Brevet FR2661511A1 — publié le 19911031

La présente invention concerne un dispositif d'acquisition d'un signal sismique émis par un outil de forage, disposé à une extrémité d'une tige de forage tournant autour d'un axe de rotation. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'étude géophysique du sous-sol par mesures sismiques à partir de sources placées dans des puits, notamment des puits de forage. Le brevet européen n" 0 273 722 décrit un dispositif d'acquisition sismique conforme au préambule qui met à profit le fait que, lors d'un forage pétrolier, l'outil de forage tricone se comporte comme une source sismique à caractère aléatoire. L'analyse des signaux reçus en surface, par des géophones par exemple, permet alors d'obtenir des informations caractéristiques des couches géologiques traversées par l'onde émise par l'outil, après que les signaux de surface aient été rendus cohérents entre eux par corrélation avec un signal de référence représentatif du signal d'émission. Ce signal est généralement saisi par un accéléromètre placé au sommet du train de tiges dont la constitution métallique assure une bonne transmission du signal fourni par l'outil de forage.Cependant, d'un point de vue pratique, il est difficile d'accéder directement au train de tiges dans la mesure où celles-ci sont animées d'un mouvement de rotation. C'est pourquoi, le capteur est monté le plus souvent sur la tête, fixe, d'injection des boues. Toutefois, du fait notamment de la présence d'un joint d'étanchéité tournant entre la tige et la tête d'injection, la fonction de transfert à ce niveau n'est pas très satisfaisante. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif d'acquisition d'un signal sismique émis par un outil de forage, disposé à une extrémité d'une tige de forage tournant autour d'un axe de rotation, dispositif qui présenterait un meilleur couplage avec la tige tournante que le dispositif connu de l'état de la technique. La solution au problème technique posé consiste, conforme ment à l'invention, en ce que ledit dispositif est constitué d'une embase de couplage destinée à être fixée sur ladite tige de forage, d'un rotor isolant, destiné à être fixé sur ladite embase, et muni de pistes conductrices parallèles reliées respectivement aux sorties d'au moins un capteur de vibration solidaire de l'ensemble embase-rotor, des moyens de fixation du rotor sur l'embase et des moyens de centrage disposés sur ladite embase de couplage permettant de maintenir lesdites pistes conductrices centrées sur l'axe de rotation, et d'un stator formant capot sur ledit rotor isolant et comportant des contacts prévus pour coopérer respectivement avec les pistes conductrices du rotor, le mouvement relatif du stator et du rotor étant assuré par au moins des roulements porteurs. Ainsi, étant assuré uniquement par des organes de fixation métalliques rigides, le couplage entre le capteur de vibration et la tige de forage peut être considéré comme direct, et ceci indépendamment du mouvement de rotation de la tige puisque le capteur est fixe par rapport à celle-ci. I1 en résulte une excellente transmission vers le capteur du signal émis par l'outil de forage. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le capteur de vibration est placé dans l'embase de couplage, ce qui offre la possibilité d'obtenir une liaison très courte entre le capteur de vibration et la tige tournante. Dans un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, le capteur de vibration est placé dans le rotor avec l'avantage de connexions électriques simplifiées entre le capteur et les pistes conductrices. Généralement, les mesures de géophysique réalisées à l'aide d'un dispositif conforme au préambule sont effectuées en même temps que les travaux de forage proprement dits en profitant de l'opportunité offerte par la présence, sur le site, d'installations qui sont alors mises par le foreur à la disposition de l'équipe de recherche géologique. Aussi, afin d'éviter des interférences trop grandes entre les deux types d'activité, il est prévu que l'embase de couplage, le rotor et le stator sont réalisés en deux parties démontables, autour d'un plan sécant par exemple. De cette manière, le dispositif, objet de l'invention, peut être facilement monté sur la tige sans avoir à la modifier ou la démontrer.D'autre part, et toujours dans le meme souci d'adaptation aisée à toute forme de tiges, l'embase de couplage comporte également des moyens pour assurer le parallélisme et la concentricité de l'embase avec l'axe de rotation de la tige de forage tournante, et un moyen de réglage du centrage de l'embase par rapport audit axe de rotation. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue générale, en coupe, d'une installation de forage. La figure 2a est une coupe de l'ensemble de la tige de forage de la figure 1, montrant une implantation d'un dispositif selon l'invention. La figure 2b est une vue de détail en coupe du dispositif selon l'invention montré à la figure 2a. La figure 3 est une vue en perspective éclatée des divers éléments constituant le dispositif selon l'invention. La figure 1 montre, d'une façon très générale, une installation de forage comprenant essentiellement une tige 10, ou un train de tiges de forage, munie à une de ses extrémités d'un outil 11 de forage tricone. Lorsqu'il casse la roche, cet outil 11 produit une émission sismique aléatoire qui peut, soit être directement transmise à la surface selon le trajet 12a, ou bien atteindre la surface en suivant le chemin 12b, c'est-à-dire après avoir été réfléchi sur une zone 13 du sous-sol présentant un contraste d'impédance acoustique. La détection par un géophone 14 des signaux 12a et 12b permet d'obtenir des informations concernant, par exemple, la zone 13 de contraste acoustique. Cependant, cette opération n'est possible que lorsque les signaux parvenant au géophone 14 sont mis en cohérence par corrélation avec le signal d'émission, souvent appelé "pilote", lequel transite le long de la tige 10 de forage et peut donc être saisi à l'autre extrémité de la tige. La partie supérieure du dispositif de forage de la figure 1 est montée en coupe sur la figure 2. Comme on peut le voir sur cette figure, la tige 10 de forage est mise en rotation autour d'un axe 21 à l'aide d'un moteur non représenté et d'un dispositif d'entraînement 20 de section carrée disposé à un endroit de la tige où celle-ci présente une section carrée de même diamètre. L'extrémité supérieure de la tige 10 comporte une tête 30 d'injection de boue rendue fixe dans l'espace par un joint tournant 31. Les dispositifs connus permettant d'enregistrer le signal d'émission fourni par l'outil de forage 11 de la figure 1 sont munis d'un capteur de vibration disposé en général sur la tête 30 d'injection. Toutefois, le couplage entre la tige 10 et le capteur ainsi placé s averse insuffisant pour une bonne réception du signal de référence. La figure 2 montre un dispositif 100 d'acquisition du signal sismique émis par l'outil de forage tricone, qui a la particularité avantageuse d'être directement solidaire de la tige 10 de forage. Dans ce but, le dispositif 100 représenté sur la figure 2 et sur la figure 3 en perspective éclatée, comprend une embase 110 de couplage, de forme sensiblement torique destinée à être fixée sur ladite tige 10. D'autre part, un rotor isolant 120 est lui-même fixé sur ladite embase 110 et muni de deux pistes 121 et 122 conductrices parallèles reliées respectivement à deux sorties d'un capteur de vibration, non représenté, mais qui, dans l'exemple de réalisation de la figure 2, est placé dans le logement 111 aménagé dans l'embase 110 de couplage. Les pistes 121 et 122 sont constituées par les affleurements sur la paroi latérale extérieure du rotor, également de forme torique, de deux couches conductrices 131, 132 disposées entre des couches 140, 141, 142 de matériau isolant. Le rotor est fixé sur l'embase à l'aide par exemple de vis d'axes 150. I1 faut alors souligner que le capteur de vibration pourrait tout aussi bien être placé sur le rotor 120, puisque l'essentiel pour l'invention est qu'il soit solidaire de l'ensemble embase 110 - rotor 120. Enfin, un stator torique 160 forme capot sur ledit rotor isolant 120 et comporte au moins une paire de contacts 161, 162, par exemple des frotteurs à balais, prévus pour coopérer respectivement avec les pistes conductrices 121, 122 du rotor 120.Le mouvement relatif du stator 160 et du rotor 120 est assuré notamment par des roulements porteurs 163, 164, tandis que le centrage du stator 160 par rapport au rotor 120 est réalisé par des roulements de guidage latéraux 165, 166. La figure 3 montre, par ailleurs, que l'embase 110 de couplage dispose de moyens de centrage, constitués par des lumières oblongues 152, permettant de maintenir lesdites pistes conductrices 121, 122 centrées sur l'axe de rotation. Lesdites lumières oblongues 152 coopèrent avec les vis 151 d'axes 150 du rotor 120. Après centrage des pistes conductrices, le rotor 120 est définitivement fixé en position par serrage d'écrous, non représentés sur la figure 3. On peut également voir à la figure 3 que l'embase 110 de couplage comporte, d'une part, un profil 170 à décrochements multiples, du type marche d'escalier, pour assurer le parallélisme et la concentricité de l'embase avec l'axe de rotation de la tige tournante, et, d'autre part, un moyen de réglage, constitué par une vis 171, destiné à mettre et maintenir en appui le profil 170 contre la tige 10 quel que soit le diamètre de ladite tige. L'ensemble des moyens formé par le profil 170 et la vis 171 de réglage permet donc d'obtenir une très grande universalité au niveau du montage et de l'adaptation sur des raccords de tige de forage dont le diamètre peut varier de 6 à 8 pouces. Selon le mode de réalisation particulièrement avantageux illustré sur la figure 3, l'embase 110 de montage, le rotor 120 et le stator 160 sont réalisés en deux parties démontables. Sur la figure 3, ne sont représentées qu'une moitié du rotor 120 et du stator 160. Afin d'assurer la continuité électrique entre les deux parties de chaque piste conductrice 121,122 du rotor 120, il est prévu des contacts mâles 172, 173, disposés aux extrémités des couches conductrices 131, 132, coopérant avec des contacts femelles, non représentés, également disposés aux extrémités des couches conductrices de l'autre moitié de rotor. Les deux moitiés d'embase, de rotor et de stator sont mécaniquement maintenues entre elles par des moyens d'assemblage classiques, tels que vis, grenouillères, etc. Le dispositif décrit en regard notamment de la figure 2b comporte un capteur de vibration vertical unique, de type accéléromètre. Il est bien entendu que, sans sortir du cadre de l'invention, il pourrait tout aussi bien comporter un groupe capteur triaxial, constitué de trois capteurs disposés selon trois directions orthogonales. REVENDICATIONS 1. Dispositif (100) d'acquisition d'un signal sismique émis par un outil (11) de forage, disposé à une extrémité d'une tige (10) de forage tournant autour d'un axe (21) de rotation, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une embase (110) de couplage destinée à être fixée sur ladite tige (10) de forage, d'un rotor isolant (120), destiné à être fixé sur ladite embase, et muni de pistes conductrices (121, 122) parallèles reliées respectivement aux sorties d'au moins un capteur (111) de vibration solidaire de l'ensemble embase-rotor, des moyens (151) de fixation du rotor (120) sur l'embase (110) et des moyens (152) de centrage disposés sur ladite embase (110) de couplage permettant de maintenir lesdites pistes conductrices (121, 122) centrées sur l'axe (21) de rotation, et d'un stator (160) formant capot sur ledit rotor isolant (120) et comportant des contacts (161, 162) prévus pour coopérer respectivement avec les pistes conductrices (121, 122) du rotor, le mouvement relatif du stator (160) et du rotor (120) étant assuré par au moins des roulements porteurs (163, 164). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur (111) de vibration est placé dans l'embase (110) de couplage. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur de vibration est placé dans le rotor. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 1'embase (110) de couplage, le rotor (120) et le stator (160) ont une forme sensiblement torique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'embase (110) de couplage, le rotor (120) et le stator (160) sont réalisés en deux parties démontables. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque piste conductrice (121, 122) est divisée en deux parties reliées entre elles par un moyen (172, 173) de continuité électrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que l'embase (110) de couplage comporte également des moyens (170) pour assurer le parallélisme et la concentricité de l'embase (110) avec l'axe (21) de rotation de la tige (10) de forage tournante, et un moyen (171) de réglage du centrage de l'embase (110) par rapport audit axe (21) de rotation. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rotor (120) dispose également de roulements (165, 166) de guidage latéraux du stator (160) sur le rotor (120). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit capteur (111) de vibration est un accéléromètre. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un unique capteur (111) de vibration vertical. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un groupe capteur triaxial.