Brevet FR2734314A1 — publié le 19961122

La présente invention concerne un dispositif d'ancrage à bras escamotables, et à flexibilité ajustable, adapté à maintenir par intermittence à l'intérieur d'un puits de forage o il est descendu à l'extrémité d'un câble, un outil (ou une sonde) équipé d'un appareillage de mesure utilisable en particulier en prospection sismique, ainsi qu'un ensemble d'intervention utilisant ce dispositif. Un tel outil ou sonde peut être équipé par exemple de capteurs sismiques tels que des géophones pour recueillir des ondes sismiques de type P ou S transmises par une source d'ébranlements sismiques disposée par exemple en surface et renvoyées par les discontinuités du sous-sol. La sonde est équipée par exemple d'un appareillage de mesure destiné à l'étude des formations géologiques rencontrées ou à la réalisation d'opérations de prospection sismique des formations traversées par le puits de sondage. Les outils ou sondes sont descendus dans des puits à l'extrémité d'un câble qui est le plus souvent un câble électro-porteur. Ils sont pourvus généralement de un ou plusieurs bras pivotants que l'on peut ouvrir ou fermer à volonté par des moyens moteurs. Dans les applications en géophysique par exemple les capteurs sismiques sont disposés de façon à être plaqués avec une force suffisante contre la paroi du puits par l'ouverture des bras d'ancrage. Il est usuel pour obtenir un couplage suffisant, que la force d'ancrage soit égale à plusieurs fois le poids de l'outil Les moyens moteurs permettant de faire pivoter les bras peuvent être de type hydraulique. Un moteur électrique commandé depuis une installation de surface entraîne une pompe hydraulique qui alimente en fluide sous pression soit un vérin unique agissant sur les bras pivotants par l'intermédiaire de biellettes, soit des vérins agissant directement sur les bras pivotants. La force appliquée aux bras est indépendante de leur écartement par rapport au corps de la sonde. Ces moyens moteurs peuvent être aussi électro-mécaniques et comporter par exemple une vis sans fin entraînée en rotation par un moteur électrique commandé également depuis la surface. La rotation de la vis déplace un écrou duquel sont solidaires une ou plusieurs biellettes reliées aux bras pivotants. Pour des raisons de sécurité, afin que les bras puissent toujours être rétractés même en cas d'arrêt du moteur d'entraînement, les extrémités des biellettes peuvent être assujetties à une bague sur laquelle prend appui un ressort. La 2 2734314 détente de celui-ci a pour effet de pousser la bague et de provoquer l'écartement des bras. Le moteur n'est utilisé que pour la fermeture des bras. Le déplacement de l'écrou commandé par la rotation de la vis sans fin entraîne l'éloignement de la bague et la compression du ressort. En cas d'arrêt du moteur, le recul de la bague, lié à la compression du ressort, permet le rapprochement des bras. Ces agencements à liaison élastique ont pour inconvénient que les ressorts nécessaires pour obtenir une force d'appui importante, dans le domaine de la géophysique par exemple, sont le plus souvent lourds et encombrants, ce qui complique la construction des outils de section relativement faible adaptée celle des puits généralement forés. Le dispositif d'ancrage selon l'invention permet l'ancrage intermittent d'un outil ou sonde descendu dans un puits, relié à une installation de surface par un câble électro-porteur, par déplacement d'un élément d'ancrage tel qu'un bras mobile articulé par rapport au corps de l'outil, entre une position rétractée proche du corps et une position d'écartement, en évitant les inconvénients liés à l'utilisation de ressorts pour créer des forces élastiques d'ouverture. Il comporte, placés dans le corps de l'outil, une pompe hydraulique actionnée par des moyens d'entraînement, un piston séparant de façon étanche une cavité allongée du corps en deux chambres, le piston étant déplaçable dans la cavité sous l'action de deux forces antagonistes. Il est caractérisé en ce qu'il comporte une réserve de gaz sous pression pour créer une première de ces deux forces dans une deuxième chambre, la deuxième force étant créée sur commande dans la première chambre par un fluide hydraulique délivré par la pompe hydraulique, par l'intermédiaire d'une électro-vanne, la détente du gaz tendant à déplacer le piston dans un sens tel qu'il provoque une ouverture de chaque élément d'ancrage, la deuxième force étant utilisée pour refermer ledit élément mobile. Les moyens de déplacement de chaque élément d'ancrage comportent par exemple un vérin hydraulique constitué d'un cylindre ou coulisse une biellette, le piston comporte une tige coulissant de façon étanche dans une chambre remplie d'un liquide hydraulique, cette chambre communiquant avec le cylindre de chaque vérin hydraulique. La pompe est disposée par exemple dans une chambre du corps communiquant avec une chambre de compensation pour l'adaptation en permanence de la pression du fluide hydraulique de la chambre avec la pression régnant à l'extérieur de l'outil. Pour modifier la raideur du ressort constitué par le volume de gaz dans la deuxième chambre on peut utiliser par exemple une butée réglable ou placer des éléments dans la deuxième chambre contenant le gaz sous pression pour faire varier son volume mort. Le dispositif comporte avantageusement des moyens de régulation de la pression de la pression du gaz dans la deuxième chambre L'invention concerne aussi un ensemble d'intervention pour puits qui se distingue principalement en ce qu'il comporte au moins un outil de puits utilisant le dispositif d'ancrage ci-dessus défini, cet outil comprenant des logements pour des capteurs et au moins un compartiment pour des moyens électroniques d'adaptation des signaux délivrés par les capteurs. La force qui permet l'ancrage de chaque élément mobile dans les parois est ici créée par une réserve de gaz sous pression de volume et de masse beaucoup plus faibles que ceux occupés par les ressorts dans les dispositifs antérieurs. La force d'ancrage peut en outre être facilement modifiée par changement de la pression de confinement du gaz dans la deuxième chambre avant la descente de l'outil dans le puits ou éventuellement in situ au moyen d'une réserve de gaz sous pression logée dans le corps. On peut également modifier la raideur de cette masse gazeuse en changeant le rapport des volumes maximal et minimal de cette deuxième chambre. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation décrit à titre d'exempls non limitatif, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig.1 montre schématiquement en coupe le corps de l'outil muni du dispositif de manoeuvre; - la Fig.2 montre un exemple de courbe de variation de la force F1 développée par le volume de gaz en fonction du déplacement X du piston, pour une première valeur VM1 = 0 du volume mort VM (volume de gaz derrière le piston en position de recul); et - la Fig.3 montre un autre exemple de courbe P de variation de la force développée par le volume de gaz en fonction du déplacement X du piston, pour une autre valeur VM2 = 110 cm3 du volume mort, et par comparaison la courbe M de variation linéaire de la force développée par un ressort mécanique. Le corps 1 de l'outil ou sonde est descendu dans un puits 2 suspendu à un câble électro-porteur multi-brins d'un type connu 3. Il peut être plaqué avec force contre la paroi par pivotement d'au moins un et de préférence deux bras d'ancrage 4 depuis une postion de retrait au contact du corps jusqu'à une position d'écartement 41 et désancré par un mouvement inverse. Les mouvements de chaque bras d'ancrage 4 sont commandés par la translation d'une biellette 5 dans un cylindre 6 disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'outil 1 Dans une cavité cylindrique 7 disposée suivant l'axe longitudinal du corps 1, coulisse un piston 8 muni de joints d'étanchéité 10, qui sépare la cavité de façon étanche en deux chambres 7a, 7b. La première chambre 7a est remplie de liquide et communique par des canaux 11 munis d'une électro- vanne de commande (non représentée), avec une deuxième cavité 12 contenant une pompe hydraulique 13. Cette pompe 13 est actionnée par un moteur électrique 14 relié par des conducteurs 15 aux conducteurs du câble électro-porteur 3. La deuxième chambre 7b, de l'autre côté du piston 8, contient un gaz sous pression. La tige 9, de part et d'autre du piston 8, se déplace de façon étanche dans deux chambres coaxiales 16a, 16b prolongeant la première cavité 7 respectivement à ses deux extrémités opposées et de section inférieure à celle des deux chambres 7a, 7b. Du côté de la première chambre 7a, la chambre 16a est remplie de liquide hydraulique et communique avec chaque cylindre 6 par un canal C. La section de ce canal C est choisie suffisamment faible pour constituer un filtre passe-bas qui empêche le transfert vers le piston 8 et la masse gazeuse dans la chambre 7b des vibrations qui peuvent lui être transmises par les bras d'ancrage 4. La chambre 16b communique en permanence avec la cavité 13 de la pompe. La pression du fluide hydraulique de la pompe 13 est maintenue en permanence à une pression égale à la pression hydrostatique régnant dans le puits, par un cylindre d'équilibrage 17 ouvrant sur l'extérieur du corps 1, o coulisse un piston libre 18. En position de recul o le gaz est le plus comprimé, le piston 8 est en appui sur une butée 19. Les capteurs de vibrations 20 tels qu'un géophones tri-axes ou triphone, sont placés de préférence dans des logements 21 à proximité de l'un au moins des points o s'exerce la force d'ancrage plaquant le corps 1 de l'outil contre la paroi du puits 2. Les capteurs 20 sont connectés par des conducteurs (non représentés) à un module d'amplification et de filtrage 22 disposés dans un compartiment 23 du corps. Lorsque plusieurs outils ou sondes sont descendus dans un puits en chapelet, on place dans le compartiment 23 de la sonde en tête (la plus proche de la surface), un module de communication 24 destiné au codage et au décodage des données (ordres de la station de surface et réponses envoyées par l'équipement de puits) transmises sur les lignes du câble électro- porteur 3. Fonctionnement: L'outil (ou le chapelet d'outils éventuellement) est descendu dans le puits. Parvenu à une profondeur o des opérations de mesure doivent être menées, on commande l'ouverture de l'électro- vanne sur chaque canal 11, ce qui libère chaque piston 8 de la pression hydraulique qui le maintient en position de recul contre la butée 19. Le gaz sous pression dans la chambre 7b repousse alors le piston 8 qui comprime le fluide dans la chambre 7a. La pression du gaz est est par voie de conséquence, transmise au fluide dans les cylindres 6 et les biellettes 5 se déplacent provoquant une ouverture des bras 4 jusqu'à leur ancrage contre la paroi du puits 2. Sur la Fig.3 sont représentées les courbes de variation de la force d'ancrage en fonction du déplacement du piston, l'une, P. développée par une masse de gaz (volume mort de 110 cm3), l'autre, M, par un ressort mécanique beaucoup plus volumineux de diamètre 8 cm, de longueur 20 cm et formé avec du fil de diamètre 1 cm. On voit aussi que le ressort pneumatique utilisé est plus efficace qu'un tel ressort mécanique sur une plage relativement longue d'élongation. L'utilisation de ce ressort pneumatique, simplifie donc la construction du corps de l'outil. Lorsque les opérations en cours à cette profondeur d'arrêt sont terminées et que l'outil ou le chapelet d'outils doit être déplacé jusqu'à une profondeur différente, on commande l'alimentation du moteur électrique 14 pour mettre en pression le fluide hydraulique délivré par la pompe 13 et faire reculer 6 2734314 lepiston 8 jusqu'à la butée 19. On ferme alors chaque électro-vanne commandant les canaux 11. Du fait de l'élasticité du gaz sous pression de la chambre 7b, les bras en position d'ouverture possèdent une certaine latitude de mouvement si bien que l'outil peut être néanmoins être remonté jusqu'à la surface dans le cas éventuel o l'ensemble moteur électrique-pompe hydraulique 13, 14 ne répond pas o ne délivre pas la pression requise pour une raison quelconque. En changeant le rapport entre le volume maximal de la chambre 7b et le volume mort (volume minimal de la chambre 7b quand le piston 8 est appliqué contre la butée 19), on peut faire varier dans de grandes proportions la raideur du ressort constitué par le gaz. On peut choisir une zone de fonctionnement, o la raideur K, qui est la valeur de la pente de la courbe (Fig.2) varie sensiblement avec l'élongation ( zone A) ou une autre (zone B) o elle est sensiblement constante. On peut faire varier la raideur K au moyen d'une butée 19 réglable, soit encore en plaçant un ou plusieurs disques dans la chambre 7b annulaire, de façon à diminuer le volume mort. La force d'ancrage dépend de la pression du gaz dans la chambre 7b. On peut la modifier facilement en changeant la pression d'injection du gaz, soit en surface avant la descente des outils, soit en cours d'opérations à partir d'un accumulateur à gaz (non représenté) chargé sous haute pression, qui est placé dans le corps des outils. Le dispositif comporte aussi de préférence des moyens de contrôle non représentés, permettant d'ajuster la pression dans la chambre 7b pour tenir compte des variations de la température régnant dans le puits soit par échappement de gaz à l'extérieur du corps 1, soit par injection depuis l'accumulateur de gaz, de façon à obtenir une force d'ancrage de préférence sensiblement uniforme. On peut vérifier aisément que le volume de gaz nécessaire pour obtenir une force d'ancrage égale à plusieurs fois le poids de l'outil ou sonde, est relativement faible (de l'ordre de 100 à 200 cm3) par rapport à celui qu'occuperait un ressort capable de fournir une force d'ancrage équivalente. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant chaque bras mobile 4 par tout élément d'ancrage équivalent: piston, sabot etc., déplaçable par action sur les biellettes 5. 7 2734314 On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en utilisant un seul dispositif de manoeuvre mixte hydraulique-pneumatique tel que décrit ci- dessus, placé dans un corps de sonde principal, pour commander l'ouverture des bras de plusieurs sondes satellites reliées à la sonde principale par des moyens de liaison décrits par exemple dans les brevets FR 2 636 741 et FR 2 685 139. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'ancrage intermittent d'un outil ou sonde (1) descendu dans un puits (2), relié à une installation de surface par un câble électro-porteur (3), par déplacement d'au moins un élément d'ancrage (4) tel qu'un bras mobile articulé par rapport au corps de l'outil, entre une position rétractée proche du corps et une position d'écartement o il est ancré dans la paroi du puits, associé à des moyens de déplacement, comportant, placés dans le corps de l'outil, une pompe hydraulique (13) actionnée par des moyens d'entraînement (14), un piston (8) séparant de façon étanche une cavité allongée (7) du corps en une première et une deuxième chambres (7a, 7b), le piston (8) étant déplaçable dans la cavité (7) sous l'action de deux forces antagonistes, caractérisé en ce qu'il comporte une réserve de gaz sous pression pour créer une première de ces deux forces dans la deuxième chambre (7b), la deuxième force étant créée sur commande dans la première chambre (7a) par un fluide hydraulique délivré par la pompe hydraulique (13), par l'intermédiaire d'une électro-vanne, la détente du gaz tendant à déplacer le piston (8) dans un sens tel qu'il provoque une ouverture de chaque élément d'ancrage (4), la deuxième force engendrée par la pompe hydraulique (13) étant utilisée pour refermer ledit élément mobile. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de chaque élément d'ancrage comportent un vérin hydraulique constitué d'un cylindre (6) ou coulisse une biellette (5), le piston (8) comporte une tige (9) coulissant de façon étanche dans une chambre (16a) et remplie d'un liquide hydraulique, cette chambre (16a) communiquant avec le cylindre de chaque vérin hydraulique. 3) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe est disposée dans une chambre (12) du corps (1) communiquant avec une chambre de compensation (17, 18) pour l'adaptation en permanence de la pression du fluide hydraulique de la chambre (12) avec la pression régnant à l'extérieur de l'outil (1). 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier la raideur du ressort constitué par le volume de gaz dans la deuxième chambre (7b). 9 2734314 ) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens pour modifier la raideur comportent une butée réglable (19). 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour modifier la raideur comportent des éléments placés dans la deuxième chambre pour faire varier son volume. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation de la pression du gaz dans la deuxième chambre (7b). 8) Ensemble d'intervention pour puits, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un outil de puits (1) utilisant le dispositif selon l'une des revendications précédentes, cet outil comprenant des logements pour des capteurs (20) et au moins un compartiment (21) pour des moyens électroniques d'adaptation des signaux délivrés par les capteurs (20). 9) Ensemble d'intervention selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs outils de puits, le dispositif étant utilisé pour commander la manoeuvre des éléments d'ancrage de plusieurs desdits outils de puits.