Brevet FR2678390A1 — publié le 19921231

La présente invention a pour objet une source vibrante perfectionnée, pour engendrer des ondes acoustiques et notamment une source convenant pour une utilisation 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 et 90/16946 on connaît une source vibrante adaptée à fonctionner dans un puits qui comporte un corps aLlongé pouvant être descendu dans un puits à L'extrémité 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 à une fréquence choisie variable 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. Ces moyens electro-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. Le perfectionnement selon l'invention vise essentiellement à accroître le rendement énergétique et L'efficacité de la source vibrante décrite dans les demandes de brevet précitées, ceci par une adaptation permanente du volume des circuits hydrauliques à la fréquence des vibrations émises. La source vibrante selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison un corps allongé pouvant être descendu dans un puits à L'extrémité d'un câble électro-porteur, au moins un organe de couplage déplaçable relativement au corps, par action d'au moins un vérin hydraulique entre une position de retrait et une position d'application contre les parois du puits, un système hydraulique pour délivrer sur commande audit vérin, un fluide à une pression statique d'ancrage au moins égale à la pression statique régnant dans le puits à la profondeur d'utilisation, et des circuits hydrauliques pour relier le système hydraulique avec ledit vérin, une source de signaux acoustiques ou sismiques adaptée à fonctionner dans une plage de fréquence déterminée, des moyens de couplage pour transformer les signaux créés en variations de la pression hydraulique dans lesdits circuits et des moyens d'accord pour adapter en permanence la fréquence de résonance des circuits hydrauliques à la fréquence des signaux produits par la source de signaux. Les moyens d'accord de la source de signaux comportent par exemple un cylindre auxiliaire en communication avec les circuits hydrauliques, un écran mobile déplaçable dans ce cylindre auxiliaire, des moyens moteurs de translation de l'écran dans le cylindre auxiliaire, et des moyens de pilotage pour commander l'émission des signaux par la source et contrôler le déplacement de l'écran en fonction de la fréquence des signaux émis par la source, de manière à maintenir les circuits hydrauliques dans un état de résonance. L'écran mobile est par exemple un piston auxiliaire percé d'un canal fin permettant une égalisation des pressions statiques dans le cylindre auxiliaire de part et d'autre du piston auxiliaire. Les moyens moteurs peuvent être constitués par un moteur électrique, une vis sans fin entraînée par le moteur électrique et un écrou couplé avec L'écran, qui est translaté dans le cylindre auxiliaire par la rotation de la vis. Les moyens de pilotage comportent par exemple un ensemble de commande de la source de signaux et des circuits d'asservissement associés à des moyens de mesure de l'accélération appliquée audit vérin et à des moyens de mesure de La pression régnant dans les circuits hydrauliques. Les moyens de couplage comportent par exemple un deuxième cylindre auxiliaire communiquant avec les circuits hydrauliques, un deuxième piston pouvant coulisser dans le deuxième cylindre auxiliaire, et la source de signaux est un dispositif d'émission électro-mécanique. Le dispositif d'émission peut comporter par exemple un moteur électrique entraînant en rotation une came sur lequel s'appuie en permanence le deuxième piston. Le dispositif d'émission peut comporter encore par exemple un élément mobile et des moyens électromagnétiques pour imprimer à l'élément mobile un mouvement périodique. Les moyens électromagnétiques sont par exemple du type électro-dynamiques. Le dispositif d'émission peut être par exemple un haut-parleur. Avec ses moyens de pilotage commandant le dispositif d'émission et asservissant le volume des circuits hydrauliques en fonction de la fréquence émise, le rendement énergétique de la source selon l'invention est considérablement augmenté et sa puissance acoustique en fonction de la fréquence, est beaucoup plus homogène. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où - la Fig.1 montre schématiquement la source vibrante 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; - les Fig. 3 et 3A montrent schématiquement un mode de réalisation de la source avec un dispositif d'émission électro-mécanique; - la Fig.4 montre schématiquement un mode de réalisation de la source avec un dispositif d'émission du type électro-dynamique; ; et - la Fig.5 montre schématiquement un mode de réaiisation avec un ensemble piézo-électrique pour créer les vibrations. - la Fig. 6 montre schématiquement un mode de réalisation de la source avec un ensemble magnéto-strictif pour créer des vibrations. Si l'on se reporte à la Fig. 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 électro-porteur 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 surface de signaux de mesure engendrés par des appareiLs de mesure. Le corps 1 est associé par exemple à deux ensembles d'ancrage comportant chacun 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 (Fig. 3) une tige 6 solidaire d'un piston 7 adaptée 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 9 est contenu dans un compartiment 10 du corps (Fig. 1). IL comporte 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 un ensemble de commutation hydraulique 16 par l'intermédiaire d'une soupape anti-retour 17. Une soupape tarée 18 disposée sur une canalisation 19 qui réunit les canalisations 14 et 15, permet de limiter la surpression produite par la pompe 11 par rapport à la pression statique du puits et donc la force d'ancrage des patins à une valeur déterminée. Par une canalisation LP connectant en dérivation l'ensemble de commutation hydraulique 16 et le réservoir 12, on peut commander le retrait des vérins d'ancrage 5. L'ensemble de commutation est connecté par des canalisations 20, 21 avec les extrémités opposées de chaque cylindre de vérin 5 de part et d'autre des pistons 7. La paroi terminale 22 de chaque cylindre de vérin 8, du côté 8a du cylindre 8 opposé au piston 7, est pourvue suivant son axe d'une ouverture 33 contre laquelle est appliquée L'extrémité d'un tube 24. L'extrémité opposée du tube 24 communique directement avec L'extérieur du corps. La tige 6 comporte un prolongement 25 de section identique du côté opposé du piston 7 adaptée à coulisser de façon étanche dans le tube 24. Avec cette disposition, l'ensemble mobile 6, 7, 3, 8 de chaque vérin est en équilibre indifférent, étant sousmis 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 maintenu à une pression quelconque indépendante de la profondeur de fonctionnement de la source, égale par exemple à la pression atmosphérique. Le dispositif comporte aussi un système électro-hydraulique pour engendrer des variations périodiques de pression hydraulique et les superposer à la pression statique d'ancrage. Ce système comporte un cylindre auxiliaire 26 solidaire du corps 1 de la source, dont une extrémité est reliée par une canalisation 27 à la chambre 8a de chaque vérin du côté du piston 7 opposé au patin 4. Dans le cylindre auxiliaire coulisse de façon étanche un piston 28 relié à un générateur de vibrations 29. Suivant le mode de réalisation de la Fig.3, le piston est pourvu d'une roulette 30 en appui contre la surface d'une came 31 entraînée en rotation par un moteur électrique Ml. La forme de la came est choisie pour transformer le mouvement de rotation du moteur en mouvements alternatifs communiqués au piston 28. Les variations de pression du fluide hydraulique provoquées par les mouvements alternatifs du piston 28, sont transmises au piston de chaque vérin et donc aux patins 4 couplés avec les formations environnant le puits. On peut augmenter à volonté la fréquence d'oscillation en utilisant un plateau 31 pourvu de plusieurs cames sur lesquelles passent à chaque tour successivement la roulette 30. Le système électro-hydraulique comporte des moyens d'accord pour adapter en permanence la fréquence de résonance des circuits hydrauliques à la fréquence des signaux produits. Ces moyens d'accord comportent un cylindre d'accord 32 communiquant à une première extrémité avec ta canalisation 27 et fermé à son extrémité opposée. Dans le cylindre d'accord 32 peut coulisser un piston formant écran 33. Un canal très fin ou capillaire 34 traverse le piston 33. Il fait communiquer les deux parties du cylindre de part et d'autre et permet une égalisation constante des pressions statiques du fluide hydrauliques quelle que soit la position du piston 33. Celui-ci est fixé par des entretoises 35 avec un écrou 36 dans lequel vient se visser une tige filetée 37 entraînée en rotation par un deuxième moteur électrique M2. La rotation du moteur M2 dans un sens où dans le sens opposé a pour effet d'allonger où de raccourcir la longueur du cylindre d'accord. La source comporte encore un ensemble de pilotage 38 qui est connecté à un ensemble de commande en surface (non représenté) par des liaisons conductrices 39 et des lignes du câble électro-porteur 3. L'ensemble de pilotage reçoit des signaux de contrôle d'un capteur de pression CP qui mesure en permanence la pression dans les circuits hydrauliques, ainsi que d'un accéLéromètre A fixé à la tige de chaque vérin. Selon les consignes qui lui sont transmises par un opérateur en surface et des va leurs instantanées des signaux fournis par le capteur CP et l'accéléromètre, l'ensemble de pilotage a pour fonction - d'appliquer à l'ensemble de commutation 16 les signaux EV nécessaires pour commander l'application de la pression hydraulique aux vérins et déplacer les patins 4 vers leur position de couplage contre la paroi du puits, ou au contraire vers leur position de retrait permettant le déplacement de la source le long du puits; ; - d'adapter en permanence le courant électrique appliqué au moteur M1 pour adapter sa vitesse de rotation et obtenir une fréquence de vibration déterminée au sein du liquide hydraulique des circuits; et - d'ajuster en permanence la longueur du cylindre d'accord pour maintenir les circuits hydrauliques dans un état de résonance quelle que soit la fréquence d'émission choisie. Par cette adaptation constante à la fréquence émise, on obtient une amplification des ondes acoustiques transmises aux parois du puits et aussi une meilleure linéarité de la puissance acoustique transmise. Le système suivant le mode de réalisation de la Fig.4 électro-hydraulique pour engendrer les vibrations peut encore être du type électromagnétique. On peut utiliser par exemple des moyens électrodynamiques avec des bobinages disposés autour du piston 28 et parcourus par un signal excitateur fourni par l'ensemble de pilotage. Suivant le mode de réalisation de la Fig.4, ces moyens électrodynamiques comportent par exemple un haut-parleur 40. La tige 28 est fixée à un dôme rigide 41. A la périphérie de ce dôme 41, est fixée l'extrémité d'un bobinage 42 dont l'axe est sensiblement parallèle à celui du cylindre auxiliaire 26. Le bobinage 42 est placé dans l'entrefer d'un circuit magnétique 43 fixé à un châssis rigide 44 lui-même solidaire du corps 1 de la source. L'ensemble du dôme 41 et du bobinage 42 est fixé à une membrane annulaire 45 reliée à sa périphérie au châssis rigide 44. Un ressort 46 est fixé entre le fond du cylindre auxiliaire 26 et le dôme 41. En position de repos, il exerce une traction sur le dôme 41. Quand la pression d'ancrage est établie, le dôme recule jusqu'à une position neutre (Fig. 4). Suivant le mode de réalisation de la Fig. 5, les moyens électro-dynamiques peuvent encore être remplacés par des moyens piézo-électriques. Le piston 28 est relié à un empilement 46 sur une paroi solidaire du corps 1 de la source, de pastilles piézo-électriques 47 couplées mécaniquement en série et interconnectées électriquement en parallèle à un transformateur électrique élévateur de tension 48, lequel est alimenté depuis l'ensemble de pilotage 38. Le nombre de pastilles 47 est choisi en fonction du déplacement mécanique global à appliquer au piston 28. Suivant le mode de réalisation de la Fig. 6, les moyens moteurs permettant de communiquer au piston 28 un mouvement oscillant sont du type magnéto-strictif et comportent un générateur de courant 49 alimentant un bobinage enroulé autour d'un noyau magnéto-strictif 51 lequel est relié mécaniquement au piston 28. REVENDICATIONS 1) Source vibrante pour engendrer des ondes acoustiques ou sismiques dans un puits ou forage, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison un corps allongé (1) pouvant être descendu dans un puits (2) à L'extrémité d'un câble électro-porteur (3), au moins un organe 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 (7) et une tige rigide (6) reliant le piston à L'organe d'ancrage pour déplacer celui-ci entre une position de retrait et une position d'application contre les parois du puits, un système hydraulique comportant des moyens de pression (11) pour délivrer sur commande audit vérin, un fluide à une pression statique d'ancrage en équi-pression avec la pression statique régnant dans le puits à la profondeur d'utilisation, et des circuits hydrauliques de liaison avec ledit vérin, une source de signaux acoustiques ou sismiques adaptée à fonctionner dans une plage de fréquence déterminée, des moyens de couplage pour transformer les signaux créés en variations de la pression hydraulique dans lesdits circuits et des moyens d'accord pour adapter en permanence la fréquence de résonance des circuits hydrauliques à la fréquence des signaux produits par la source de signaux. 2) Source vibrante selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'accord comportent un cylindre auxiliaire (32) en communication avec les circuits hydrauliques (20, 27), un écran mobile déplaçable (33) dans ce cylindre auxiliaire, des moyens moteurs (M1, 35-37) de translation de l'écran dans le cylindre auxiliaire, et des moyens de pilotage pour actionner chaque vérin, commander l'émission des signaux par la source et contrôler le déplacement de l'écran en fonction de la fréquence des signaux émis par la source, de manière à maintenir les circuits hydrauliques dans un état de résonance. 3) Source vibrante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'écran mobile (33) est un piston auxilaire percé d'un canal fin (34) permettant une égalisation des pressions statiques dans le cylindre auxiliaire de part et d'autre du piston auxiliaire. 4) Source vibrante selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens moteurs sont constitués par un moteur électrique (M1), une vis sans fin (37) entraînée par Le moteur électrique et un écrou (36) couplé avec L'écran (33), qui est translaté dans le cylindre auxiliaire (32) par la rotation de la vis. 5) Source vibrante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ensemble de pilotage (38) comporte des circuits d'asservissement associés à des moyens (A) de mesure de l'accélération appliquée audit vérin et à des moyens (CP) de mesure de la pression régnant dans les circuits hydrauliques. 6) Source vibrante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de couplage comportent par exemple un deuxième cylindre (26) communiquant avec les circuits hydrauliques (27), un deuxième piston (28) pouvant coulisser dans ledit deuxième cylindre et La source de signaux est un dispositif d'émission électro-mécanique (29). 7) Source vibrante selon la revendication précédente, caractérisée en ce le dispositif d'émission comporte un moteur électrique (M1), une came (31) entraînée en rotation par le moteur en permanence, le deuxième piston (28) étant en appui permanent contre ladite came. 8) Source vibrante selon la revendication 6, caractérisée en ce Le dispositif d'émission comporte un élément mobile (41) et des moyens électromagnétiques (42) pour imprimer à l'élément mobile un mouvement périodique. 9) Source vibrante selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens électromagnétiques (42) sont du type électro-dynamique. 10) Source vibrante selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif d'émission comporte un haut-parleur. 11) Source vibrante selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif d'émission comporte des moyens piézo-électriques (46) pour engendrer des vibrations.