Brevet FR2673002A1 — publié le 19920821

La présente invention concerne un transducteur pour l'émission et/ou la réception d'ondes de flexion dans un forage. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'exploration géologique par sismique de puits. La technique de prospection par sismique de puits consiste à disposer dans un puits de forage, vertical ou horizontal, des transducteurs sismiques, émetteurs ou récepteurs, capables respectivement d'émettre ou de recevoir des ondes acoustiques se propageant à l'intérieur des formations géologiques traversées par ledit puits. En particulier, en vue de déterminer la vitesse de propagation des ondes de cisaillement, ou ondes S, on cherche à générer et à détecter des ondes de flexion, guidées dans les forages. En effet, pour des fréquences suffisamment basses, inférieures à 5 kHz, la vitesse de propagation des ondes de flexion est pratiquement la même que celle des ondes S, et pour des fréquences plus élevées, il est possible d'appliquer une correction fonction du diamètre et de la fréquence pour obtenir une bonne estimation de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement. Actuellement, les transducteurs utilisés sont des dipôles ou quadripôles piézoélectriques, ou encore des systèmes électromécaniques tels qu'un piston d'acier propulsé par un solénoïde normalement à l'axe du forage, il s'agit en fait d'un dipôle électromécanique. Toutefois, ces transducteurs connus présentent l'inconvénient de ne pas offrir un très bon couplage avec les parois du forage, et, dans le cas des dipôles ou quadripôles piézoélectriques, le problème de la contrepression due aux fluides présents dans le puits de forage est mal résolu. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un transducteur pour l'émission et/ou la réception d'ondes de flexion dans un forage, qui permettrait, d'une part, de réaliser un meilleur couplage avec le puits de forage et, d'autre part, de résoudre aisément le problème de la contrepression. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit transducteur comprend un élément élastique de forme substantiellement allongée dans une direction principale définissant la direction de propagation desdites ondes de flexion. et présentant, d'une part, deux extrémités dont au moins une est munie d'un transducteur de contrainte, et, d'autre part, des moyens de déformation dudit élément élastique, sous l'effet de ladite contrainte, dans une direction perpendiculaire à ladite direction principale. Ainsi, l'élément élastique étant disposé dans le puits de forage de manière à ce que ladite direction principale soit sensiblement confondue avec l'axe du puits, le transducteur de contrainte, de compression par exemple, soumet ledit élément élastique à une déformation, de flambage dans ce cas, qui a pour effet de produire une courbure par déplacement transversal de la région médiane de l'élément. Il se produit alors une surpression du côté de la courbure concave et une dépression égale en valeur absolue du côté de la courbure convexe. Ceci entraîne, comme dans le cas d'un simple dipôle, la génération d'ondes de flexion dans les formations géologiques encaissantes du puits de forage.Cependant, dans le cas du transducteur selon l'invention, le couplage aux parois du forage est meilleur du fait de la simulation de la déformation causée par le passage d'une onde de flexion, le transducteur agissant finalement comme une antenne demi-onde. De même, un couplage encore meilleur peut être obtenu lorsque la longueur de l'élément élastique de forme substantiellement allongée est supérieure au diamètre du forage. Dans un premier mode de réalisation du transducteur conforme à l'invention, ledit élément élastique de forme substantiellement allongée est une lame pleine symétrique par rapport à un plan médian perpendiculaire à la direction principale, et lesdits moyens de déformation dudit élément élastique sont constitués par une face convexe de ladite lame, la section de la lame allant en diminuant desdites extrémités audit plan médian. Ce mode de réalisation particulier présente l'avantage que, la lame étant pleine, le problème de la contrepression est de fait résolu. Selon un deuxième mode de réalisation du transducteur de l'invention, ledit élément élastique de forme substantiellement allongée est une chemise creuse sensiblement cylindrique d'axe confondu avec ladite direction principale, symétrique par rapport à un plan médian perpendiculaire à la direction principale, et présentant une paroi, et lesdits moyens de déformation dudit élément élastique sont constitués par une première zone longitudinale de réduction d'épaisseur de la paroi par augmentation de courbure interne et par une deuxième zone longitudinale de réduction d'épaisseur de la paroi par diminution de courbure externe, lesdites première et deuxième zones longitudinales de réduction d'épaisseur étant sensiblement diamétralement opposées et symétriques, chacune, par rapport à un plan de symétrie axial passant par ledit axe de la chemise, et lesdites réductions d'épaisseur allant en augmentant desdites extrémités audit plan médian, et ladite chemise est remplie d'un liquide de contre pression. Ce dernier mode de réalisation présente l'avantage d'améliorer encore le couplage du transducteur de l'invention avec le puits de forage dans la mesure où la forme quasi cylindrique de la chemise est très voisine des parois du forage qui a généralement une forme proche d'un cylindre de révolution. 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 l est une vue de côté en coupe d'un premier mode de réalisation d'un transducteur selon l'invention. La figure 2 est une vue de côté en coupe d'une variante du mode de réalisation de la figure l. La figure 3 est une vue de côté en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un transducteur de l'invention. La figure 4a est une section dans le plan P1 du transducteur de la figure 2. La figure 4b est une section dans le plan P1 du transducteur de la figure 2. La figure 1 montre, dans une vue de côté en coupe, un premier mode de réalisation d'un transducteur pour l'émission et/ou la réception d'ondes de flexion dans un forage 200, comprenant un élément élastique 101 de forme substantiellement allongée dans une direction principale D définissant la direction de propagation desdites ondes de flexion parallèlement à l'axe du forage 200. Dans l'exemple de la figure I, ledit élément élastique 101 est une lame pleine symétrique par rapport à un plan médian P1 perpendiculaire à la direction principale D.La lame 101 dispose de moyens de déformation, ici de flambage, dans une direction perpendiculaire à ladite direction principale D, dite direction de flambage, représentée par la flèche située dans le plan médian P1 de la figure 1, ces moyens de flambage étant constitués par une face 201 convexe de ladite lame 101, la section de la lame allant en diminuant des extrémités 111, 112 audit plan médian P 1. Sous l'effet de transducteurs de compression 121, 122 placés aux extrémités 111, 112 de la lame 101, celle-ci subit un flambage dans ladite direction de flambage définie ci-dessus, créant ainsi une surpression à l'avant du flambage et une dépression à l'arrière, et inversement quand la lame élastique 101 revient en position. De cette manière, les formations géologiques affleurant le forage sont soumises, à la fréquence des transducteurs de compression, à un système de déformation équivalent au passage d'une onde de flexion. Comme le montre la figure 1, les transducteurs de compression 121, 122 peuvent être des transducteurs piézoélectriques classiques. Ceci suppose évidemment que l'élément élastique 101 et ces transducteurs seront calés dans un intervalle de longueur constante. Si l'élément élastique est calé sans contrainte en position de courbure non nulle, comme représenté sur la figure 2, des transducteurs magnétostrictifs 131, 132 exerçant une contrainte de traction aux extrémités 111, 112 peuvent être substitués aux transducteurs piézoélectriques. Dans ce cas, la lame 101 subit, non pas un flambage, mais au contraire une déformation correspondant à une réduction de courbure. Toutefois, il faut signaler que des transducteurs piézoélectriques générant des forces de compression normales aux extremités présentent l'avantage de pouvoir être empilés en nombre assez élevé afin de produire des impulsions puissantes. Comme on peut le remarquer sur les figures I et 2, et également sur la figure 3 qui décrit un autre mode de réalisation du transducteur selon l'invention, la longueur de l'élément élastique lOI, 102 de forme substantiellement allongée est supérieure au diamètre du forage 200, ce qui garantit un meilleur couplage avec les parois dudit forage. Enfin, les transducteurs représentés aux figures 1 et 2 étant essentiellement constitués par des lames pleines 101, il ne se pose aucun problème de contrepression. Les figures 3, 4a et 4b montrent un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel l'élément élastique de forme substantiellement allongée est une chemise creuse 102 sensiblement cylindrique d'axe confondu avec la direction principale D, symétrique par rapport à un plan médian P1 perpendiculaire à la direction principale, et présentant une paroi 103. Dans ce deuxième mode de réalisation, lesdits moyens de déformation de l'élément élastique 102 sont constitués par une première zone 104 longitudinale de réduction d'épaisseur de la paroi 103 par augmentation de courbure interne et par une deuxième zone 105 longitudinale de réduction d'épaisseur de la paroi 103 par réduction de courbure externe.Lesdites première 104 et deuxième 105 zones longitudinales de réduction d'épaisseur sont sensiblement diamétralement opposées et symétriques, chacune, par rapport à un plan de symétrie axial P2 passant par l'axe de la chemise 102. De façon à pouvoir induire une déformation de la chemise au niveau du plan médian P1 de ladite chemise, les réductions d'épaisseur r1 et r2 des zones 104 et 105 respectivement vont en augmentant desdites extrémités 111, 112 au plan médian P. Cette variation des réductions d'épaisseur est également visible sur les figures 4a et 4b, la figure 4a étant une coupe de la chemise 102 dans le plan Pi de la figure 3, parallèle au plan médian P1, tandis que la figure 4b est une coupe dans le plan médian P1. Le transducteur de la figure 3 présente une courbure générale nulle et fonctionne donc par flambage sous l'action de compression de transducteurs piézoélectriques 121, 122, comme le transducteur de la figure 1. Bien entendu, il pourrait, à la manière du transducteur de la figure 2, avoir une courbure générale non nulle et être mis en oeuvre par traction à l'aide de transducteurs magnétostrictifs. L'avantage du transducteur de la figure 2 est, du fait de sa symétrie quasi de révolution, proche de celle du forage 200 que le couplage avec les parois de forage est encore amélioré. De façon à compenser la pression des fluides qui remplissent le forage 200, la chemise 102 est remplie d'un liquide de contrepression, une huile par exemple, mis en légère surpression grâce à un piston de compensation réglable, non représenté, situé sur le corps du transducteur. La chemise 102 du transducteur de la figure 3, tout comme la lame 101 des figures 1 et 2, peut être réalisée en acier, ou en un matériau composite approprié. Afin de faciliter la déformation de la chemise 102 sous l'action des transducteurs de contrainte, il est prévu, comme le montrent les figures 4a et 4b, outre les zones longitudinales 104, 105 de réduction d'épaisseur, deux zones 106, 107 longitudinales de surépaisseur intérieure de la paroi 103, symétriques par rapport audit plan de symétrie axial P2, et allant en se rapprochant de ladite première zone 104 longitudinale de réduction d'épaisseur, desdites extrémités 111, 122 au plan médian P1. I1 est bien entendu que, par réciprocité, les transducteurs décrits en regard des figures 1, 2, 3, 4a et 4b peuvent également servir de récepteurs d'ondes de flexion. REVENDICATIONS 1. Transducteur pour l'émission et/ou la réception d'ondes de flexion dans un forage (200), caractérisé en ce que ledit transducteur comprend un élément élastique (101 ; 102) de forme substantiellement allongée dans une direction principale (D) définissant la direction de propagation desdites ondes de flexion, et présentant, d'une part, deux extrémités (111, 112) dont au moins une est munie d'un transducteur de contrainte (121, 122 ; 131, 132), et, d'autre part, des moyens (201 ; 104, 105) de déformation dudit élément élastique sous l'effet de ladite contrainte dans une direction perpendiculaire à ladite direction principale (D). 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément élastique de forme substantiellement allongée est une lame pleine (101) symétrique par rapport à un plan médian (P1) perpendiculaire à la direction principale (D), et en ce que lesdits moyens de déformation dudit élément élastique sont constitués par une face convexe (201) de ladite lame, la section de la lame allant en diminuant desdites extrémités (111, 112) audit plan médian (P1). 3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément élastique de forme substantiellement allongée est une chemise creuse (102) sensiblement cylindrique d'axe confondu avec ladite direction principale (D), symétrique par rapport à un plan médian (P1) perpendiculaire à la direction principale (D), et présentant une paroi (103), et en ce que lesdits moyens de déformation dudit élément élastique sont constitués par une première zone (104) longitudinale de réduction d'épaisseur (rl) de la paroi (103) par augmentation de courbure interne et par une deuxième zone (105) longitudinale de réduction d'épaisseur (r2) de la paroi (103) par diminution de courbure externe, lesdites première et deuxième zones (104, 105) longitudinales de réduction d'épaisseur étant sensiblement diamétralement opposées et symétriques, chacune, par rapport à un même plan de symétrie axial (P2) passant par ledit axe de la chemise (102) et lesdites réductions d'épaisseur (rl, r2) allant en augmentant desdites extrémités (111, 112) audit plan médian (P1), et en ce que ladite chemise (102) est remplie d'un liquide de contrepression. 4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de déformation de la chemise (102) comprennent en outre deux zones (106, 107) longitudinales de surépaisseur intérieure de ladite paroi (103), symétriques par rapport audit plan de symétrie axial (P2), et allant en se rapprochant de ladite première zone (104) longitudinale de réduction d'épaisseur, desdites extrémités (111, 112) audit plan médian (P1). 5. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur de l'élément élastique (101 ; 102) de forme substantiellement allongée est supérieure au diamètre du forage (200).