'intermédiaire de L'action du circuit 8, comme on l'expliquera plus loin. Le train d'impulsions C, correspondant à la remontée de la tête, déclenche une incrémentation progressive du compteur 10, celle-ci s'effectuant d'autant d'unités qu'il y a d'impulsions C dans le train considéré. Le changement de sens de travail (remontée de la tête) réalise le changement d'état du circuit 8 sur sa sortie correspondante 14, celle-ci est alors utilisée au travers d'un circuit monostable 25 pour amener une impulsion de chargement de t'état du compteur 10 à la borne 9c du compteur 9, ceci uniquement dans le sens de la remontée. On obtient ainsi la nouvelle position de la tête au changement de sens de travail. Si après être remontée, la tête 1 redescend, le train d'impulsions D émis en correspondance va déclencher une incrémentation progressive du compteur 9 à partir de L'état du compteur 10 avant ta course négative de la tête 1, de ce fait on occulte la course négative qui ne correspond pas au travail proprement dit mais au sens du mouvement de descente de l'outil dans le forage déjà partiellement effectué. Ainsi, grâce à la porte logique 15 et au système regroupant les compteurs 9 et 10 ainsi que le comparateur 11, on obtient un dispositif qui restitue en sortie de la porte logique 15 les trains d'impulsions D correspondant au travail réel de la tête 1. De cette façon et, comme on l'indiquera plus loin, ou peut repérer la position de L'outil associé à la tête 1 en terme de Longueur. Par cette procédure, le dispositif constitué des éléments 9, 10, 11 matérialise les fonctions décrites ci-dessus. La sortie de la porte 15 (train d'impulsion D) peut s'identifier à une valeur élémentaire de longueur de forage. Cette valeur n'est pas nécessairement une valeur entière d'unité de longueur ; cela pourrait être une valeur décimale. Cette valeur est alors conditionnée grâce à un diviseur 16, pour qu'elle représente un pas de base prédéterminé. Ce pas est choisi de manière à représenter une longueur, par exemple 1 mm, de telle sorte que le diviseur 16 émet des impulsions représentatives d'une valeur exprimée en unité de pas de base. Autrement dit, ce diviseur divise le nombre d'impulsions reçues par un nombre d'impulsions égal à celui du pas de base pour obtenir un signal W correspondant à un quotient représentatif de La valeur d'avance de la tête 1 ou d'une longueur forée. il est alors possible d'afficher la cote à laquelle se trouve L'outil associé à la tête 1 sur un compteur de profondeur 17 ou de n'importe quel autre point repéré reliant la tête 1 à cet outil. Le compteur 17 peut par exemple afficher ltéquivalent du centimètre d'avance de l'outil. Le signal W ainsi conditionné issu du diviseur 16 est amené à L'entrée 8a d'un registre à décalage 18 permettant d'obtenir deux impulsions I.J. décalées de quelques nanosecondes dans le temps, ces deux impulsions étant dès lors ordonnées, c'est-à-dire que L'impulsion I précède l'impulsion J. Une horloge 19 extérieure à L'ensemble des éléments décrits cidessus délivre une fréquence de référence représentant le temps écoulé. Cette fréquence de temps est appliquée à l'entrée 20a d'un compteur d'état du temps écoulé 20 qui est validé en sortie par les impulsions I, c'est-à-dire que le nombre d'impulsions provenant de l'horloge est affiché par l'impulsion I. Puis ce compteur est remis à zéro par l'impulsion suivante J, et le cycle recommence. Les sorties du compteur de temps 20, c'est-à-dire Le nombre d'impulsions comptabilisées entre deux cycles sont appliquées aux bornes d'entrée 21a des adresses d'une mémoire passive 21. Cette mémoire renferme en fonction du résultat demandé des moyens donnant la valeur recherchée en fonction de L'état du signal d'entrée en 21a, c'est-à-dire de la valeur absolue de ce signal. Par exemple, si l'on désire une loi entre le temps écoulé et la vitesse, on adopte une fonction hyperbolique. De cette manière, on stocke dans la mémoire tous les résultats qu'il est possible d'obtenir dans des limites déterminées. Ainsi, lorsque l'état du signal d'entrée en 21a est une longueur, on obtient à la sortie 21b la valeur de la vitesse correspondante sous la forme d'un signal numérique Z. Pour la facilité de ta réalisation de l'appareil suivant l'invention, l'on prévoit un circuit 22 transformant L'état numérique de la vitesse instantanée en une tension qui peut être affichée sur un enregistreur graphique 23 sans lissage, affectant la mesure dont l'avancement du déroulement est réalisé par un moteur pas à pas 24 à partir des impulsions issues du diviseur 16. La souplesse de ce dispositif permet, soit en modifiant la loi contenue dans ta mémoire 21, soit en agissant sur la valeur de la fréquence de l'horloge temps 19, de disposer de plusieurs plages de fonctionnement nécessaire à l'exploitation optimale de ce paramètre déterminant. De plus, il permet d'accéder à un domaine de vitesses plus élevées par le fait même que le processus n'est pas entaché de procédure de calcul de vitesse, la limite du système n'étant fixée que par les temps de fonctionnement intrinsèque nécessaire au bon fonctionnement de la technologie utilisé dans la réalisation des circuits (queLques ns) ce qui permet de mesurer des vitesses supérieures à 5 000 km/h. De plus, par simple modification de la loi introduite dans la mémoire 21, il peut être réalisé toutes les fonctions de présentation de la vitesse instantanée d'avancement (loi linéaire, loi logarithmique, loi exponentielle, loi dérivée telle que accelération). On obtient ainsi une représentation des vitesses successives de L'organe 16 (fig. 2) en fonction de son enfoncement dans Le sens du travail. il doit d'ailleurs être ent-endu que La description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant Les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Procédé d'affichage des vitesses d'enfoncement d'un organe dans un matériau en fonction de ses positions successives dans le sens du travail, du genre dans Lequel un support est déplacé pas à pas en fonction de L'avancement de L'outil afin de recevoir un affichage graphique d'un paramètre instantané lié à L'organe et qui comporte une phase au cours de LaqueLLe des impulsions correspondant à l'avance ou au recul de l'organe sont éLaborées pour délivrer deux trains d'impulsions C et D correspondant respectivement au recul et à l'avance de l'organe, caractérisé en ce qu'il consiste :: - à traiter les impulsions (C et D) afin de déterminer celles qui sont positives et qui traduisent l'avance de L'organe ; - à émettre les impulsions positives (D) correspondant à une valeur d'unité de longueur ; - à conditionner cette valeur pour qu'elle représente un pas de base prédéterminé sous la forme d'un signal (W) ; -- à transformer ce signal (W) en deux impulsions (I.J.) décalées ; - à appliquer une fréquence de temps à un compteur dont la sortie émet le temps écoulé entre deux cycles ; - à introduire dans une table une loi assurant la transformation du temps en une valeur désirée sous la forme d'un signal numérique (Z) ; - et à transformer ce signal numérique (Z) en une tension qui est affichée par un lecteur graphique sur le support déplacé pas à pas. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la loi introduite dans la table est une loi hyperbolique permettant d'obtenir un signal de vitesse à partir d'une longueur. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un compteur (9) incrémenté par les impulsions négatives (C), un compteur (10) incrémenté par les impulsions positives (D) et un comparateur (11) qui constate en permanence le déséquilibre ou écart e entre les compteurs (9 et 10) et fournit cet écart à une porte "ET logique" qui reçoit en outre les trains d'impulsions positives (D). 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un diviseur (16) qui fragmente les impulsions (D) en un signal (W) correspondant à un nombre d'impulsions prédéterminé. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que Le signal (W) issu du-diviseur (16) est amené dans un registre à décalage émettant deux impulsions (I, J) décalées dans le temps. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un compteur du temps écoulé (20) recevant une fréquence de référence d'une horloge (19), des moyens usuels étant prévus dans le compteur (20) pour afficher le nombre d'impulsions provenant de l'hor- loge à chaque application d'une impulsion(I; puis a être remis à zéro par l'impulsion suivante (J). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions sélectionné par le compteur (20) est transmis à une mémoire passive (21), contenant une loi permettant de fournir un paramètre déterminé en fonction de L'état du signal d'entrée. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la mémoire passive renferme une loi hyperbolique donnant une vitesse si L'état du signal d'entrée dans la mémoire est une Longueur. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé én ce qu'il comprend en outre-un circuit (22) transformant L'état numérique de la sortie de la mémoire (21) en une tension.