Brevet FR2703735A1 — publié le 19941014

L'invention se rapporte d'une manière générale à une pompe hydraulique qui crée un différentiel constant de pression hydraulique par rapport à la pression hydrostatique. Cette pompe s'utilise pour faire fonctionner des outils 5 situés au fond de trous de forage, mais elle n'est pas limitée à cette application. Dans le domaine de l'exploration géophysique, en particulier de l'exploration sismique, il a été observé qu'il est utile de placer des appareillages en profondeur dans des10 trous de forage (bien au-dessous de la surface du sol) pour différentes raisons, par exemple pour la mesure de l'énergie sismique, pour l'enregistrement de micro- tremblements de terre, la détermination de l'orientation de fractures ou de la géométrie de la fracturation hydraulique dans des puits de pétrole, etc. Par exemple, des récepteurs sismiques ou géopho- nes peuvent être descendus au fond du trou pour mesurer les signaux sismiques créés par des chocs produits par des explosions en surface ou, dans le cas de la technologie à forage transversal, ils peuvent être descendus en profondeur à l'intérieur d'un forage voisin. Un outil caractéristique de cette technique consiste en les éléments suivants placés dans une unique enveloppe: des détecteurs, tels que des géophones qui convertissent les vibrations mécaniques en signaux électri- ques; l'électronique complémentaire; une cale qui coince l'outil contre la paroi du trou de forage; et un moteur qui actionne la cale. Pendant l'acquisition de données sismiques, le détecteur est descendu dans un trou de forage, celui-ci étant en général rempli d'un fluide tel que de l'eau, de l'huile, du fluide de forage ou un gel de fracturation Il est ensuite bloqué à une profondeur souhaitée Des ondes sismiques sont créées par des sources classiques et détectées par l'outil. L'outil est ensuite placé à une profondeur différente et le processus est répété Dans les systèmes les plus communs, les données peuvent être enregistrées par un unique groupe détecteur à une seule profondeur à la fois Des outils multiples de fond de trou de forage ont été récemment mis en oeuvre pour éviter la répétition de la mise en place d'un5 outil unique. De nombreux de ces outils d'enregistrement de secousses sismiques qui se placent au fond d'un unique trou de forage contiennent un appareil qui crée un différentiel constant de pression hydraulique par rapport à la pression hydrostatique du trou de forage En d'autres termes, la pression régnant dans le système hydraulique est toujours d'un certain degré supérieure à la pression hydrostatique régnant dans le trou de forage, cette dernière pression variant avec la profondeur à laquelle fonctionne la pompe15 située au fond du trou A titre d'exemple, cette pression hydraulique est utilisée pour faire fonctionner une cale, en général placée sur un "bras", pour fixer l'outil sur la paroi du trou de forage En général, des pressions de 14 à 35 kg/cm 2 supérieures à la pression hydrostatique variable sont20 nécessaires pour garantir une force suffisante pour un calage serré. Un type d'un outil se plaçant au fond d'un trou de forage et utilisant un appareil de production d'une pression hydraulique est un géophone se bloquant contre une paroi et tel que décrit dans le brevet U S 3 777 814 Cette pompe consiste en un système hydraulique double destiné à protéger les composants délicats de la pompe contre la pression du fluide se trouvant dans le trou de forage Le premier système hydraulique comprend un moteur électrique raccordé à un piston, tous deux étant placés dans un bâti étanche à la pression, ainsi qu'un second piston situé dans une chambre exposée à la pression régnant dans le trou de forage Le second système hydraulique comprend un troisième piston qui est relié mécaniquement au second piston du premier système hydraulique et qui crée le différentiel de pression hydraulique pour coincer un ensemble de géophone contre la paroi du trou de forage Ces systèmes hydrauliques sont caractéristiques de cette technique. Il se présente cependant d'autres problèmes lorsqu'il est exigé de la pompe hydraulique située au fond du trou qu'elle serve plusieurs outils de fond Un exemple de ce cas est relaté dans la demande de brevet U S 07/652 333 dans laquelle de multiples géophones situés au fond du trou sont utilisés simultanément Les pompes hydrauliques de cette technique peuvent fournir la pression nécessaire à bloquer un10 unique groupe, mais sont incapables de comprimer suffisamment le grand volume de fluide hydraulique nécessaire à bloquer plusieurs groupes L'adaptation de la pompe de fond de trou du brevet U S mentionné plus haut à ce mode d'exploitation exigerait l'utilisation de pistons d'une longueur irréalisa- ble. La pompe de fond de trou de forage de l'invention est destinée à fournir des pressions hydrauliques constantes, supérieures à la pression hydrostatique, pour actionner un outil ou de multiples outils Elle comprend un ensemble à vessie souple qui confère la valeur de référence hydraulique à la pression du trou de forage Aucun système hydraulique double tel que celui décrit dans le brevet U S mentionné plus haut n'est nécessaire De plus, la pompe de l'invention est capable de fournir aussi bien des pressions positives que des pressions négatives (des dépressions). Un moteur à commande électronique fait tourner une vis à billes qui actionne un piston double à deux courses Le piston double consiste en un piston intérieur et un piston extérieur Au début des opérations, c'est-à-dire aux basses pressions, ces deux pistons fonctionnent en tandem Le grand piston extérieur pompe un grand volume de fluide hydraulique à de faibles pressions Au fur et à mesure de l'augmentation du différentiel de pression, le piston extérieur ralentit et cesse progressivement de se déplacer en raison de la présence d'un ressort qui, en combinaison avec la pression différentielle du système, limite le trajet sur lequel se déplace ce piston extérieur Le piston intérieur plus petit se déplace ensuite à l'intérieur de sa chambre pour délivrer la pression nominale du système La pression à laquelle le grand piston extérieur cesse progressivement de5 se déplacer est une fonction de la constante du ressort et peut ainsi être modifiée par changement de ce ressort. Suivant un mode de réalisation avantageux, la pompe fonctionne uniquement avec deux fils (d' alimentation et de retour) qui la connectent à la surface Des commutateurs10 de fin de course déclenchent le circuit électronique pour inverser le sens de rotation du moteur à la fin de chaque course du piston La pompe s'arrête automatiquement après qu'elle a fourni la pression souhaitée Des soupapes de retenue et des électro-vannes sont utilisées pour commander la génération de pressions positives ou négatives. L'invention va être décrite plus en détail à titre d'exemple en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 illustre la vessie qui se trouve à la partie supérieure de la pompe de l'invention, la figure l A représente la section facultative du collecteur du mode de réalisation le plus avantageux, la figure 1 B est une coupe transversale de la pompe dans la zone d'admission et de sortie, la figure 2 illustre la section à piston double de l'appareil, cette section étant celle qui effectue effectivement le pompage, la figure 2 A montre la partie de la pompe qui contient les commutateurs de fin de course qui sont destinés à limiter la course de la pompe et à inverser le sens de rotation du moteur lorsqu'ils sont déclenchés, la figure 2 B est une coupe transversale de la pompe dans la zone d'admission et de sortie, la figure 3 illustre le moteur ou la partie la plus basse de la pompe. Sur la figure 1, la vessie 5 et le système hydraulique sont remplis de fluide hydraulique par un ajutage 2 Une soupape de retenue 1 s'ouvre pour permettre à l'air de s'échapper du système hydraulique lors du remplissage, puis elle se ferme pour clôturer le système hydraulique La pompe est ensuite connectée à d'autres appareils placés dans le5 fond du trou par le connecteur 7 de la figure 1 L'ensemble de la pompe et des autres appareils sont ensuite descendus au fond d'un trou de forage Le moteur 95 de la figure 3 est mis en marche par envoi d'énergie par le fil 97 Le moteur 95 fait alors tourner un arbre 90 qui est relié de la manière10 représentée sur la figure 2 par un raccord 85 à une vis à billes 80 et à un manchon 75 de cette vis qui transforment l'énergie de rotation du moteur en un mouvement alternatif. La course de la tige filetée 80 est limitée par des commuta- teurs de fin de course 115 qui, lorsqu'ils sont actionnés,15 inversent le sens de rotation du moteur 95 Le manchon de la tige filetée est relié à une tige de pompe 40 par un raccord qui est relié de la manière représentée sur la figure 2 à un piston intérieur (de haute pression) 25 Le piston 25 effectue des mouvements alternatifs dans une chambre 35 et il est relié à coulissement à un piston concentrique extérieur (à basse pression) 20 qui effectue des mouvements alternatifs dans une chambre 30 Aux basses pressions, le piston 20 est fixé en place au piston 25 par un ressort 45 qui exerce une pression contre une surface 42 de ce piston 20 et une butée 27 du piston 25 qui exerce une pression contre une surface 41 du piston 20 Le ressort 45 est comprimé contre une butée 47 qui est fixée au piston 25 par une vis 110 Aux basses pressions, le ressort 45 exerce une poussée contre la surface 42 du piston 20, de sorte que le piston 25 et le piston 20 se déplacent ensemble Toutefois, lorsque la pression hydrauli- que du système augmente, de sorte qu'elle modifie la cons- tante du ressort 45, la course du piston 20 se ralentit et cesse progressivement et tout d'abord le piston 25 ne se déplace pas à la même vitesse que le piston 20, puis finale- ment il est le seul à se déplacer. Des orifices 3 de la section de la vessie que représente la figure 1 permettent l'arrivée du fluide du fond du trou dans la chambre 4 de cette vessie Cette infiltration produit une pression de référence pour le différentiel de pression délivré par la pompe. Il résulte du pompage des pistons 20 et 25 de la figure 4 que le fluide hydraulique quitte la vessie 5 de la figure 1 par la sortie 8 Il entre dans la cavité 6 de la section représentée de la figure 2 qu'il remplit Le fluide hydraulique pénètre dans le conduit il d'admission de la pompe en passant par une soupape de retenue 18 pour pénétrer dans la chambre 30 et dans le conduit 12 d'admission de la pompe en passant par une soupape de retenue 19 pour pénétrer dans la chambre 35 Les soupapes de retenue 18 et 19 autori- sent la circulation uniquement vers les chambres correspon- dantes 30 et 35 par les admissions 11 et 12 des pompes correspondantes Le pompage des pistons 20 et 25 refoule le fluide hydraulique hors des chambres 30 et 35 par les conduits de décharge correspondants 53 et 52 et par l'inter- médiaire des soupapes de retenue 17 et 21 Aux pressions élevées, le piston 20 cesse progressivement de se déplacer et le fluide hydraulique ne circule que dans le trajet d'admis- sion 12 et par la soupape de retenue 19 pour pénétrer dans la chambre 35 dans laquelle il est refoulé par le mouvement alternatif du piston 25 dans le conduit de décharge 52 et la soupape de retenue 21. Les conduits de décharge 52 et 53 se réunissent pour former un conduit de décharge 55 au moyen du collecteur 66 de la figure 2 Le conduit 55 peut ensuite mener directe- ment aux systèmes hydrauliques de l'appareillage correspon- dant situé au fond du trou de forage. En variante, le collecteur de la figure l A peut être placé dans la pompe entre la section de la vessie de la figure 1 et la section de pompage de la figure 2 Cette section facultative de collecteur est utile particulièrement lorsqu'il est souhaitable que la pompe provoque une dépres- sion par rapport à la pression de référence (du trou de forage) Lorsque cette section de collecteur est utilisée, le fluide hydraulique est dirigé dans la cavité 6 de la section du collecteur, puis dans un collecteur 13 à cinq soupapes qui5 permet de brancher les admissions et les sorties de façon que la pompe puisse utiliser le conduit de décharge 56 en conduit d'admission et la sortie 8 de la vessie en point de décharge afin de permettre d'évacuer les systèmes hydrauliques de l'appareil ou des appareils conjoints ou, en variante, de10 permettre à la pompe de fonctionner en dispositif d'aspira- tion En fonctionnement normal, le fluide hydraulique entre de la cavité 6 dans le collecteur 13 par les admissions 9 Le collecteur 13 dirige le fluide hydraulique dans le conduit d'admission 10 qui ensuite envoie l'huile dans les circuits15 Il et 12 d'admission de la pompe par l'intermédiaire des soupapes de retenue 18 et 19 et ensuite dans les chambres 30 et 35, respectivement A la sortie des chambres des pompes, le fluide passe des chambres 30 et 35, par l'intermédiaire des soupapes de retenue 17 et 21, dans les conduits 53 et 52 de sortie Ceux-ci se réunissent de la manière représentée sur la figure l A en un T 65 qui ensuite dirige le fluide hydraulique par le conduit 55 dans le collecteur 13 L'ori- fice 18 situé sur le collecteur 13 est une soupape de décharge utilisée pour éliminer la pression du système En fonctionnement normal, le fluide hydraulique sortant est dirigé dans le collecteur 13 qui ensuite le fait sortir de la pompe par le conduit correspondant 56. Bien que la pompe de l'invention soit conçue pour répondre à la demande dans le domaine de l'exploration géophysique, en particulier pour être utilisée dans des dispositifs multiples se plaçant au fond d'un trou de forage, elle n'est pas limitée à cette application Elle pourrait être utilisée dans d'autres applications dans lesquelles une pompe hydraulique combinée à basse et à haute pression est utilisée, par exemple, dans un vérin de voiture ou dans un dispositif hydraulique de levage de voitures automobiles. D'autres utilisations de l'invention sont évidentes pour les spécialistes. REVENDICATIONS 1 Pompe hydraulique combinée pour basse pression et haute pression, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe délimitant un alésage longitudinal comprenant une5 première chambre ( 30) de plus grand diamètre qu'une seconde chambre ( 35), chacune desdites chambres comportant une admission ( 11, 12) et une sortie ( 52, 53); un premier piston cylindrique ( 20) monté de manière étanche dans ladite enveloppe et destiné à effectuer un mouvement alternatif dans10 la première chambre ( 30), ce premier piston délimitant un second alésage longitudinal ayant sensiblement le même diamètre que la seconde chambre ( 35); un second piston ( 25) monté de manière étanche dans ledit second alésage longitudi- nal et destiné à effectuer un mouvement alternatif dans ce dernier et dans ladite seconde chambre ( 35); un ressort ( 45) accouplant le premier piston ( 20) et le second piston ( 25) aux basses pressions, celles-ci étant fonction de la cons- tante d'élasticité du ressort ( 45); des moyens ( 70, 75, 80, , 90, 95) destinés à animer d'un mouvement alternatif lesdits pistons ( 20, 25) dans lesdites chambres ( 30, 35); et une tige ( 40) reliant ledit second piston ( 25) auxdits moyens l'animant d'un mouvement alternatif. 2 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit ressort ( 45) destiné à accoupler le premier piston et le second piston aux basses pressions est réglable ou remplaçable de façon à permettre de modifier la pression à laquelle la course dudit premier piston ( 20) ralentit et finalement s'arrête. 3 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune desdites deux admissions ( 11, 12) comprend un moyen ( 18, 19) autorisant le fluide à pénétrer dans la chambre correspondante, mais à l'empêcher de sortir, et chacune desdites deux sorties ( 52, 53) comprend un moyen ( 17, 21) autorisant le fluide à sortir de la chambre correspondan- te, mais lui interdisant d'y entrer. 4 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens ( 70, 75, 80, 85, 90, 95) provoquant le mouvement alternatif cessent d'effectuer leur course lorsque le système hydraulique atteint une pression prédéter- minée. Utilisation de la pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour fournir un différentiel constant de pression hydraulique à un appareillage géophysi- que se plaçant au fond d'un trou de forage.