Brevet FR2675974A1 — publié le 19921030

- La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour optimiser le débit d'informations transitant par un câble multi- fonctions tel par exemple que ceux qui relient un outi L de puits à une installation de surface. Lorsque l'on désire effectuer des mesures et/ou interventions dans des puits, on utilise généralement des outils que l'on descend au bout d'un câble multi-fonctions tel qu'un câble dit de logging qui est capable de supporter des efforts de traction et comporte plusieurs lignes permettant la transmission d'énergie électrique vers les outi Ls de fond et des échanges de signaux de commande et de mesure entre lui et une installation de surface. Les outi Ls de fond sont constitués par exemple d'une ou plusieurs sondes qui peuvent être bloquées dans le puits par ouverture de bras d'ancrage sous l'action de vérins hydrauliques L'énergie hydraulique est fournie par un générateur hydraulique de fond alimenté électriquement depuis une source en surface par des lignes d'alimentation incluses dans le câble Par ces lignes également, on relie la source électrique en surface à des moteurs électriques ou des moyens électromagnétiques disposés dans les outils D'autres lignes du câble servent à la transmission vers les outils de signaux de commande et en retour, à la transmission de signaux de mesure à un dispositif d'enregistrement en surface. Différentes sondes de puits sont décrites dans les brevets francais FR 2 501 380, 2 548 727, 2 613 496 ou 2 616 230. IL existe de nombreuses applications o le nombre de capteurs de mesure contenus dans un équipement de puits est important. C'est le cas notamment dans le domaine de la prospection sismique de 2 puits o l'on emploie un ensemble de capteurs tels que des géophones qui peuvent être répartis dans une sonde principale et éventuellement dans une ou plusieurs sondes satellites à des niveaux de profondeur différents Les signaux captés doivent être transmis à un appareil d'enregistrement en surface Le nombre de capteurs et la fréquence des signaux reçus justifient généralement leur transmission sous forme numérisée et codée avec un débit de transmission important. En général, la bande passante des lignes de transmission incluses dans le câble, est relativement faible Quand le débit de données à transmettre devient suffisamment grand, les performances limitées des lignes constituent un frein ce qui oblige à prévoir des mémoires- tampons importantes dans les systèmes électroniques des outils. Le câble multi-fonctions le plus couramment employé pour les application pétrolières par exemple, comporte une ligne centrale, une pluralité de lignes disposées en couronne et une gaine métallique extérieure. Par le brevet FR 2 613 159, on connait un procédé pour améliorer le débit de données pouvant transister par un tel câble, ce procédé comportant essentiellement la transmission entre la ligne centrale et la gaine extérieure, de données codées suivant un code bipolaire tel que le code HDB 3 bien connu des spécialistes Avec un tel agencement, on arrive à atteindre facilement des débits de plus de kilobits/seconde (kb/s) sur des distances de plusieurs kilomètres, voire même de plus de 200 kb/s en optimisant les facteurs de transmission. L'évolution actuelle des équipements de mesure dans les puits rend de plus en plus nécessaire d'augmenter encore les débits de transmission pour faire face à l'accroissement du flot des données à transmettre vers les installations de surface. Une solution classique employée dans le domaine des télécommunications consisterait à employer des câbles avec une bande passante plus large Ce n'est pas possible pour les transmissions dans - 3 - les puits o on doit utiliser le câble standard généralement disponible sur les sites. Le procédé selon l'invention permet de s'affranchir des limitations imposées par les câbles multi-fonctions existants (câbles de logging) et d'optimiser les débits de transmission des signaux sur des lignes de transmission incluses dans lesdits câbles pour obtenir les débits élevés nécessaires à la transmission des volumes de données recueillis par les capteurs dans les équipements de puits les plus récents, sans modification du taux d'erreur de transmission admissible. Il est caractérisé en ce qu'il comporte: le codage des données numérisées à transmettre par des tensions électriques choisies parmi un ensemble de tensions de codage comportant au moins deux tensions de niveaux constants bien définis et l'élargissement vers les hautes fréquences de la bande passante de chaque ligne de transmission utilisée par combinaison avec des circuits de correction choisis pour que la fonction de transfert de la ligne corrigée soit sensiblement celle d'un filtre du type Bessel, dans un intervalle de fréquence de part et d'autre de la fréquence de coupure à trois décibels (fc) de la ligne corrigée, la fréquence de la borne supérieure dudit intervalle étant proportionnelle à cette fréquence de coupure, le coefficient de proportionnalité (k 1) étant supérieur à 2 et ladite fréquence de coupure fc de la ligne corrigée étant choisie en fonction du nombre de tensions de codage dudit ensemble et du taux d'erreur admissible. On choisit par exemple des circuits de correction tels que la fonction de transfert de chaque ligne corrigée, corresponde sensiblement à celle d'un filtre de Bessel au moins dans un intervalle de fréquence (k 2 fc et k 1 fc) o fc et ladite fréquence de coupure fc, et k 1 est un facteur multiplicatif au moins égal à 2,5 et k 2 est un facteur multiplicatif de l'ordre de 0,2. Suivant un mode de réalisation, on sélectionne des circuits de transmission adaptés à appliquer aux signaux dans ledit intervalle -4 - de fréquence un gain au p Lus éga L à une valeur Limite diminuant corrélativement avec une augmentation du nombre choisi de tensions de codage, pour un taux d'erreurs fixé et dépendant du niveau de bruit ramené par Lesdits circuits de correction associés à chaque ligne de transmission, et L'on sélectionne ladite fréquence de coupure (fc) dont dépend La fréquence de transmission maximale, pour Le relèvement d'amplitude à appliquer aux signaux transmis sur chaque Ligne de transmission, soit au plus égal à Ladite valeur Limite (G). Suivant un exemple de réalisation préféré, on augmente le débit de transmission en codant les signaux à transmettre au moyen d'un ensemble de tensions de codage comportant au moins huit tensions de codage. On peut augmenter encore plus le débit de transmission en choisissant avantageusement un ensemble de tensions de codage comportant seize tensions de codage. Par ce codage à tensions multiples, cette adjonction de circuits de filtrage particuliers et cet élargissement contrôlé de la bande passante, on peut arriver à augmenter d'un facteur 3 ou 4 le débit possible de transmission des câbles multi-fonctions les plus courants, et ceci sans augmentation du taux d'erreur de transmission. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'il comporte par exemple un ensemble de codage adapté à coder des signaux numérisés à transmettre avec un nombre choisi de tensions de codage et à les appliquer sur une Ligne de transmission, et des circuits de fi Ltrage adaptés pour que La Ligne combinée avec Lesdits circuits de filtrage, ait une fonction de transfert semblable à ce L Le d'un filtre de Bessel de fréquence de coupure fc choisie en fonction du nombre de tensions de codage utilisé, de la fonction de transfert de la ligne de transmission seule et des caractéristiques de bruit desdits circuits de filtrage, dans un intervalle de fréquence s'étendant de part et d'autre de ladite fréquence de coupure fc. D'autres caractéristiques et avantages du procédé 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 o: la Fig 1 montre une sonde descendue dans un puits, suspendue à un câble éLectro-porteur du type câble de logging par exemple; la Fig 2 montre schématiquement en coupe la disposition des conducteurs courant le long d'un un câble électro-porteur d'un type courant; les Fig 3 à 6 montrent schématiquement différents modes de combinaisons des conducteurs d'un câble permettant de constituer une ou plusieurs lignes de transmission; la Fig 7 montre la variation avec la fréquence, de la fonction de transfert d'une ligne de transmission incluse dans un câble multi-fonctions tel qu'un câble de logging d'un type courant d'une longueur de plusieurs kilomètres; les Fig 8 et 9 montrent deux dispositions relatives de la fonction de transfert d'une ligne de transmission par rapport à celle du filtre de Bessel équivalent à la même ligne corrigée, respectivement dans le cas d'un codage à deux tensions ou bipolaire et dans le cas d'un codage à 8 tensions, les dispositions relatives étant, dans les deux cas, choisies pour obtenir un débit maximal sans augmenter le taux d'erreur de transmission; la Fig 10 montre un exemple de courbe de réponse d'un circuit correcteur associé à une ligne de transmission du câble multi-fonctions, mettant en évidence le gain et la bande de bruit centrée sur le gain maximal et large de quelques 200 k Hz. la Fig 11 montre un ensemble de tensions de codage à deux tensions de codage symétriques; la Fig 12 montre un ensemble de tensions de codage à huit tensions positives ou négatives; et la Fig 13 montre schématiquement un exemple de système de transmission pour appliquer des signaux codés suivant un code multi-niveaux entre deux conducteurs d'un câble électro-porteur; Le procédé selon l'invention permet la transmission de signaux échangés entre un système de commande et d'enregistrement CE et un ensemble de réception de signaux contenu dans au moins une sonde 6 - 1 (Fig 1) qui est par exemple du type décrit dans les brevets français précités Cette sonde est suspendue par un câble éLectro-porteur 2 à une structure de support 3 disposée en surface et s'enroule sur le touret de stockage 4 d'un camion laboratoire 5 Le câble 2 utilisé est celui qui sert généralement pour descendre les sondes de puits Il comporte par exemple (Fig 2) sept conducteurs C 1 et C 7 Les six conducteurs C 1 à C 6 sont disposées régulièrement dans la section du câble à une même distance du centre o passe un conducteur central C 7 A la périphérie, le câble comporte uhe gaine métallique T constituée généralement d'une tresse Les sept conducteurs C 1 à C 7 du câble 1 enroulé sur le touret de stockage 4 (Fig 1), sont connectées par un câble de transmission 6 au système de commande et d'enregistrement CE disposé dans le camion laboratoire 5. Les données à transmettre sont appliquées à une ligne de transmission L obtenue en combinant des conducteurs du câble Suivant le mode de combinaison de la Fig 3, cette ligne est obtenue en interconnectant C 2 et C 5 d'une part et C 3 et C 6 d'autre part On peut aussi appliquer les signaux entre le conducteur central C 7 et la tresse T ou bien encore entre deux conducteurs tels que C 1 et C 4 par exemple (Fig 6). La ligne peut encore être constituée (Fig 5) par des interconnexions triangulaires des conducteurs, C 1, C 3 et C 5 d'une part et C 2, C 4 et C 6 d'autre part. Une telle sonde éventuellement complétée par une ou plusieurs sondes satellites en chapelet, est descendue dans des puits souvent à des profondeurs de plusieurs kilomètres (entre 3 et 7 km voire plus). La fonction de transfert représentée à titre d'exemple sur la Fig 7, est celle d'un câble de logging de plusieurs Km d'un type courant Elle présente une atténuation proche de 30 d B vers 100 K Hz et supérieure à 50 d B vers 200 K Hz Il en résulte que le débit de transmission sur une distance de plusieurs kilomètres ne peut dépasser quelques centaines de Kilobits/sec (généralement 100 à 200 Kb/s) quand on utilise un mode de codage bipolaire tel que le code HDB 3 bien connu 7 - des spécialistes Suivant ce mode de codage, on utilise deux tensions d'amp Litude symétriques, l'une positive de +V Volt, l'autre négative de -V Volt (Fig 10). L'optimisation permise par Le procédé selon L'invention, comporte tout d'abord L'adoption d'un mode de codage multi-niveaux On choisit par exemple un ensemble de 2, 4, 8, 16 ou 32 tensions de codage symétriques deux à deux de part et d'autre de la tension O Volt Le mode de codage à 2 niveaux est un mode bi-polaire tel que Le code HDB 3 mentionné précédemment Pour un codage à 8 niveaux, on subdivise en quatre chacune des tensions sysmétriques +V et -V disponibles dans L'appareil de codage Les tensions de codage ont de ce fait pour amp Litudes respectivement V 1 =+V, V 2 = 0,75 V, V 3 =+O,5 V, V 4 = + 0, 25 V, V 5 =-O,25 V, V 6 =-O,5 V, V 7 =-O,75 V et V 8 =-V Avec cet ensemble de codage à 8 niveaux (Fig 11), i L est connu que L'on peut transmettre jusqu'à 3 bits simultanément et donc accroître le débit de transmission possible sans augmenter la bande passante. A ces tensions de codage, se superposent des tensions de bruit vb provenant des circuits de correction (Fig 10 à 12) d'autant plus éLevées que la bande passante des circuits est plus large et leur gain plus élevé L'effet de masque de ces bruits parasites est plus sensiblesur les tensions de codage les plus faibles i e V 5 et V 6 (Fig 12) et donc, pour un même taux d'erreurs admissible, le passage d'un codage bipolaire (Fig 6) à un codage à huit tensions (Fig 7), oblige à diminuer la fréquence de coupure du système corrigé. Si al = S/B est le rapport du signal au bruit en code bipolaire il est nécessaire, pour un codage à 4 tensions, de se fixer un rapport admissible plus élevé a 2 = al + c, c étant un écart que l'on fixe à 6 d B si l'on veut garger le même pouvoir séparateur entre les niveaux Pour un codage à 8 et 16 tensions, on se fixe respectivement une valeur a 3 = al + 2 c et a 4 = al + 3 c. Le procédé selon L'invention comporte L'adjonction à chaque Ligne de transmission d'un réseau de correction particulier qui élargit la bande passante de chaque ligne tout en évitant les risques de sur- oscillation des signaux génère généralement des erreurs au décodage. -8 - On a trouvé que le réseau de correction permettant l'optimisation des lignes, doit être choisi pour que la ligne corrigée ait une fonction de transfert équivalente à celle d'un filtre de Bessel au moins dans un certain intervalle de fréquence (k 2 fc, k 1 fc) autour de la fréquence de coupure fc à trois décibels du filtre de Bessel équivalent à la ligne corrigée k 1 et k 2 étant des coefficients multiplicatifs Le coefficient k 2 est de l'ordre de 0,2 par exemple. Le coefficient k 1 est choisi au moins égal à 2 et de préférence au moins égal à 2,5. Le procédé comporte aussi la sélection de cette fréquence de coupure fc en fonction des paramètres de la transmission. L'amplitude de bruit bs admissible à la sortie du réseau correcteur étant fixée en fonction du nombre choisi de tensions de codage, et l'amplitude de bruit ramenée à l'entrée par ce même réseau, vont permettre de déterminer le gain maximal qu'il doit appliquer aux signaux transmis dans la bande de fréquence (k 2 fc, k 1 fc) et donc la fréquence de coupure fc maximale qu'il est possible d'obtenir avec les lignes de transmission employées. La tension de bruit ramenée à l'entrée d'un réseau correcteur s'exprime généralement en n V '/E, o BF est la largeur de La bande de fréquence à amplifier La bande de fréquence maximale BF étant fixée, on en déduit donc le bruit total ramené be Le gain maximal G que l'on doit donner au réseau de correction s'obtient donc par le rapport bs/be. Le gain G étant imposé, on peut donc sélectionner la fréquence de coupure fc du filtre de Bessel équivalent pour que, quelle que soit la fréquence comprise dans l'intervalle (k 2 fc, k 1 fc) le relèvement d'amplitude à appliquer aux signaux soit au plus égal à G (Fig 8, 9) La fréquence de transmission maximale Fm possible est proportionnelle à la fréquence fc obtenue: Fm = k fc avec un coefficient k de l'ordre de 2,2 par exemple On en dédit le débit Dm par la relation Dm=Fm log 2 N o N est le nombre de niveaux de codage. L'examen ci-après d'un exemple particulier de réalisation, va permettre de chiffrer les résultats obtenus dans la pratique avec 9 - le procédé selon l'invention On utilise un câble de transmission o les lignes ont une fonction de transfert FTC telle que celle représentée aux Fig 3 à 5 Le rapport S/bs du signal au bruit est fixé par exemple à 40 d B pour un code bipolaire à deux tensions, à 52 d B, 58 d B et 64 d B respectivement pour un codage à 8, 16 et 32 tensions, le bruit be ramené à l'entrée des circuits de correction de ligne utilisés est par exemple de 5 (n V) \ BF(Hz), la bande de fréquence à amplifier est de l'ordre de 250 K Hz et l'amplitude du signal S est fixée à 1 V par exemple. Avec les valeurs numériques ci-dessus, on calcule l'amplitude be qui est égale à 2,5 micro-Volt, les amplitudes bs maximales compte-tenu des valeurs des rapports S/bs imposés et l'on en déduit que les gains G à appliquer sont de 72 d B (Fig 8), 60 d B, 54 d B (Fig 5) et 48 d B respectivement dans le cas de codages bipolaire, d'un codage à 8, 16 et 32 tensions de codage Les écarts G entre la fonction de transfert de la ligne de transmission seule FTL et celle du filtre de Bessel équivalent FTB ayant été ainsi déterminés, on translate celle-ci par rapport à l'autre jusqu'à obtenir entre elles l'écart G à la fréquence f 2 = 2,5 fc Cette condition impose la fréquence de coupure fc recherchée Pour un codage bipolaire, on trouve que fc est sensiblement égale à 200 K Hz (Fig 8) Avec un codage à 8 tensions, fc est sensiblement égale à 160 K Hz (Fig 9) On peut vérifier aussi que fc est de l'ordre de 150 K Hz et de 120 K Hz respectivement pour un codage à 16 et 32 tensions de codage. En tenant compte du nombre de bits qu'il est possible de transmettre simultanément selon le nombre de tensions de codage employé, on vérifie que le débit Dm d'une telle ligne peut atteindre des valeurs optimales de l'ordre de 1,3 à 1,5 Mbits/s pour un codage à 16 ou 32 tensions de codage, et ceci sans aucune sur-oscillation susceptible d'amener des erreurs de décodage On remarque que compte-tenu de la forme de la courbe de transfert des lignes utilisées, le débit optimal est le plus élevé pour des codages à 16 ou 32 niveaux et qu'une augmentation supplémentaire du nombre de tensions de cadage, ne procure aucune augmentation corrélative du débit possible. - Le dispositif de mise en oeuvre du procédé (Fig 13) est adapté à la transmission de données numérisées délivrés par un système d'acquisition 7 comportant généralement un multiplexeur d'entrée 8 connectant séquentiellement à une chaine d'amplification et de filtrage 9 à gain variable telle que celles décrites dans les brevets français FR 2 593 004 ou 2 592 537, et un convertisseur analogique-numérique 10. Les signaux numérisés issus du système d'acquisition sont appliqués à un ensemble de codage spécialisé 11 d'un type connu adapté au code de transmission et au nombre de tension de codage, avant d'être appliqué à un ensemble d'émission 12 lequel est connecté à une ligne du câble 2 obtenue par l'une des combinaisons schématisées aux Fig 3 à 6. L'ensemble d'émission 12 comporte par exemple un transformateur de tension 13 avec un enroulement primaire dont les deux extrémités sont connectées à l'ensemble de codage 11. L'enroulement secondaire du transformateur de tension 11 est connecté par exemple entre la ligne centrale C 7 et la tresse périphérique T A l'autre extrémité du câble 2, un autre transformateur de tension 14 permet de prélever le signal transmis entre la ligne C 7 et la tresse T Le signal à l'enroulement secondaire du transformateur 14 est appliqué à un ensemble correcteur 15 adapté tel que la ligne de transmission corrigée par les effets de cet ensemble ait une réponse seniblement identique à celle d'un filtre de Bessel au moins dans l'intervalle défini (k 2 fc, k 1 fc) Les signaux issus de l'ensemble de filtrage 15 sont appliqués à un ensemble-récepteur 16 d'un type connu adapté à restituer les signaux numérisés et ensuite à une décodeur adapté 17 qui reconstitue le signal numérisé transmis. L'ensemble du codage 11 est adapté à transmettre les signaux numérisés avec un débit au plus égal au débit maximal D compatible avec les paramètres du câbles et des circuits électroniques de l'ensemble de filtrage 15, comme on l'a vu dans le cours de la description. 11 - REVENDICATIONS 1) Procédé pour optimiser les débits de transmission des signaux sur des lignes de transmission incluses dans des câbles multi- fonctions ( 2) du type utilisés par exemple pour relier des outils de puits à des installations de surface sans modification du taux d'erreur de transmission admissible, caractérisé en ce qu'il comporte: le codage des signaux numérisés par des tensions électriques choisies parmi un ensemble de tensions de codage comportant au moins deux niveaux de tension bien définis; et l'élargissement vers les hautes fréquences de la bande passante de chaque ligne de transmission utilisée par combinaison avec des circuits de correction ( 15) choisis pour que la fonction de transfert (FTB) de la ligne corrigée soit sensiblement celle d'un filtre du type Bessel dans un intervalle de fréquence s'étendant de part et d'autre de la fréquence de coupure à trois décibels fc de la ligne corrigée, la fréquence de la borne supérieure dudit intervalle étant proportionnelle à cette fréquence de coupure, le coefficient de proportionnalité (k 1) étant supérieur à 2 et ladite fréquence de coupure fc de la ligne corrigée étant choisie en fonction du nombre de niveaux de codage dudit ensemble de tensions et du taux d'erreur admissible. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'on choisit par exemple des circuits de correction tels que la fonction de transfert (FTB) de chaque ligne corrigée, correspond sensiblement à celle d'un filtre de Bessel au moins dans un intervalle de fréquence (k 2 fc, k 1 fc) o fc est ladite fréquence de coupure fc, k 1 est un facteur multiplicatif au moins égal à 2,5 et k 2 est un facteur multiplicatif de l'ordre de 0,2. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on sélectionne des circuits de correction permettant d'appliquer aux signaux dans ledit intervalle de fréquence, un gain au plus égal à une valeur limite (G) diminuant 12 - corrélativement avec une augmentation du nombre choisi de tensions de codage pour un taux d'erreurs de transmission fixé, et dépendant du niveau de bruit (be) ramené par Lesdits circuits de correction associés à chaque ligne de transmission et L'on sélectionne Ladite fréquence de coupure (fc) dont dépend La fréquence de transmission maxima Le, pour que Le relèvement d'amplitude à appliquer aux signaux transmis sur chaque ligne de transmission, soit au plus égal à ladite valeur Limite (G). 4) Procédé se Lon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on augmente le débit de transmission en codant les signaux à transmettre au moyen d'un ensemb Le de tensions de codage comportant au moins huit niveaux de tensions. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que L'on augmente le débit de transmission en codant les signaux à transmettre en choisissant un ensemble de tensions de codage comportant seize tensions de codage. 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte par exemple un ensemble de codage ( 11) adapté à coder des signaux numérisés à transmettre avec un nombre choisi de tensions de codage et à les appliquer sur une ligne de transmission et des circuits de filtrage ( 15) adaptés pour que La ligne combinée avec lesdits circuits de filtrage, ait une fonction de transfert (FTB) semblable à celle d'un filtre de Bessel de fréquence de coupure fc choisie en fonction du nombre de tensions de codage utilisé, de la fonction de transfert de la ligne de transmission seule et des caractéristiques de bruit desdits circuits de filtrage, dans un intervalle de fréquence s'étendant de part et d'autre de ladite fréquence de coupure fc.