Brevet FR2671297A1 — publié le 19920710

La présente invention a pour objet une source vibrante perfectionnée, du type électro-hydraulique pour engendrer des ondes acoustiques et notamment une source é lect ro-hydrau li que utilisable dans des puits. Une telle source trouve ses applications notamment pour des opérations de prospection sismique menées dans des puits dans le but d'étudier des zones souterraines susceptibles de produire des effluents. Elle est disposée dans un puits foré au travers de la zone étudiée et les signaux vibratoires qu'elle émet, sont captés par des récepteurs sismiques placés dans le même puits ou dans un autre puits selon le cas. Par la demande de brevet français EN. 90/12472 on connait une source vibrante adaptée à fonctionner dans un puits qui comporte un corps allongé pouvant être descendu dans un puits à l'extremité d'un câble électro-porteur, un ou plusieurs patins de couplage déplaçables par rapport au corps, au moyen de vérins hydrauliques entre une position de retrait et une position d'application contre les parois du puits, un système hydraulique comportant des moyens de pompage délivrant du fluide à une pression statique d'ancrage toujours supérieure à la pression statique régnant dans le puits à la profondeur d'utilisation, des circuits hydrauliques d'alimentation de chaque vérin et des moyens d'équilibrage pour maintenir le fluide hydraulique à une pression au moins égale à la pression statique régnant dans le puits.Cette source comporte encore des moyens électro-acoustiques pour créer des vibrations et des moyens de couplage pour transformer les vibrations créées en variations autour de la pression statique d'ancrage de la pression régnant dans les circuits reliant chaque vérin aux moyens de pompage. Les moyens électro-acoustiques comportent par exemple une paroi mobile fixée à des moyens électro-dynamiques du type haut-parleur par exemple qui sont alimentés par un générateur de signal périodique, les moyens de couplage appliquant les déplacements de la paroi mobile au fluide des circuits hydrauliques d'alimentation. Cette source vibrante a L'avantage d'occuper un volume relativement faible du fait qu'elle ne comporte aucun moyen de stockage d'énergie telle qu'un accumulateur hydraulique. Elle est aussi adaptée à créer un signal vibratoire d'une durée relativement longue à partir de l'énergie électrique qui lui est transmise par les conducteurs inclus dans les câbles électro-porteurs couramment employés dans les puits. En outre, du fait des moyens employés pour transférer les vibrations aux circuits des vérins d'ancrage, la source permet une amplification des forces appliquées aux parois par les patins d'ancrage. Un inconvénient de cette source réside cependant dans La relative complexité des moyens employés pour compenser les variations de la pression statique régnant dans le puits quand la profondeur d'utilisation varie. Les moyens d'équilibrage comportent en effet un premier cylindre de compensation pourvu d'un piston libre pour mettre la pression plus basse des circuits hydrauliques à L'entrée de la pompe en équilibre permanent avec la pression du puits et un deuxième cylindre de compensation pour mettre aussi l'intérieur du corps en équi-pression avec la pression à L'extérieur. La source perfectionnée selon l'invention permet d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. Elle comporte un corps allongé pouvant être descendu dans un puits à l'extrémité d'un câble électro-porteur, au moins un patin de couplage déplaçable par rapport au corps, au moins un vérin hydraulique constitué d'un cylindre d'un piston et d'une tige rigide reliant le piston audit patin pour déplacer celui-ci entre la position de retrait et la position d'application contre les parois du puits, un système hydraulique comportant des moyens de pompage délivrant du fluide à une pression statique d'ancrage, des circuits hydrauliques d'alimentation de chaque vérin des moyens électro-acoustiques pour créer des vibrations et des moyens de couplage pour transformer les vibrations créées en variations de pression autour de la pression statique d'ancrage dans les circuits reliant chaque vérin aux moyens de pompage. La source perfectionnée selon l'invention se distingue en ce que chaque vérin hydraulique comporte des moyens de communication de fluide indépendants du système hydraulique, pour appliquer à l'ensemble mobile de chaque vérin une contre-pression sensiblement égale en permanence à la pression régnant dans le puits à la profondeur d'utilisation. Les moyens de communication de fluide comportent par exemple un conduit de section sensiblement égale à celle de la tige du vérin qui débouche dans le cylindre du côté de celui-ci opposé à la tige et qui communique avec L'extérieur du corps, ainsi qu'une extension de la tige coulissant de façon sensiblement étanche dans ledit conduit. Le conduit peut communiquer avec L'extérieur du corps soit directement soit encore par L'intermédiaire d'un cylindre d'équilibrage. Suivant un mode de réalisation les moyens électro-acoustiques comportent par exemple une paroi mobile fixée à des moyens électro-dynamiques connectés à un générateur de signal périodique, Les moyens de coupLage appliquant les déplacements de la paroi mobile au fluide des circuits hydrauliques d'alimentation. Les moyens de couplage comportent par exemple un cylindre auxiliaire communiquant avec les circuits hydrauliques, un piston déplaçable de façon étanche dans le cylindre auxiliaire et relié mécaniquement auxdits moyens électro-dynamiques. On peut utiliser aussi des moyens électro-acoustiques comportant un ensemble d'éléments pié zoéle ctriques couplés mécaniquement en série et électriquement en parallèle à un générateur de signal périodique, cet ensemble d'éléments piézo-électriques étant pourvu d'une face dont les déplacements sont appliqués au fluide des circuits hydrauliques par lesdits moyens de couplage. Dans ce cas les moyens de couplage peuvent comporter aussi un cylindre auxiliaire communiquant avec les circuits hydrauliques, un piston déplaçable de façon étanche dans le cylindre auxiliaire et relié mécaniquement à ladite face vibrante de l'ensemble d'éléments sensibles piézo-électriques. Suivant un mode de réaiisation le piston déplaçable dans le cylindre auxiliaire est relié par une tige rigide à un élément rigide pourvu d'une partie annulaire déformabLe, et fixé à un bobinage déplaçable dans l'entrefer d'un circuit magnétique, alimenté par ledit générateur de signal périodique. On choisit par exemple la section dudit cylindre auxiliaire inférieure à celle du cylindre de chaque vérin, de manière à obtenir une amplification hydraulique de la force appliquée à chaque patin de couplage. Le perfectionnement apporté permet de simplifier la réalisation de la source de puits. Le système hydraulique peut fonctionner en permanence à une pression plus basse suffisante pour plaquer les patins contre les parois du puits et créer la surpression génératrice des vibrations. Avec la contre-pression exercée du côté opposé de chaque cylindre du vérin, les patins sont en équilibre en L'absence de toute pression appliquée par le système hydraulique. D'autres caractéristiques et avantages de la source vibrante selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation décrit à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés où - la Fig. 1 est une vue généra le schématique de la source selon l'invention, en position de fonctionnement dans un puits; - la Fig. 2 montre schématiquement la disposition des patins d'ancrage autour du corps de la source; - la Fig. 3 montre schématiquement un premier mode de réalisation avec un système électro-dynamique commandant le fonctionnement de la source, en position de retrait des patins d'ancrage; - La Fig. 4 montre schématiquement le même système de commande, en position d'ancrage des patins; et - la Fig. 5 montre schématiquement un second mode de réalisation de la source avec un ensemble piézo-électrique pour créer les vibrations. Si l'on se reporte à ta figure 1, on voit que la source comporte un corps 1 qui peut être descendu dans un puits ou forage 2 à L'extrémité d'un câble multi-fonctions 3 adapté à soutenir le corps de la source et comprenant des conducteurs d'alimentation électrique et des conducteurs permettant la transmission de signaux de commande depuis une installation de surface jusqu'à la sonde et en retour, La transmission jusqu'à la source de signaux de mesure engendrés par des appareils de mesure. Le corps 1 est associé par exemple à deux ensembles d'ancrage comportant chacune trois patins 4 (Fig. 2) disposés de o préférence à 120 les uns des autres, qui peuvent être déplacés d'une position de retrait permettant les libres déplacements de la sonde dans le puits, à une position d'écartement où ils sont appliqués contre la paroi du puits, sous L'action de vérins 5. Chaque vérin est disposé radialement et comporte une tige 6 solidaire d'un piston 7 adapté à coulisser dans un cylindre 8 sous L'action d'un système électro-hydraulique de manoeuvre 9 adapté à engendrer une pression statique d'ancrage et une variation de pression périodique superposée à cette pression statique. Ce système de manoeuvre qui est contenu dans un compartiment 10 du corps, comporte (Figs. 3, 4) une pompe hydraulique 11, un réservoir 12 pour du liquide hydraulique 13. Une canalisation 14 fait communiquer cette chambre avec L'entrée E de la pompe 11. La sortie S de la pompe 11 communique par une canalisation 15 avec une voie d'entrée a d'une première électro-vanne EV1. Une canalisation 16 sur laquelle est disposée une soupape anti-retour 17, fait communiquer une première sortie b de l'électro-vanne EV1 avec une première entrée c et une seconde entrée d'une électro-vanne EV2. Une soupape tarée 18 disposée sur une canalisation 19 qui réunit les canalisations 16 et 14, permet de limiter la surpression produite par la pompe par rapport à la pression statique du puits et donc la force d'ancrage des patins à une va leur prédéterminée. L'entrée E de la pompe 11 est connectée par une canalisation 20 à une troisième entrée e et une quatrième entrée f de L'électro-vanne EV2. Celle-ci est pourvue de deux sorties, une première sortie g communiquant par des canalisations 21 avec la partie 8a du cylindre de chaque vérin 5 la plus éloignée de la paroi du puits, une deuxième sortie h communiquant par des canalisations 22 avec La partie 8b du cylindre de chaque vérin 5 opposée à la partie 8a. La troisième entrée e et la quatrième entrée f de l'électro-vanne EV2 sont également connectées. En position de repos, L'électro-vanne est ouverte. Elle fait communiquer son entrée a avec sa sortie b et donc la sortie de la pompe avec la canalisation 16. L'excitation de L'électro-vanne EV1 interrompt cette communication. L'électro-vanne EV2 est agencée pour que, - en position de repos (Fig. 3), La quatrième entrée f communique avec la première sortie g et la seconde entrée d communique avec la deuxième sortie h; et - en position d'activation (Fig. 4), L'entrée c communique avec la sortie g et la troisième entrée e communique avec la seconde sortie h. Le système électro-hydraulique de manoeuvre comporte aussi des moyens électro-dynamique 23 pour créer des variations de la pression d'ancrage appliquée aux différents patins. Ces moyens électrodynamiques comportent un cylindre auxiliaire 24 solidaire du corps 1 de la source et communiquant vers une première extrémité, par une canalisation 25 avec la canalisation 21. Dans le cylindre auxiliaire 24, coulisse de façon étanche un piston 26 solidaire d'une tige 27 traversant le fond du cylindre 24 du côté opposé à la première extrémité. La tige 27 à son extrémité opposée au piston 26, est reliée à un dôme rigide 28. A la périphérie de cette coupelle 28 est fixée l'extrémité d'un bobinage 29 dont l'axe est sensiblement parallèle à celui du cylindre auxiliaire 24.Le bobinage 29 est placé dans l'entrefer d'un circuit magnétique 30 fixé à un chassis rigide 31 lui-même solidaire du corps 1 de la source. L'ensemble du dôme 28 et du bobinage 29 est fixé à une membrane annulaire 32 reliée à sa périphérie du chassis rigide 31. Un ressort 33 est fixé entre le fond du cylindre auxiliaire 24 et la coupelle 28. En position de repos (Fig. 3), it exerce une traction sur le dôme 28. La section du cylindre auxiliaire peut être choisie inférieure à celle des cylindres des vérins 5. De cette manière, toute variation de pression du liquide hydraulique dans les canalisations 21, 25 par le déplacement du piston 26, se traduit par une amplification de la force mécanique exercée aux patins d'ancrage. La source selon l'invention comporte des nouveaux moyens pour compenser les variations de la pression statique régnant à L'extérieur du corps 1 consécutifs aux déplacements de la source, par l'application permanente d'une contre-pression sur les ensembles mobiles des vérins et qui est indépendante du système hydraulique. A cet effet, la paroi termina le 35 de chaque cylindre de vérin, du côté 8a de la chambre 8 opposé au piston 4, est pourvue suivant son axe d'une ouverture 36 contre laquelle est appliquée L'extrémité d'un tube 37. L'extrémité opposée du tube 37 communique directement avec l'extérieur du corps. La tige 6 comporte un prolongement 38 de section identique du côté opposé du piston 7. La section de L'ouverture 36 et celle du tube 37 sont adaptées pour que Le prolongement 38 de la tige puisse y coulisser de façon étanche. Avec cette disposition, l'ensemble mobile (6, 7, 3, 8) de chaque vérin est en équilibre indifférent étant soumis en permanence des deux côtés à L'action de la pression hydrostatique dans le puits. Le corps 1 peut être isolé du puits et le fluide hydraulique des circuits de commande des vérins et du cylindre auxiliaire 24, maintenu à une pression indépendante de la profondeur de fonctionnement de la source, égale par exemple à la pression atmosphérique. En L'absence de toute autre sollicitation, le dôme 28 est maintenu en position avancée (Fig. 3) par la tension du ressort 33. Des conducteurs électriques du câble multi-fonctions 3 sont reliés par un ensemble de conducteurs 39 à un boîtier de commande 40. Ce boîtier peut dé Livrer sélectivement un courant p pour Le moteur électrique de la pompe 11, des courants evî et ev2 pour l'excitation des électro-vannes EV1 et EV2 respectivement et un courant alternatif ed pour l'excitation du bobinage 29. Les conducteurs de liai son ne sont pas représentés. La source vibrante selon l'invention est mise en oeuvre de La façon suivante. On la descend dans le puits 2 jusqu'à la profondeur choisie pour son utilisation. Depuis l'installation de surface, un opérateur envoie par L'intermédiaire du câble 3 et du boîtier 37, un courant d'activation de la pompe 11 et de l'électro-vanne EV2. L'électro-vanne EV1 étant normalemnt ouverte. Le liquide sous pression délivré par la pompe, compte-tenu de la configuration de la vanne EV2 au repos, est dirigé vers la chambre 8a des différents vérins 5 et vers le cylindre auxiliaire 24. Il en résulte un déplacement des patins 4 vers leur position d'extension et un ancrage par rapport à la paroi du puits. La pression d'ancrage obtenue dépend de la pression de tarage de la soupape 18 placée en parallèle sur la pompe 11.La pression hydraulique repousse le piston 26 dans le cylindre auxiliaire 24 et déplace l'ensemble mobile 28, 29, 32 des moyens électro-dynamiques 23 vers leur position de fonctionnement pour laquelle le bobinage 29 est centré dans L'entrefer du circuit magnétique 30. La pression hydraulique provoque La tension du ressort antagoniste 33. L'opérateur commande alors par l'intermédiaire du boîtier 40, la fermeture de l'electro-vanne EV1 et l'arrêt de la pompe 11. Le déclenchement de la source est obtenu en envoyant dans le bobinage pendant un intervalle d'émission déterminée un signal ed d'activation. Le déplacement du bobinage 29 dans L'entrefer du circuit magnétique, est transmis par L'intermédiaire du dôme et de la tige 27, au piston 26 dans le cylindre auxiliaire. Le déplacement du piston 26 a pour effet de faire varier à la même fréquence la pression dans les circuits hydrauliques. Il en résulte une variation de la pression appliquée aux formations environnant le puits par les patins d'ancrage. Si la section du cylindre auxiliaire est plus faible que celle des cylindres des vérins dans un rapport n par exemple, on obtient une amplification de la force exercée par les patins avec un facteur n d'amplification également. L'amplitude du signal ed appliqué au bobinage 29 est choisie inférieure à ta surpression statique d'ancrage appliquée aux patins, de manière que la source reste bien ancrée même pendant les alternances négatives du signal alternatif appliqué. L'utilisation de moyens électro-hydrauliques pour faire varier la pression appliquée aux patins, permet de faire varier facilement la fréquence dans une plage étendue, de quelques Hertz à plusieurs centaines de Hertz. Quand la source doit être désancrée, L'opérateur commande le retour des électro-vannes EV1 et EV2 en position de repos, ce qui produit un retrait des patins d'ancrage vers leur position de repos (Fig. 3). Suivant le mode de réalisation de la Fig. 5, les moyens électro-dynamiques 23 peuvent encore être remplacés par des moyens piézo-électriques. La tige 27 relie le piston 26 à un empilement 38 sur une paroi solidaire du corps 1 de la source, de pastilles piézo-électriques 39 couplées mécaniquement en série et interconnectées électriquement en parallèle à un transformateur électrique élévateur de tension 40, lequel est alimenté depuis l'installation de surface par des conducteurs du câble 3. Le nombre de pastilles 39 est choisi en fonction du déplacement mécanique global à appLiquer au piston 26. Dans ce cas également, une réduction de la section du cylindre auxiliaire 24 relativement à celle des cylindres de vérins 5, permet d'obtenir une amplification mécanique de la force vibrante appliquée aux patins 4. Dans Les modes de réalisation décrits, les moyens électro-acoustiques pour superposer une composante variable à une pression statique comportent des moyens mécaniques intermédiaires (vérin auxiliaire 24 à 27) pour transmettre les mouvements d'une face vibrante au liquide hydraulique. Cependant, on ne sortirait pas du cadre de l'invention si une amplification mécanique n'est pas nécessaire, en supprimant ces moyens mécaniques intermédiaires, ta face vibrante (28, 38) étant directement en contact du fluide hydraulique des circuits reliés aux vérins 5. On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en interposant un cylindre d'équilibrage intermédiaire entre le tube 37 et L'extérieur du corps 1. REVENDICATIONS 1) Source vibrante perfectionnée du type électro-hydraulique pour engendrer des ondes acoustiques dans un puits comportant un corps allongé (1) pouvant être descendu dans un puits (2) à l'extrémité d'un câble électro-porteur (3), au moins un patin de couplage (4) déplaçable par rapport au corps, au moins un vérin hydraulique (5) constitué d'un cylindre, d'un ensemble mobile incluant un piston et d'une tige rigide reliant le piston audit patin pour déplacer celui-ci entre la position de retrait et la position d'application contre les parois du puits, un système hydraulique comportant des moyens de pompage (11) délivrant du fluide à une pression statique d'ancrage, des circuits hydrauliques (21, 22) d'alimentation de chaque vérin, des moyens électro-acoustiques pour créer des vibrations et des moyens de couplage (24, 27) pour transformer les vibrations créées en variations de pression autour de la pression statique d'ancrage dans les circuits reliant chaque vérin aux moyens de pompage, caractérisée en ce que chaque vérin hydraulique comporte des moyens (26-38) de communication de fluide indépendants du système hydraulique, pour appliquer à l'ensemble mobile de chaque vérin une contre-pression sensiblement égale en permanence à la pression régnant dans le puits à la profondeur d'utilisation. 2) Source vibrante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de communication de fluide comportent un conduit (37) de section sensiblement égale à celle de la tige (6) du vérin (5) qui débouche dans le cylindre (8) du côté (8a) de celui-ci opposé à la tige et qui communique avec l'extérieur du corps, ainsi qu'une extension (36) de la tige coulissant de façon sensiblement étanche dans ledit conduit. 3) Source vibrante selon la revendication 2, caractérisée en ce que le conduit (37) communique avec l'extérieur du corps par l'intermédiaire d'un cylindre d'équilibrage. 4) Source vibrante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens électro-acoustiques comportent une paroi mobile (28, 32) fixée à des moyens électro-dynamiques (29, 30) connectés à un générateur de signal périodique, les moyens de couplage appliquant les déplacements de la paroi mobile au fluide des circuits hydrauliques d'alimentation. 5) Source vibrante selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de couplage comportent un cylindre auxiliaire (24) communiquant avec les circuits hydrauliques, un piston (26) déplaçable de façon étanche dans le cylindre auxiliaire et relié mécaniquement auxdits moyens électro-dynamiques. 6) Source vibrante selon L'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens électro-acoustiques comportent un ensemble (41) d'éléments piézoélectriques couplés mécaniquement en série et électriquement en parallèle à un générateur de signal périodique, cet ensemble d'éléments piézo-électriques étant pourvu d'une face dont les déplacements sont appliqués au fluide des circuits hydrauliques par lesdits moyens de couplage. 7) Source vibrante selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de couplage comportent un cylindre auxiliaire (24) communiquant avec les circuits hydrauliques (21), un piston déplaçable de façon étanche dans le cylindre auxiliaire et relié mécaniquement à ladite face vibrante de l'ensemble d'éléments sensibles piézo-électriques. 8) Source vibrante selon la revendication 5, caractérisée en ce que le piston (26) déplaçable dans le cylindre auxiliaire (24) est relié par une tige rigide (27) à un élément rigide (28) pourvu d'une partie annulaire déformable (32), et fixé à un bobinage (29) déplaçable dans l'entrefer d'un circuit magnétique (30), alimenté par ledit générateur de signal périodique. 9) Source vibrante selon L'une des revendications 5 ou 7, caractérisée en ce que la section dudit cylindre auxiliaire (24) est inférieure à celle du cylindre (8) de chaque vérin (5), de manière à obtenir une amplification hydraulique de la force appliquée à chaque patin de couplage.