Brevet FR2677134A1 — publié le 19921204

La présente invention concerne un dispositif ainsi qu'un procédé de transmission de données analogi- ques et numériques, des éléments mécaniques d'engins d'excavation et de dispositifs de transport servant dans ce procédé de voie de transmission Ce procédé peut être utilisé pour la transmission de n'importe quelle grandeur mesurée; c'est ainsi qu'au moyen de capteurs appropriés de valeurs mesurées, il est possible d'établir des grandeurs physiques différentes telles que la pression, la température ou différents angles d'inclinaison du trou foré, à l'endroit concerné du trou de forage De préfé- rence, les capteurs et les dispositifs électroniques correspondants sont logés aussi près que possible de la tête de forage ou directement sur celle-ci, dans un bottier blindé, protégé contre les chocs et étanche à la pression Dans ce cas, des liquides électriquement conducteurs servent de voies de transmission, le circuit électrique traversant le liquide conducteur étant fermé par la terre Ces liquides sont, soit des liquides de lavage conducteurs, soit le liquide de transport conduc- teur, soit encore des suspensions auxiliaires. Etant donné que pour réaliser des trous de forage, on utilise essentiellement des têtes de forage avec tiges correspondantes, la proposition suivant l'invention a pour but de donner une possibilité de transmettre les données mesurées, enregistrées à la tête de forage, à la surface de la terre, en faisant interve- nir les tiges existantes Il est naturellement possible aussi de transmettre les données de la surface de la terre à la tête de forage, la voie de transmission devant à cet effet être conçue dans le sens contraire. Suivant l'invention, le courant est introduit dans la colonne de liquide conducteur, soit de manière inductive par une bobine torique que traverse la colonne de liquide, soit il est envoyé par un ensemble d'élec- trodes appropriées On utilise de préférence, à cet effet, la tête de forage et une partie des tiges de forage, ces éléments pouvant être utilisés comme électro- des, sans modification Il est particulièrement avanta- geux dans ce procédé qu'une transmission des signaux soit possible, y compris dans le cas o les tubes, les tuyaux ou autres tiges ne sont pas conducteurs. Avec un agencement approprié, il est possible de réaliser aussi une voie de transmission bidirectionnelle qui permet la communication des données entre la tête de forage et les engins se trouvant en surface Ce procédé autorise donc des opérations d'excavation et de forage assistées par ordinateur, sans l'installation de lignes de liaison électriques. Si la transmission des données doit se faire sur de grandes distances, on monte avantageusement l'une derrière l'autre plusieurs voies de transmission inducti- ves, le signal étant reçu dans chaque voie partielle par une bobine de réception, transporté dans une autre position en fréquence puis envoyé; amplifié, dans une bobine d'émission La bobine d'émission et de réception d'une voie partielle dont les enroulements entourent un corps en matière plastique est protégée par un boîtier plastique stable Les bobines sont disposées de manière a 4 entourer aussi étroitement que possible la tige de forage ferromagnétique, afin de minimaliser les pertes dues au flux de dispersion. La transmission du signal entre les bobines se fait à travers le flux magnétique, dans les tiges La largeur de bande de la transmission des signaux est fortement limitée toutefois par les courants de Foucault qui se forment lors de la magnétisation alternative de la substance ferromagnétique conductrice Mais, par des procédés informatiques appropriés, par exemple par corrélation il est possible de transmettre une quantité importante d'informations. L'alimentation en courant d'une voie partielle s'effectue de manière optimale à l'aide d'accumulateurs qui sont logés à l'intérieur des tiges de forage, avec les organes électroniques correspondants, dans un boîtier approprié. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'in- vention sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexés. La fig 1 représente de manière schématique la constitution d'une tête de forage avec les tiges de forage. La fig 2 est un diagramme fonctionnel. La fig 3 représente la constitution du procédé de transmission avec alimentation inductive. La fig 4 représente la constitution du procédé de transmission avec alimentation au moyen d'électrodes. La fig 5 représente une variante possible de la transmission des signaux. La fig 6 représente le schéma électrique de remplacement. La fig 7 la constitution d'une voie de trans- mission. Dans les tiges 1, les organes électroniques et les accumulateurs sont logés dans un boîtier 3 blindé, étanche à la pression Les tiges ferromagnétiques 1 sont entourées par une bobine de réception 2 et une bobine d'émission 4 Les tiges peuvent être équipées ultérieure- ment avec les bobines, celles-ci devant être protégées par un boîtier approprié, ou étant rigidement scellées, au moyen d'une masse appropriée, dans un boîtier non ferromagnétique pour former un ensemble avec les tiges. La fig 1 représente trois voies de transmission partielles, le dispositif de réception étant remplacé dans la première voie partielle par les dispositifs de mesure électronique Après la dernière voie partielle, le signal peut être prélevé sur la bobine 5 La bobine de réception 5 est placée sur la tour de forage, cette bobine ne devant pas nécessairement être reliée rigide- ment aux tiges de forage Enfin, les signaux reçus dans la bobine 5 sont envoyés au dispositif fixe de traite- ment 6. Si des données doivent être transmises, par un procédé de transmission, de la surface de la terre à la tête de forage, les données sont introduites par l'ap- pareil émetteur 7 dans la bobine d'émission 8 et trans- portées par les tiges vers la tête de forage L'élément de réception, non utilisé auparavant, avec la bobine de réception 2 sur la tête de forage, achemine les données, après décodage éventuel, vers les dispositifs électroni- ques correspondants, placés dans la tête de forage Il est ainsi possible de réaliser un procédé de transmission bidirectionnel, le flux des données s'effectuant depuis le fond du trou de forage vers la surface de la terre et dans le sens inverse, opportunément selon un procédé de transmission par passage de témoin Si l'on dispose d'une bande de fréquences de transmission suffisamment large, les signaux d'émission et de réception peuvent aussi être transmis simultanément, à condition que l'écart de fréquence central soit tout aussi grand. Les dispositifs électroniques d'une voie par- tielle peuvent être décrits par le schéma fonctionnel représenté à la figure 2 Celle-ci représente le bloc de saisie des données 100 à partir duquel les données d'un calculateur 101 ou les grandeurs mesurées des capteurs 102 sont envoyées, par un convertisseur U/f 103, à la bobine d'émission 205, par l'intermédiaire de l'étage final 204 Le bloc 100 se trouve au début ou à la fin d'une voie de transmission complète Dans la cha 5 ne de répétition 200, les signaux sont reçus par la bobine de réception 201, limités en bande au moyen de la régénéra- tion des signaux 202 et amplifiés de façon intermé- diaire; à l'aide de la transposition de fréquence 203, le signal est amené dans une autre position en fréquence, afin d'éviter des couplages gênants Enfin le signal est introduit dans la bobine d'émission 205, par l'étage final 204 Le contrôleur à passage de témoin 206 émet des signaux de commande appropriés afin de commander la séquence dans le temps de la communication des données, en cas de flux bidirectionnel des données. La transmission des signaux peut se faire de manière particulièrement efficace si les tiges présentent une liaison électriquement conductrice continue ou si la liaison n'est interrompue que sur de très courtes distan- ces, par exemple au droit d'assemblages vissés isolés et étanches La figure 7 représente de manière schématique la constitution d'une telle voie de transmission: A la distance 1 u de la pointe de la tête de forage, un signal de tension alternative est envoyé dans les tiges 502, au moyen du transformateur 501 Il en résulte un flux de courant Iu qui est réduit par les courants de fuite Ia dans le fluide conducteur (terre, liquide ou similaire), de sorte qu'à la surface il est possible de détecter, au moyen du transformateur 503, le courant I qui, par l'engin d'excavation mis à la terre (par exemple la tour de forage), passe en direction de la partie de tige restant sous le transformateur 501, de longueur 1 u. La fig 6 représente le schéma électrique de remplacement: la résistance de terre R de la partie de u tiges de longueur 1 u et de diamètre d est environ sa 22 i v' ça représentant la résistance spécifique du fluide environnant La résistance des tiges par unité de lon- gueur est R' 4 e ii représentant la résistance spécifique du matériau des tiges Le courant de fuite à travers le fluide environ- nant est déterminé par le coefficient de conductibilité par unité de longueur G Kk L Oa k représentant un facteur de proportionnalité sans dimension, tenant compte des conditions géométriques (k 0 1 10) En fait, le coefficient de conductibi- lité G' dépendra aussi du lieu de la fuite; il en résulte des conditions de champ très compliquées qui, pour simplifier l'évaluation, doivent être négligées. L'impédance caractéristique Zw de la ligne est donnée par Zw G, si l'on néglige la capacité et l'inductance. Pour le courant passant au point d'alimentation, on a, suivant la tension de sortie U du transformateur ( 501) U U =Zw + Ru La tension U O à l'extrémité supérieure de la ligne à la distance i du point d'alimentation se calcule, à partir de la tension s'appliquant au-dessous Uu = Iv * Zu selon la théorie de conduction, de la façon suivante: Uo = Uu exp(-alo) avec la constante d'amortissement a = È. ce qui fait qu'avec la résistance de terre Ro supérieure de la tour de forage ou de dispositifs mécaniques et similaires qui sont en contact étroit avec la terre, comme ici la prise de terre sphérique, citée à titre d'exemple, de rayon r, on obtient le courant IO de la façon suivante U O o R O Q o = e 2 rr A partir des relations indiquées ci- dessus, on calcule donc le courant Io, pouvant être détecté en haut, en fonction de la conductibilité C du fluide environnant U 2 rr r_a( 2 Io 0 = ( 1 Qa 4 exp -_ d _ Ra V ga + 4 J d Va Cette fonction est intéressante en ce qu'elle présente au moins un maximum pour io Dans le cas d'une conductibilité extrêmement mauvaise comme dans le cas d'une conductibilité particulièrement bonne, le courant Io disparaît En négligeant le terme 4 Q par rapport aux termes 1 et r, le courant I devient maximal pour Un bref exemple chiffré soulignera la possibilité de réaliser techniquement ce principe: avec les valeurs lu = 10 m, d = 0,1, ea 2 m (eau salée), i = 2 10 74 rm (acier), k = 10, U = 10 V, r = 10 m et 10 = 1000 m, on obtient I 4 = 70 p A. Or la résistance spécifique optimale du fluide est dans ce cas f looo 1000 nflm, Comme c'est le cas pour la terre ordinaire Le courant maximal de réception est alors 3 o 120 A. Ces courants peuvent, dans tous les cas, être détectés avec certitude au moyen d'un transformateur à noyau toroidal, hautement perméable, d'autant qu'une amplification limitée en bande peut garantir un rapport signal-bruit suffisant. Ce procédé de transmission convient non seulement aux transferts de données dans le cas d'excavations dans la terre, mais aussi par exemple à des applications nautiques, o il existe au moins une liaison conductrice du navire à un engin se trouvant au fond de la mer et o le retour du courant se fait par l'eau salée. Si l'on transporte des liquides conducteurs, par exemple un liquide conducteur de transport ou des liqui- des auxiliaires, au moyen de dispositifs de transport à travers des trous forés, cette colonne de liquide peut être utilisée en remplacement de conducteurs métalliques pour le transport des données, dans un procédé inductif de transmission: suivant l'invention, le tuyau non métallique, rempli dans ce cas d'un liquide électrique- ment conducteur, est entouré au début et à la fin de la voie de transmission de bobines toroldales, le circuit électrique à travers le liquide conducteur est enfermé par la terre. La fig 3 représente de manière schématique la constitution de ce procédé de transmission: le signal est introduit par l'émetteur 300 dans la bobine de transmission 301, ce qui produit un flux de courant dans la colonne de liquide 302 Ce courant peut être détecté avec la bobine de réception 303, à condition que le circuit électrique entre la colonne de liquide soit fermé par la terre 304 Dans ce cas, il faut maintenir la résistance de terre aussi faible que possible, afin de ne pas réduire le flux de courant entre les points de mise à la terre, du fait de la chute de tension La mise à la terre est opportunément assurée par des perches 305 ou des prises de terre semi- sphériques 306, celles-ci étant reliées au liquide, par une électrode auxiliaire 307. Mais, si le liquide est déjà relié avec certitude au potentiel de terre, par un engin de travail, ces prises de terre peuvent aussi être supprimées. Si en raison des conditions techniques, il n'est pas possible d'envoyer les signaux dans le noyau torique d'émission, ils peuvent être acheminés vers deux électro- des, dont une garantit un contact intime avec la terre, tandis que la seconde électrode permet le passage vers le liquide électriquement conducteur La fig 4 présente la constitution de la variante du procédé de transmis- sion: le contact avec la terre peut être assuré par le bottier métallique mis à la terre de l'appareil émetteur 401, qui de son côté est en contact intime avec la terre 405 environnante On pourrait imaginer aussi dans le cas d'un fonctionnement fixe de l'appareil émetteur, une mise à la terre par l'intermédiaire d'un câble 402, au moyen d'une perche de terre 403 Les engins de forage pour- raient permettre le contact intime voulu avec la terre, par la tête de forage, à condition que la partie exté- rieure métallique de la tête de forage ou d'autres dispositifs mécaniques soient reliés avec les organes électroniques, par un collier de mise à la terre ou une bande de mise à la terre. La seconde électrode 404 permettra avantageu- sement le contact avec le liquide conducteur, par sa grande surface L'électrode 404 peut être reliée de manière rigide ou mobile avec l'appareil de base 401, par des câbles, une bonne isolation électrique par rapport à la terre 405 ou par rapport à l'appareil de base 401 devant toutefois être assurée par un montage approprié de l'électrode 404 Enfin, le signal est prélevé en un point approprié, au moyen de la bobine toroldale 406 et envoyé à l'appareil de traitement 407 Etant donné que, dans ce procédé, également le transport des données est rendu possible par le flux de courant à travers la boucle formée par le liquide conducteur et la terre, la résis- tance de terre des prises de terre éventuellement utili- sées ou des perches de terre 408 doit être aussi faible que possible. La fig 5 représente une variante possible de l'introduction des signaux, la tête de forage 501 il permettant le passage du courant vers la terre 507 et constituant donc la prise de terre côté trou de forage A partir de l'appareil émetteur 510, le potentiel de référence des dispositifs électroniques est envoyé par un câble ou par une bande de mise à la terre 502, au moyen d'un collier de mise à la terre 509, à la tête de forage métallique Une autre liaison par câble 503 avec le collier de mise à la terre 509 vers la partie de tige 504 électriquement séparée de la tête de forage permet d'utiliser cette partie de tige comme électrode qui autorise le contact avec le liquide conducteur 506 (Dans la pratique, la plupart des brides de tiges de forage qui assurent la liaison entre la tête de forage 501 et la partie de tige 504, ne présentent pas de passages conduc- teurs). Les procédés de transmission décrits ici sont utilisés de préférence dans le domaine pétrolier, à terre et off-shore, mais ne se limitent aucunement à ce domaine d'application Les procédés de transmission mentionnés peuvent être utilisés dans tous les domaines industriels dans lesquels un seul conducteur, entouré par du liquide conducteur, doit être utilisé pour la transmission, ou encore lorsque des liquides conducteurs servent à la transmission des données S'il n'existe aucune liaison conductrice, les propriétés ferromagnétiques d'éventuel- les tiges peuvent permettre la transmission des données par le flux magnétique. REVENDICATIONS 1 Procédé de transmission de données pour engins d'excavation et de forage du sol ainsi que pour des dispositifs de transport dans des trous de forage, des liquides conducteurs étant utilisés comme fluides de transmission, caractérisé en ce qu'au moyen d'un tore d'émission, qui entoure un tuyau dans lequel se trouve la colonne de liquide conducteur, on produit un courant d'émission dans le liquide conducteur lequel courant peut être détecté en un point approprié au moyen d'une bobine toroldale de réception qui entoure aussi le tuyau, le circuit électrique étant fermé dans la mesure o il n'est pas lui-même fermé par le liquide par mise à la terre côté émission et côté réception de la colonne de liquide. 2 Procédé de transmission de données pour engins d'excavation et de forage du sol et dispositifs de transport dans les trous de forage, dans lequel des liquides conducteurs sont en partie utilisés comme fluides de transmission, caractérisé en ce que des signaux sont envoyés entre la terre et le liquide conduc- teur, au moyen d'électrodes appropriées, le circuit électrique étant formé par le liquide conducteur et par la terre et le flux de courant étant détecté au moyen d'une bobine toroldale qui entoure le tuyau rempli du liquide conducteur. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une électrode de l'appareil émetteur est reliée à la terre et la seconde électrode, de grande surface, permet le passage du courant électrique vers le liquide conducteur, la seconde électrode étant de préférence isolée de la première et de la terre. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alimentation des électrodes s'effectue par la tête de forage et la partie de tige, séparées électrique- ment de la tête de forage, au-dessus de celle-ci, une électrode étant reliée par câble et collier à la tête de forage métallique et celle-ci représentant donc la prise de terre, tandis que la seconde électrode est reliée par câble et collier à la partie de tige électriquement isolée de la tête de forage, ceci permettant d'envoyer le courant dans le liquide. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la mise à la terre de l'appareil émetteur s'effectue au moyen d'un câble de mise à la terre et d'une perche de mise à la terre. 6 Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la mise à la terre s'effectue à travers l'engin de forage qui, de son côté, est en contact intime avec la terre. 7 Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la mise à la terre s'effectue au moyen d'un dispositif mécanique, placé sur l'engin de forage ou l'engin de pompage, celui-ci permettant un contact intime avec la terre. 8 Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la mise à la terre s'effectue au moyen d'une électrode de référence de grande surface, placée sur le bord du réservoir, dans la mesure o le liquide est conservé dans un réservoir. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que des signaux sont envoyés, par la bobine toroldale, dans le liquide et transportés jusqu'à l'appareil se trouvant dans le liquide, ce qui fait que la transmission des données dans le sens inverse, est rendue possible. 10 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que le transfert des données peut s'effectuer successivement dans les deux sens, une commande électronique appropriée permettant le déroulement dans le temps, de l'échange de données. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8 dans lequel le transfert des données peut s'effectuer dans les deux sens, caractérisé en ce que le flux de données s'effectue simultanément dans les deux sens, l'influence perturbatrice des couplages et des battements étant évitée par sélection d'au moins quatre bandes de fréquences différentes.