Brevet FR2708310A1 — publié le 19950203

o PROCEDE ET DISPOSITIF POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS RELATIVES AU FONCTIONNEMENT D'UN APPAREIL ELECTRIQUE AU FOND D'UN PUITS 1 La présente invention concerne un procécé et un dispositif permettant de transmettre des informations relatives au fonctionnement d'un appareil électrique disposé dans un puits de forage, tel que par exemple une pompe submersible destinée à pomper l'hydrocarbure provenant des formations terrestres traversées par ledit puits. Les informations relatives au fonctionnement de la pompe incluent, par exemple, la pression de sortie et d'entrée, le débit, la densité du fluide, la température du moteur, les vibrations ou tout autre information susceptible de permettre de contrôler et surveiller le fonctionnement de la pompe. Après une certaine période de production, la pression diminuant, il est nécessaire de faire appel à des moyens artificiels pour acheminer les hydrocarbures depuis le fond du puits vers la surface, et ce à l'aide de pompes, actionnées par des moteurs électriques et de grandes - puissances (de l'ordre par exemple de 300 CV). Ces pompes nécessitent une alimentation électrique en tension et intensité élevées, ce qui entraîne des coûts importants de consommation, et également d'installation et d'acheminement de l'énergie électrique depuis la surface vers le moteur actionnant la pompe. Ces pompes n'étant pas, par définition, accessible directement, leur surveillance est réalisée à distance depuis la surface. 1 On a développé, de façon connue, voir par exemple les brevets US n 3,340,500 et 4,901,070, des techniques permettant d'utiliser la liaison de câbles ou fils électriques d'alimentation reliant le moteur électrique de la pompe à la surface au moyen d'alimentation. En général, l'alimentation est du type triphasée et comporte trois fils ou câbles électriques, chacun pour une phase, les trois fils étant reliés à la masse au niveau du moteur électrique actionnant la pompe, selon une jonction dite "Y". En surface, les trois fils sont reliés à des transformateurs d'alimentation électrique. Les paramètres relatifs au fonctionnement de la pompe ou du moteur électrique sont saisis par au moins un capteur disposé à proximité de la pompe ou du moteur, et relié à au moins l'un des fils de phase d'alimentation du moteur, par une liaison ohmique, c'est-à-dire une jonction directe fil à fil, au niveau de l'ensemble pompe/moteur. Une seconde liaison ohmique permet de relier en surface ledit fil de phase à un appareil de mesure et susceptible de recevoir et/ou traiter l'information directement. Usuellement, un filtre (du type RC) est prévu entre les moyens de réception en surface et la liaison ohmique. La transmission d'informations est effectuée alors par l'injection d'un courant continu depuis l'appareil de réception à la surface vers le capteur qui, lui-même, envoie l'information, en utilisant le fil de phase correspondant pour véhiculer l'information, au retour, vers les moyens de réception en surface. Ce procédé et dispositif connus soulèvent des inconvénients maj eurs. En premier lieu, la jonction ohmique et directe présente des risques pour l'utilisateur lorsque ce dernier vient brancher l'appareil de réception destiné au traitement de l'information. En effet, le fil de phase est porteur d'un courant haute tension (de l'ordre de 2400 volts). Afin de 1 réduire sensiblement les risques d'électrocution, on prévoit des circuits formant barrière de sécurité, ce qui augmente le coût, d'une part, sans pour autant supprimer les risques, d'autre part. De plus, la réticence, sur le plan psychologique, des utilisateurs venant brancher un appareil sur une ligne portant une haute-tension, freine l'utilisation de ce type de dispositif. Par ailleurs, en cas de défaillance du filtre ou des circuits de sécurité, la tension de plusieurs milliers de volts du fil de phase est injectée alors dans l'appareil de réception de l'information (tel qu'un ordinateur personnel), avec les risques qui en résultent pour l'opérateur, sans compter l'endommagement dudit ordinateur. De plus, il est usuel d'effectuer des tests visant à s'assurer du bon isolement sur le plan électrique, des câbles ou fils d'alimentation eux-mêmes. Pour ce faire, on injecte depuis la surface, une tension continue élevée (de l'ordre de 500 volts ou plus). Ce test d'isolement présente, cependant, une fiabilité faible compte tenu des fuites apparaissant au niveau des jauges de pression constituées de résistances. On a tenté (voir par exemple le brevet US n 4,157,535 ou 4,523,194) de remédier à cet inconvénient en prévoyant des moyens pour couper le circuit comprenant la jauge de pression au fond du puits, afin de permettre de mettre en oeuvre le test d'isolement. Ces circuits sont relativement compliqués, ce qui en augmente le coût, et les composants perturbent le fonctionnement du circuit de la jauge de pression. On a proposé également de transmettre l'information relative au fonctionnement de la pompe, par l'intermédiaire d'une liaison directe, à l'aide d'un câble électrique séparé des câbles d'alimentation de la pompe. Le câble distinct de transmission des - informations est relié directement au capteur et reçoit du courant continu ou alternatif. 1 Ce moyen connu présente des inconvénients. Tout d'abord, il présente un coût très élevé compte tenu de sa structure. Egalement, la présence d'un câble distinct nécessite de prévoir des trous de passage dudit câble à chaque organe étanche, ce qui augmente ainsi le risque de fuite. Enfin, les dispositifs connus mentionnés ci-dessus ne peuvent être installés, ou très difficilement, sur du matériel existant déjà en place, sans modification importante, ce qui en augmente le coût d'installation. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et propose un procédé et un dispositif aptes à transmettre des informations, telles que des paramètres de fonctionnement d'un appareil électrique, par exemple un moteur actionnant une pompe disposée dans une zone productrice d'hydrocarbures d'un puits, sans modification des appareillages et systèmes existants, en toute sécurité et sans risque pour les utilsateurs, à moindre coût, et enfin sans que la transmission de ces informations interfère avec l'alimentation en énergie électrique dudit moteur. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour transmettre des informations relatives au fonctionnement d'un appareil électrique disposé dans un puits de forage, dans lequel les informations saisies par au moins un capteur dans le puits, sont acheminées vers des moyens de réception en surface par la liaison filaire reliant ledit appareil au moyen d'alimentation en énergie électrique à la surface, est caractérisé en ce que l'on réalise un couplage inductif entre ladite liaison filaire d'alimentation et ledit capteur d'une part, et les moyens de réception en surface, d'autre part. 1 Avantageusement, on dispose un filtre entre le couplage inductif et le capteur d'une part, et les moyens de réception, d'autre part. Selon une forme de réalisation avantageuse, ledit appareil est alimenté en énergie électrique par une liaison filaire triphasée et on dispose un couplage inductif à chaque fil de manière que le flux magnétique total soit nul dans un état d'équilibre électrique de l'ensemble. L'invention concerne également un dispositif pour transmettre les informations relatives au fonctionnement d'un appareil disposé dans un puits de forage, issues d'au moins un capteur disposé dans le puits, comportant des moyens de transmission des informations depuis lesdits capteurs vers des moyens de réception en surface associés à la liaison filaire reliant ledit appareil au moyen d'alimentation en énergie électrique à la surface, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de couplage inductif entre ladite liaison filaire et ledit capteur d'une part, et les moyens de réception en surface, d'autre part. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit, se rapportant à un exemple illustratif et non limitatif de l'invention, se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble du dispositif de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique montrant en détail, une partie de la figure 1; - la figure 3 montre le schéma électrique général schématique du dispositif de l'invention; et - la figure 4 est une vue de détail schématique montrant le principe du couplage inductif. 1 La figure 1 montre le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans l'application au domaine d'exploitation des puits d'hydrocarbures. La figure 1 n'est qu'une représentation schématique et l'échelle des différents éléments n'est pas respectée, afin de faciliter la compréhension. Dans un puits de forage 10, traversant les formations géologiques 11, est prévue une colonne de production 12 sous la forme d'un conduit acheminant les hydrocarbures provenant des formations 11 depuis la zone productrice 10A du puits vers la surface 13. La tête de puits 10C à la surface du sol 14 est pourvue des moyens de contrôle usuels et connus en eux-mêmes. La colonne de production 12 débouche à la surface et achemine les hydrocarbures par un conduit 15 en surface vers des moyens de traitement et/ou de stockage (non représentés et connus en eux-mêmes). Une pompe 16, disposée dans la zone productrice 10A, est actionnée par un moteur électrique 17 alimenté en énergie électrique par une liaison filaire 18 sous la forme d'un câble électrique, par exemple triphasée. Le câble d'alimentation 18 est relié à des moyens d'alimentation électrique de surface 19, tels que par exemple une alimentation en courant alternatif de 2400 volts, à 60 hertz et de l'ordre de 30 à 35 ampères. Une sonde 20 est associée à l'ensemble pompe 16 et moteur 17 et comporte un ou plusieurs capteurs 21 susceptibles de mesurer des paramètres relatifs au fonctionnement de la pompe et à l'écoulement des hydrocarbures 22 provenant des formations 11. Les capteurs mesurent par exemple la pression d'entrée et de sortie de la pompe, le débit, la densité du fluide, la température du moteur, les paramètres de vibration ou tout autre paramètre utile. La zone productrice 10A, o se trouve la sonde 20, est isolée du reste du puits par un organe d'obturation 23, 1 connu sous le terme anglais de packer par l'homme de l'art, placé autour de la colonne de production 12. Les paramètres mesurés par l'ensemble de capteurs 21 sont acheminés, sous forme de signaux électriques, vers la surface 13, par l'intermédiaire de la liaison filaire d'alimentation 18. Des moyens de couplage de fond 24 sont prévus pour relier les capteurs 21 disposés dans la sonde , au câble d'alimentation 18. Des moyens de couplage de surface 25, disposés en surface, relient la partie du câble d'alimentation 18 à des moyens de réception 26 destinés au traitement et à l'enregistrement, eux-mêmes délivrant l'information à des moyens de visualisation 27 et/ou à des moyens de transmission à distance tels qu'un modem 28, afin de transmettre les informations à un centre de traitement éloigné. La figure 2 montre une vue en détail et schématique du dispositif de fond, la pompe 16 pompant les hydrocarbures dans la zone productrice IOA par une ouverture d'aspiration 30. La pompe est actionnée par le moteur 17 relié à la pompe par une liaison 31. Le moteur est alimenté par les moyens d'alimentation de surface 19 par le câble triphasé 18. Les capteurs 21 sont reliés au câble 18 par une liaison 32 et par les premiers moyens de couplage 24. La figure 3 montre une vue détaillée du circuit électrique du dispositif de l'invention, o les éléments similaires ou identiques aux autres figures portent les mêmes références. La sonde 20 inclut les capteurs 21 délivrant des signaux analogiques représentatifs de paramètres de fonctionnement de la pompe, des moyens 34 de mise en.forme des signaux dont la sortie est reliée à un amplificateur 35. Ce dernier est relié par la liaison 32 (comprenant deux branches 320 et 321) aux moyens de couplage de fond 24 aptes à relier les capteurs 21 à chacun des fils de phase 18A, 18B et 18C. Les moyens de couplage de surface 25 sont également associés à chacun des fils de phase eux-mêmes issus des moyens b. 1 d'alimentation 19 en surface et reliés au point neutre par l'intermédiaire d'une source auxiliaire 36. Les moyens de couplage de surface 25 relient les fils de phase 18A, 18B et 18C aux moyens de traitement, de visualisation et de transmission en surface (références 26, 27 et 28 de la figure 1) par l'intermédiaire d'un filtre 37 et d'un amplificateur d'isolement 38. Une capacité 41 isole la jonction 40 neutre du moteur 17 de la terre ou masse 42. A l'intérieur de la sonde 20 est prévu un régulateur d'alimentation 39 relié aux moyens de mise en forme 34, et également relié, d'une part à la terre ou masse et d'autre part au point neutre 40 (jonction en Y). La jonction Y constitue le point commun des fils de phase 18A, 18B et 18C d'alimentation du moteur 17. Ce dernier comporte trois enroulements respectivement 17A, 17B et 17C disposés respectivement sur chacun des fils de phase 18A, 18B et 18C. Les éléments de circuit disposés dans la sonde 20, les enroulements de moteur 17, le filtre 37, l'amplificateur d'isolement 38, ainsi que les alimentations principales 19 et auxiliaires 36, sont connus en eux- mêmes, et ne sont pas décrits plus en détail. En référence à la figure 4, les moyens de couplage de fond 24 comprennent des éléments en forme d'anneau cylindrique, en matériau perméable magnétiquement, tel que la ferrite ou un alliage de fer. Les anneaux portent les références 24A, 24B et 24C. Ces derniers sont disposés de manière à être traversés respectivement par les fils de phase 18A, 18B et 18C. La liaison 32 entre la sonde 20 et les moyens de couplage de fond 24 comporte un fil unique comprenant une première extrémité d'amenée 320 et une seconde extrémité de retour 321. Les extrémités 320 et 321 sont reliées à la sonde 20. Le fil unique 32 est disposé par rapport aux anneaux cylindriques de couplage 24A, 24B et 24C de façon que, depuis l'extrémité d'amenée 320, le fil traverse à plusieurs reprises le premier anneau 24A de manière à former un enroulement 32A. La branche 322 (du fil 32) débouchant de 1 la partie centrale évidée de l'anneau 24A, traverse le second anneau 24B de manière à former un second enroulement 32B. De même, la branche 323 débouchant du second anneau 24B, traverse le troisième anneau 24C de manière à former un troisième enroulement 32C. La branche 325 issue du troisième anneau 24C est reliée à l'extrémité 321 de retour vers la sonde 20. Le fil unique 32 constituant le secondaire des coupleurs inductifs, est disposé par rapport à chaque élément de couplage annulaire 24A, 24B et 24C, de façon à coupler de manière inductive la somme des flux magnétiques produits par les trois fils de phase, 18A, 18B et 18C. En d'autres termes, lorsque le système à trois phases est à l'équilibre, au sens électrique du terme, le flux total est nul du fait du déphasage de 120 d'une phase à l'autre. Ainsi, les lignes 18A, 18B et 18C n'induisent aucun courant au travers des bornes de l'enroulement 32 de la sonde. Les moyens de couplage 25 en surface sont similaires. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Le couplage inductif réalisé entre la sonde 20 (plus particulièrement les capteurs 21) et les fils de phase 18A, 18B et 18C de l'alimentation en énergie électrique permet de transmettre les signaux issus des capteurs 21, via le câble d'alimentation 18, en toute sécurité. En effet, la haute tension de ce dernier n'est pas introduite dans les appareils de surface (références 26 à 28 de la figure 1). Sur le plan de la sécurité également, la capacité 41 disposée dans la sonde permet de s'assurer que le circuit dans lequel intervient le courant de la sonde est fermé en passant par la terre 42. L'alimentation en énergie de la sonde peut être réalisée via le point commun 40 en "Y" (comme montré sur la figure 3) ou en variante par l'intermédiaire dune source séparée d'alimentation en 41o 1 courant alternatif et utilisant le couplage inductif de fond 24. Des informations sous forme numérique peuvent être transmises depuis la sonde vers la surface à l'aide de techniques de modulation connues en elles-mêmes. Les fréquences des signaux peuvent être choisies de manière à filtrer tout bruit intervenant sur la ligne d'alimentation 18. A titre d'exemple, un taux de transmission de 300 bits/seconde peut être mis en oeuvre en utilisant une modulation du type FSK à 2025 Hz et 2225 Hz, ou toute autre fréquence du standard CCITT (V21 ou V23). Les courants des signaux portant l'information issue des capteurs 21 sont en phase, et en conséquence une tension de sortie en mode commun est induite dans le couplage 25 de surface. Le filtre 37 en surface est destiné à supprimer tout bruit de fréquence sur la ligne d'alimentation 18. L'amplificateur d'isolement 38 permet d'éliminer tout pic de tension ou surtension susceptible d'apparaître à la sortie, du aux signaux transitoires lors des coupures et remises en service du circuit, ou à un éventuel déséquilibre important entre les phases. L'amplificateur d'isolement 38 augmente le niveau de tension des signaux et le rend compatible avec la terre des circuits de traitement en surface (26, 27 et 28). En ce qui concerne les coupleurs inductifs 24 et 25, les anneaux cylindriques peuvent être constitués de tout type de ferrite, tel que par exemple celle du type MN 80 en ferrite de zinc magnésium ou nickel zinc, qui présente une température de Curie élevée (230 C), de bonnes propriétés magnétiques et est compatible avec les fluides présents dans le puits, tels que l'eau salée, les hydrocarbures et le gaz. Afin de réduire -les coûts et faciliter le montage, le couplage inductif de fond peut être disposé à l'intérieur 1 d'un bloc fonctionnel isolé de la pression régnant dans le puits et disposé près des jonctions électriques du moteur. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais inclut toutes variantes telles que mentionnées dans les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1) Procédé pour transmettre des informations relatives au fonctionnement d'un appareil électrique disposé dans un puits de forage (10), dans lequel les informations saisies à l'aide d'au moins un capteur (21) dans le puits, sont acheminées vers des moyens (26) de réception en surface par la liaison filaire (18) reliant ledit appareil au moyen d'alimentation (19) en énergie électrique à la surface, caractérisé en ce que l'on réalise un couplage inductif entre ladite liaison filaire (18) et ledit capteur (21), d'une part, et les moyens de réception (26), d'autre part. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1.5 l'on dispose un filtre (37) entre le couplage inductif et le capteur (21), d'une part, et les moyens de réception (26), d'autre part. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, de type dans lequel ledit appareil est alimenté en énergie électrique par une liaison filaire (18) triphasée, caractérisé en ce que l'on associe un couplage inductif à chaque fil (18A; 18B; 18C) correspondant à une phase, les coupleurs étant disposés de manière que le flux magnétique total soit nul dans un état d'équilibre électrique de l'ensemble. 4) Dispositif pour transmettre les informations relatives au fonctionnement d'un appareil disposé dans un puits (10) de forage, issues d'au moins un capteur (21) dans le puits et apte à saisir lesdites informations, comprenant des moyens de transmission des informations depuis ledit capteur (21) vers des moyens de réception en surface (26) par l'intermédiaire de la liaison filaire (18) reliant ledit appareil au moyen d'alimentation (19) en énergie électrique à la surface, 1 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de couplage inductif entre ladite liaison filaire (18) et ledit capteur (21) d'une part, et les moyens de réception (26), d'autre part. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de filtrage (37) disposés entre les moyens de couplage inductif et ledit capteur (21) d'une part, et les moyens de réception (26), d'autre part. 6) Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, du type dans lequel ladite liaison filaire (18) comporte trois fils (18A; 18B; 18C) correspondant chacun à une phase d'alimentation de ladite pompe, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur (24) inductif incluant un anneau en matériau perméable magnétiquement et un enroulement, chaque coupleur (24) étant associé à chaque fil (18A; 18B; 18C) de phase et disposé de manière que le flux magnétique total soit nul, dans un état d'équilibre électrique de l'ensemble. 7) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le moyen de couplage (24) inductif comporte un anneau en matériau perméable magnétiquement et traversé par ladite liaison filaire (18), et un enroulement (32A; 32B; 32C) filaire dont les deux extrémités sont reliées audit capteur. 8) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte à la surface, à la sortie desdits moyens de réception (26), des moyens de transmission des informations à distance. 9) Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que ledit appareil comporte une pompe (16) actionnée par un moteur électrique (17). A4- 1 10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs capteurs (21) aptes à saisir chacun un paramètre lié au fonctionnement de ladite pompe (16). 11) Dispositif de pompage conçu pour opérer au fond d'un puits (10), comprenant: - une pompe (16) associée à un moteur d'entraînement (17); une liaison filaire (18) reliant ledit moteur à une source (19) d'énergie en surface; - au moins un capteur (21) apte à saisir au moins une information relative au fonctionnement de ladite pompe (16); et - au moins un moyen de couplage inductif (24) entre ladite liaison filaire (18) et ledit capteur (21).