Brevet FR2733005A1 — publié le 19961018

La présente invention se rapporte au domaine des câbles que l'on utilise dans la diagraphie électrique de puits de pétrole et de gaz, et concerne plus spécifiquement un câble combiné électrique et à fibre optique, utilisé pour descendre des instruments de diagraphie dans des trous de forage percés dans la terre. La diagraphie implique la réalisation de mesures des propriétés des formations géologiques pénétrées par des trous de forage. La diagraphie comprend l'insertion d'instruments de mesure dans le trou de forage, les instruments étant connectés à une extrémité d'un câble électrique armé. Les câbles électriques armés comprennent typiquement au moins un conducteur électrique isolé, qui est utilisé à la fois pour fournir de l'énergie électrique aux instruments et pour transmettre des signaux produits par les instruments à un autre équipement situé à la surface de la terre, pour décoder et interpréter les signaux. De tels câbles comprennent en outre des fils d'armure en acier, enroulés hélicoïdalement autour du conducteur électrique, pour conférer au câble une résistance à la traction et une résistance à l'abrasion. Les signaux produits par les instruments, devant être transmis à la surface de la terre, sont typiquement des signaux électriques. Les signaux peuvent se présenter sous la forme de tensions analogiques ou d'impulsions numériques. Les exigences mécaniques imposées au câble de diagraphie, par exemple une aptitude à la flexion relativement élevée et un faible poids par unité de longueur, nécessitent que le câble et le conducteur électrique soient constitués de fils ayant globalement un petit diamètre. Un câble de diagraphie typique comprend, par exemple, un conducteur électrique constitué de sept brins de fil de cuivre d'un diamètre de 0,33 mm, recouvert d'un isolant en matière plastique d'un diamètre extérieur de 2,44 mm. Le conducteur électrique est généralement caractérisé par une résistance d'à peu près 9 ohms par unité de 305 m de conducteur et présente une capacité de plusieurs picofarads par unité de 30 cm de conducteur. D'autres câbles peuvent comprendre une pluralité de conducteurs agencés en un faisceau central, chaque conducteur ayant à peu près la même conception et les mêmes caractéristiques électriques que le conducteur utilisé dans le câble conducteur unique. En raison des propriétés électriques des conducteurs utilisés dans des câbles de diagraphie typiques, les câbles de diagraphie ne peuvent pas généralement transmettre efficacement des signaux électriques à des fréquences supérieures à 100 kilohertz. Des types récents d'instruments de diagraphie peuvent produire des données à des débits qui rendent difficile et coûteuse la transmission de signaux électriques. Il est bien connu dans l'art antérieur de disposer des fibres optiques dans des câbles de diagraphie, pour permettre l'utilisation de la télémétrie optique, qui est capable d'assurer des fréquences et des débits de transmission de données bien plus élevés que la transmission de signaux électriques. Par exemple, le brevet U.S. No. 4 696 542, délivré à Thompson, décrit un câble de io diagraphie ayant des fibres optiques sensiblement centrées dans des conducteurs en acier, plaqués de cuivre, enroulés hélicoïdalement, les conducteurs eux-mêmes étant recouverts de deux couches de fils d'armure en acier, enroulés hélicoïdalement en sens contraire. Un inconvénient du câble de diagraphie décrit dans le brevet Thompson est que les fibres optiques sont enfermées dans un tube en matière plastique. Les câbles de diagraphie peuvent être exposés, dans le trou de forage, à des pressions hydrostatiques et à des températures, qui sont suffisamment élevées pour exclure l'utilisation d'un tel tube en matière plastique. On peut enfermer les fibres optiques dans un tube en acier. Par exemple, le document "Electro-Optical Mechanical Umbilicals", Vector Cable, Sugar Land, TX (date de publication inconnue) décrit plusieurs câbles que l'on appelle "câbles de remorquage et ombilicaux", qui comprennent des tubes en acier renfermant les fibres optiques. La combinaison câble électrique/câble à fibres optiques, décrite dans le document de Vector Cable, possède des conducteurs électriques de très grand diamètre, qui sont destinés à être utilisés seulement pour le transport de l'énergie électrique; les fibres optiques assurent sensiblement toutes les fonctions de communication de signaux du câble. Pour des raisons connues de l'homme de l'art, l'utilisation de conducteurs d'alimentation en énergie de grand diamètre, comme décrit dans le document de Vector Cable, donne lieu à un câble ayant un si grand diamètre extérieur que l'utilisation de certains équipements de commande à pression hydraulique est exclue. Les câbles décrits dans le document de Vector Cable présentent également des caractéristiques de transmission de signaux électriques nettement différentes de celles des câbles de diagraphie, en raison de la grande taille des conducteurs d'alimentation en énergie. Il est également souhaitable de fournir une combinaison câble électrique/à fibres optiques ayant des conducteurs électriques capables de conserver les capacités de transmission de signaux électriques des câbles de diagraphie électriques connus dans l'art antérieur, de manière que les instruments de diagraphie existants utilisant la télémétrie électrique ne nécessitent pas une reconception. Une combinaison câble de diagraphie à fibre optique/électrique ayant une fibre optique enfermée dans un tube en acier est décrite, par exemple, dans le brevet U.S. No. 4 522 464 délivré à Thompson et al, le câble ayant une fibre optique enfermée dans un tube en acier disposé au centre d'un câble de diagraphie. Les éléments conducteurs du câble, disposés à l'extérieur du tube central contenant la fibre optique, sont constitués d'un fil d'acier plaqué de cuivre, en vue de conférer au câble une résistance mécanique et une résistance aux déformations non élastiques. Le fil d'acier plaqué de cuivre présente typiquement une impédance électrique différente de celle du fil de cuivre ayant une conductance électrique identique. Les éléments conducteurs situés dans le câble de ce document peuvent être difficiles à utiliser pour les fonctions de transmission de signaux électriques connues dans l'art antérieur. Dans un autre mode de réalisation d'un câble de diagraphie décrit dans ce document, un ou plusieurs des conducteurs en acier plaqués de cuivre peuvent être remplacés par des fibres optiques. En remplaçant directement les éléments conducteurs par des fibres optiques, comme décrit dans ce document, une certaine partie de la capacité de transport d'énergie électrique et de transmission de signaux du câble de diagraphie sera perdue, étant donné que les conducteurs substitués sont remplacés par un élément non conducteur, à savoir la fibre optique. En outre, un tel câble comporte un tube en acier pour envelopper la fibre optique, tube qui est soumis à une contrainte non élastique et à un risque de défaillance, suite à des applications et des relâchements répétés d'un effort de 3o traction axiale sur le câble. Le tube, disposé au centre du câble, est exposé à un plus grand étirement axial sous effort de traction que l'un quelconque des fils d'armure, étant donné que les fils d'armure sont enroulés hélicoïdalement autour de l'axe du câble et permettent, par conséquent, un étirement du câble par déroulement de la couche hélicoïdale des fils d'armure, sous effort de traction axiale. Un autre type de combinaison câble de diagraphie à fibres optiques/électrique est décrit dans "Manufacturing and testing of armored fiber optic downhole logging cable" par Randall et al, Wire Journal, Septembre 1980. Le câble décrit dans l'article de Randall et al présente une fibre optique à gainage en matière plastique, pour remplacer un ou plusieurs des conducteurs électriques. Dans le câble de l'article de Randall et al, la fibre optique est exposée à la pression des fluides dans le trou de forage, étant donné qu'elle n'est pas isolée contre la pression. De même, certains des conducteurs électriques sont remplacés par des fibres optiques. Les caractéristiques de transmission électrique d'un câble construit selon la conception de Randall et al, peuvent ne pas posséder les propriétés de transmission électrique qui conviennent pour que ce câble puisse être utilisé avec certains instruments de diagraphie. Une autre combinaison câble de diagraphie à fibre optique/électrique est i5 décrite dans la demande de brevet internationale No. WO 94/28450 et comprend une fibre optique enfermée dans un tube métallique. Le tube métallique peut être entouré par des brins de cuivre tressés, qui sont utilisés pour la conduction d'une énergie électrique et de signaux électriques. Un mode de réalisation de ce câble comprend l'application des tresses en cuivre directement sur le tube métallique. Le tube est disposé au centre du câble, mais le positionnement du tube au centre du câble, comme expliqué ci-dessus, peut exposer le tube et la fibre optique à une contrainte axiale excessive dans certaines situations. En outre, il n'est pas décrit ni proposé de configuration du tube métallique et des tresses en cuivre qui fournisse des caractéristiques d'impédance électrique similaires à celles des fils de cuivre isolés des câbles de diagraphie électriques connus dans l'art antérieur. En fait, le mode de réalisation préféré du câble présente une couche de matériau isolant entre le tube métallique et les tresses en cuivre. Comme le comprendra l'Homme de l'Art, les câbles de diagraphie comprennent typiquement des conducteurs électriques et des fils d'armure extérieurs qui sont respectivement positionnés afin de maintenir une forme de section transversale sensiblement ronde du câble, même après des applications et relâchements répétés d'un effort de traction axiale substantiel sur le câble, tout en exposant davantage le câble à des fortes contraintes de flexion. Comme ceci est évident à l'Homme de l'Art, les applications et relâchements de contraintes de traction axiale et de flexion ont lieu suite à la descente des instruments dans le trou de forage et à leur extraction ultérieure du trou de forage, par enroulement et déroulement du câble à l'aide de différentes poulies qui orientent le câble dans le trou de forage à partir d'un équipement à treuil s prévu pour renvider et dévider le câble. Les câbles de diagraphie connus, n'ayant que des conducteurs électriques, assurent une bonne conservation de la section transversale ronde du câble, car tous les conducteurs présentent des propriétés de traction et de flexion similaires. Un remplacement direct des conducteurs par des fibres optiques, pour procurer un câble de diagraphie 0o ayant des fibres optiques, donnera lieu à un câble qui présente des propriétés de traction et de flexion asymétriques et une résistance à la déformation de la section transversale circulaire du câble, qui peut être réduite. Selon un exemple de la présente invention, un câble de diagraphie comporte des premiers éléments, chacun des premiers éléments comprenant un fil (de renforcement) en acier ou analogue, entouré par des brins (conducteurs de l'électricité) en cuivre ou analogue et recouverts d'un matériau isolant de l'électricité, et au moins un deuxième élément comprenant au moins une fibre optique enfermée dans un tube métallique, des brins (conducteurs de l'électricité) en cuivre ou analogue entourant le tube et étant recouverts par ledit matériau isolant de l'électricité; les premiers éléments et le ou les deuxième(s) élément(s) sont agencés en un faisceau central; le deuxième élément est disposé dans le faisceau de manière à être enroulé hélicoïdalement ou autrement autour d'un axe central du faisceau, par exemple pour être extensible axialement; le faisceau est entouré par des fils d'armure enroulés hélicoïdalement ou autrement sur l'extérieur du faisceau, par exemple de manière à être extensible axialement. Dans un mode de réalisation spécifique de l'invention, le fil en acier ou analogue peut être recouvert de cuivre métallique. Ainsi, un exemple de la présente invention peut être conçu pour procurer o30 un câble de diagraphie ayant au moins une fibre optique, le câble présentant une configuration mécanique et des propriétés mécaniques analogues à celles des câbles de diagraphie électriques connus dans la profession et/ou pour procurer un câble de diagraphie ayant au moins une fibre optique dans un ensemble qui présente des capacités de transport d'énergie et de transmission de signaux électriques, similaires à celles des câbles de diagraphie connus dans la profession. Pour une meilleure compréhension de l'invention, et pour montrer la manière dont cette dernière peut être mise en oeuvre, on se réfèere à présent, à titre d'exemple, aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une coupe transversale d'un câble de diagraphie; la figure 2 représente une coupe transversale détaillée d'un élément conducteur à fibre optique/électrique du câble de la figure 1; et la figure 3 représente une coupe transversale détaillée d'un élément 0o conducteur électrique du câble de la figure 1. Une coupe transversale d'un câble de diagraphie 10 est représentée sur la figure 1. Le câble 10 comprend sept éléments conducteurs, isolés par de la matière plastique, comme expliqué ci-après. Les sept éléments sont typiquement disposés en un faisceau central 15 ayant la forme d'un motif hexagonal sensiblement régulier, dans lequel six des éléments entourent le septième élément, un agencement des éléments connu de l'Homme de l'Art et destiné à fournir une valeur significative de résistance à la déformation de la section transversale sensiblement circulaire du câble 10. Cinq des sept éléments, dénommés premiers éléments et représentés globalement en 16, peuvent être des éléments conducteurs électriques isolés comprenant un fil en acier recouvert de cuivre, qui peut présenter un diamètre d'à peu près 0,69 mm entouré par neuf fils de cuivre, chacun d'entre eux pouvant présenter un diamètre d'à peu près 0,33 mm. Les premiers éléments 16 peuvent comprendre une gaine isolante extérieure, qui peut pouvant être constituée d'une matière plastique résistant à la chaleur et à l'humidité, telle que du polypropylène ou un copolymère éthylène-tétrafluoroéthylène ("ETFE"), par exemple celui vendu sous la marque "TEFZEL" de E. I. du Pont de Nemours & Co. Les deux autres éléments parmi les sept, dénommés deuxièmes éléments et représentés globalement en 18, peuvent comprendre chacun, entre autres choses, une fibre optique disposée dans un tube en acier inoxydable, comme expliqué ci-après. Les deuxièmes éléments 18 sont destinés à fournir des fibres optiques au câble 10 et à présenter des propriétés électriques et mécaniques sensiblement identiques à celles des cinq premiers éléments 16. Le câble 10 comprend deux deuxièmes éléments 18 positionnés symétriquement; 7? 2733005 cependant, il est envisagé que le câble 10 fonctionne, comme prévu, avec les deuxièmes éléments 18 positionnés en l'un quelconque ou la totalité des six emplacements extérieurs sur le motif hexagonal régulier formé par les sept éléments. Les espaces vides dans la structure hexagonale des sept éléments 16 et 18 peuvent être remplis d'un matériau de remplissage, représenté en 17, qui peut être une matière plastique telle que du Néoprène ou de l'ETFE ou comprendre du polypropylène. Le matériau de remplissage 17 maintient la position relative des sept éléments 16 et 18 dans le câble 10. Les éléments 16 et 18 et le matériau de remplissage 17 sont recouverts de fils d'armure en acier galvanisé, enroulés hélicoidalement, formant une gaine d'armure intérieure, représentée en 14. L'armure intérieure 14 est elle-même recouverte extérieurement par des fils d'armure en acier galvanisé, enroulés hélicoïdalement, formant une gaine d'armure extérieure, désignée par 12. La construction de l'armure intérieure 14 et de l'armure extérieure 12 peut être d'un type connu à l'Homme de l'Art, et la structure d'armure est conçue pour conférer au câble 10 une résistance à la traction et une résistance à l'abrasion élevées. Comme connu dans l'art antérieur, sur un câble particulier 10 qui est destiné à être utilisé dans un environnement hostile chimiquement, tel qu'un trou de forage ayant des quantités importantes de sulfure d'hydrogène, les fils d'armure 12 et 14 peuvent, en variante, être constitués d'un alliage cobalt-nickel, tel que celui identifié par le code industriel MNIP-35N. L'un des deuxièmes éléments 18 est représenté plus en détails sur la figure 2. Le deuxième élément 18 peut consister en une fibre optique 22 enfermée dans un tube métallique 24, qui, dans le présent mode de réalisation, est constitué, de préférence, d'acier inoxydable en vue de fournir une résistance à la corrosion. Le tube 24 peut présenter un diamètre extérieur de 0,84 mm et un diamètre intérieur de 0,58 mm. Le tube 24 assure une protection contre l'abrasion et la flexion pour la fibre optique 22 et la met à l'abri des fluides présents dans le trou de forage, dans lequel le câble s'étend lorsqu'il est utilisé. Le tube 24 peut être plaqué de cuivre pour réduire sa résistance électrique. Le tube 24 peut être entouré par douze brins de fil de cuivre, représentés globalement en 26. Les brins de fil 26 peuvent chacun présenter un diamètre de 0,25 mm. La combinaison du tube 24 et des brins 26 fournit un conducteur ayant une résistance électrique inférieure à 10 ohms pour une longueur de 304 mm. Le tube 24 et les brins de cuivre 26 sont en outre recouverts d'une isolation en matière plastique 20, qui peut être constituée d'une matière plastique résistant à la chaleur, telle que l'ETFE ou le polypropylène. Le diamètre extérieur de l'isolation 20 sur le deuxième élément 18 est sensiblement identique au diamètre extérieur de l'isolation sur le premier élément 16, si bien que le motif hexagonal des sept éléments, représenté sur la coupe transversale de la figure 1, peut être sensiblement symétrique, quelle que soit la position relative des deuxièmes éléments 18 dans le motif hexagonal du faisceau 15. On concevra que les deuxièmes éléments 18 peuvent être disposés dans l'une quelconque ou dans la totalité des six positions extérieures de la structure hexagonale représentée sur la figure 1. Le deuxième élément 18 est, de préférence, placé en un emplacement extérieur sur la structure hexagonale du faisceau 15, parce que les éléments 16 et 18 situés aux emplacements extérieurs sont enroulés hélicoïdalement autour de l'élément se trouvant dans la position centrale. Comme le comprendra l'Homme de l'Art, pour des raisons telles qu'une réduction latérale du diamètre primitif avec une contrainte axiale, le déroulement de la couche hélicoïdale et la plus grande longueur globale des éléments extérieurs enroulés hélicoïdalement par rapport à la longueur de l'élément central 18, les éléments disposés à l'extérieur 16 et 18 subissent une contrainte axiale réduite par rapport à l'allongement axial du câble, réduisant de ce fait le risque de défaillance, induite par les contraintes axiales, du tube 24 et de la fibre 22. Dans le présent mode de réalisation, les deuxièmes éléments 18 sont disposés en deux emplacements extérieurs opposés l'un à l'autre dans le motif hexagonal, comme on peut l'observer en se référant à la figure 1. La figure 3 représente plus en détails une coupe transversale d'un premier élément 16. Le premier élément 16 peut comprendre un fil d'acier 28 qui peut être revêtu ou plaqué de cuivre métallique, pour présenter un diamètre extérieur d'à peu près 0,69 mm, réduisant de ce fait la résistance électrique du fil 28. Le fil 28 recouvert de cuivre peut être en outre entouré par neuf brins de cuivre, représentés globalement en 30 et ayant un diamètre extérieur de 0,33 mmn. La combinaison du fil d'acier 28 et des brins de cuivre 30 présente une résistance électrique inférieure à 7 ohms pour une longueur de 305 m. Les brins 30 peuvent être recouverts d'un matériau isolant de l'électricité, tel que du polypropylène ou de l'ETFE. En se référant à la figure 2, les deuxièmes éléments 18 sont conçus de manière que la combinaison du tube 24 et des brins de fil 26 présentent un diamètre extérieur permettant au matériau isolant 20 de conférer au deuxième élément 18 sensiblement la même capacité électrique par unité de longueur, que celles des premiers éléments 16. Par conséquent, le câble assemblé présentera sensiblement les mêmes propriétés de transport d'énergie électrique et de transmission de signaux qu'un câble de diagraphie fabriqué selon l'art antérieur. Bien que le câble de diagraphie décrit présente un nombre total de sept premiers éléments 16 et deuxièmes éléments 18 dans le faisceau central (représenté en 15 sur la figure 1), il est envisagé que des câbles ayant d'autres agencements sensiblement symétriques des premiers éléments 16 et des deuxièmes éléments 18 dans le faisceau central 15, dans lesquels les éléments 16 et 18 sont enroulés hélicoïdalement autour d'un axe central du faisceau 15, présentent également les caractéristiques électriques et mécaniques d'un câble n'ayant que des fils de cuivre dans le faisceau, mais comprennent au moins une fibre optique disposée dans le câble, de manière à minimiser toute contrainte axiale appliquée à la fibre. REVENDICATIONS 1. Câble de diagraphie caractérisé en ce qu'il comprend un faisceau (15) d'éléments conducteurs ayant des fils d'armure (12, 14) qui forment un revêtement extérieur pour le faisceau (15), les éléments conducteurs comprenant des premiers éléments conducteurs (16) et au moins un deuxième élément conducteur (18), qui est positionné dans le faisceau (15) de manière à s'étendre hélicoïdalement autour d'un axe central dudit faisceau (15), les premiers éléments conducteurs comprenant chacun un noyau entouré par des brins de cuivre (26), recouverts d'un matériau isolant de l'électricité, et le ou les deuxième(s) élément(s) conducteur(s) comprenant au moins une fibre optique (22) enfermée dans un tube métallique (24) et des cordons de cuivre entourant ledit tube, ces brins de cuivre étant recouverts d'un matériau isolant de l'électricité, ledit ou lesdits deuxième(s) élément(s) conducteur(s) ayant une impédance électrique sensiblement identique à celle de l'un desdits premiers éléments conducteurs (16). 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans chaque premier conducteur, le noyau est un fil d'acier. 3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau isolant comprend de l'ETFE. 4. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau isolant comprend du polypropylène. 5. Câble selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit tube métallique (24) comprend de l'acier inoxydable. 6. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit noyau est recouvert de cuivre métallique. 7. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit faisceau (15) présente un nombre total de sept éléments conducteurs, consistant en lesdits premiers éléments conducteurs (16) et au moins l'un desdits deuxièmes éléments conducteurs (18). 8. Câble selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit faisceau (15) comprend deux desdits deuxièmes éléments conducteurs (18) et cinq desdits premiers éléments conducteurs (16), ledit faisceau (15) étant agencé selon un motif hexagonal sensiblement régulier. 1l 9. Câble selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits deux deuxièmes éléments conducteurs (18) sont dans des positions opposées l'une à l'autre et sont enroulés hélicoïdalement autour de l'un desdits premiers éléments conducteurs (16), placé en position centrale. 10. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un matériau de remplissage (17) est disposé dans ledit faisceau (15). 11. Câble selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit matériau de remplissage (17) comprend du polypropylène. 12. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les fils d'armure (12, 14) s'étendent hélicoidalement autour du faisceau (15). 13. Câble selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits fils d'armure(12, 14) comprennent deux couches contiguës coaxiales de fils enroulés hélicoïdalement. 14. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que lesdits fils d'armure (12, 14) sont constitués d'acier galvanisé. 15. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que lesdits fils d'armure (12, 14) sont constitués d'un alliage cobalt-nickel.