Brevet FR2742795A1 — publié le 19970627

La présente invention concerne un dispositif mobile destiné à réaliser le prélèvement sélectif simultané de liquides à différents niveaux d'un forage. On sait que les méthodes classiques de récupération de liquides par pompe immergée dans les forages ne permettent pas de distinguer entre eux les divers liquides souterrains provenant des différents niveaux ou horizons géologiques. On a proposé, dans le domaine des forages profonds, tels que celui des forages pétroliers, d'isoler un niveau déterminé au moyen d'un bouchon obturateur dit "packer", de façon à pomper le liquide contenu dans le volume situé au-dessus ou au-dessous du bouchon obturateur. Une telle méthode ne permet pas de recueillir des échantillons de liquide provenant d'une série de niveaux sélectionnés spécifiques. On a proposé par ailleurs, dans le domaine des faibles profondeurs, de disposer dans un forage un tube rigide dont la paroi est percée d'une série d'orifices, aux différents niveaux auxquels on souhaite effectuer les prélèvements de liquide, ces orifices étant raccordés à des tuyaux remontant jusqu'à la surface du sol, à partir de laquelle on aspire simultanément les liquides à recueillir aux différents niveaux spécifiques choisis. Outre qu'une telle méthode ne peut être mise en oeuvre qu'à faible profondeur, en raison de la longueur du tube rigide nécessaire, les prélèvements effectués aux différents niveaux ne sont pas isolés les uns des autres, si bien que, malgré le fait que l'aspiration est effectuée à tous les niveaux simultanément, il y a mélange entre eux des différents prélèvements. On a également proposé de disposer sur la totalité ce la profondeur d'un forage un tube dont les parois sont perméables aux gaz et aux liquides et qui comporte des moyens d'étanchéité prévus entre la surface externe du tube et la surface interre du puits, de façon à définir une succession de chambres isolées les unes des autres à partir desquelles on aspire le fluide aux différents niveaux correspondants. I1 s'agit là d'un dispositif posé à demeure, à titre définitif, qui est destiné à effectuer la surveillance du puits. Un tel dispositif, présente de notables inconvénients et notamment d'être d'une mise en oeuvre onéreuse, et de nécessiter, pour faire un prélèvement à une profondeur déterminée, d'équiper préalablement le puits sur toute sa profondeur. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de prélèvement qui soit utilisable à des profondeurs quelconques, qui assure une parfaite séparation des liquides recueillis aux différents niveaux de prélèvement, et qui soit d'une mise en oeuvre peu onéreuse. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif mobile de prélèvement sélectif de liquides géologiques à différents niveaux d'un forage, caractérisé en ce qu'il comporte: - un élément cylindrique, de plus faible diamètre que le forage, apte à être positionné dans celui-ci au niveau où l'on souhaite effectuer un prélèvement, - des moyens obturateurs gonflables disposés en périphérie de l'élément cylindrique et aptes à être appliqués contre la face interne du forage de façon à créer, lorsqu'ils sont gonflés, entre celle-ci et la paroi externe de l'élément cylindrique, au moins trois chambres annulaires, - des moyens de communication entre les chambres annulaires et la surface du sol, par lesquels on peut extraire les liquides géologiques admis dans lesdites chambres. La présente invention permet ainsi d'isoler les prélèvement effectués aux différents niveaux, afin que chacun d'eux ne soit pas perturbé par les prélèvements adjacents. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention les moyens de communication comportent des moyens d'aspiration. Dans ce mode de mise en oeuvre on confère aux moyens d'extraction des deux chambres extrêmes, un débit supérieur à celui des chambres centrales. Dans ces conditions, le fluide aspiré au niveau des chambres extrêmes de plus forte aspiration ne peut alors s'écouler dans les chambres annulaires centrales, si bien que le fluide recueilli dans ces dernières est constitué du seul liquide s'écoulant au niveau spécifique de celles-ci.On pallie ainsi d'une part au défaut éventuel d'étanchéité existant entre les moyens obturateurs et les parois du forage, notamment lorsque les parois de celui-ci forment un massif filtrant, et d'autre part à l'admission en un niveau de prélèvement déterminé de fluides provenant de couches de niveaux différents, qui suivent des zones de porosité du terrain, et "court-circuitent" ainsi les moyens d'étanchéité destinés à assurer la séparation des différentes zones de prélèvement. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention le dispositif préleveur comporte, en surface du forage, à la sortie des moyens de communication, des moyens d'analyse des paramètres physiques et/ou chimiques du liquide prélevé. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue schématique partielle en coupe verticale et longitudinale d'un forage équipé d'un dispositif suivant l'invention. La figure 2 est une vue schématique partielle en coupe verticale et longitudinale d'une variante de mise en oeuvre de l'invention. On a représenté sur la figure 1 un dispositif préleveur 1 suivant l'invention qui est disposé dans un forage 3 creusé dans le sol 5, avec lequel on souhaite effectuer des prélèvements spécifiques des liquides s'écoulant à des niveaux N1,N21N3. Le dispositif préleveur 1 est constitué d'un corps métallique et cylindrique 7, d'un diamètre externe d inférieur au diamètre D du forage 3, de façon qu'il puisse recevoir, sur sa périphérie, quatre obturateurs 9a,9b,9c,9d constitués de ballons de forme annulaire qui sont pourvus de moyens (non représentés sur le dessin) permettant d'assurer leur gonflage/dégonflage à partir de la surface du sol. Lorsque les obturateurs 9a,9b,9c,9d sont à l'état gonflé, ils sont appliqués à la fois contre la paroi interne du forage 3 et la paroi externe du corps 7 du préleveur, ce qui définit ainsi trois chambres d'isolement annulaires, respectivement du haut vers le bas une chambre amont 10a, une chambre centrale 10b et une chambre aval 10c. Les moyens de gonflage et dégonflage des obturateurs 9a,9b,9c,9d sont constitués d'un dispositif permettant respectivement d'injecter et d'aspirer un fluide, et notamment un liquide tel que de l'eau, dans ces derniers. Le corps 7 du dispositif préleveur 1 comporte, sur sa périphérie, trois orifices 12a,12b,12c qui débouchent respectivement entre les obturateurs 9a,9b,9c,9d destinés à constituer les chambres d'isolement 10a,10b,10c, et qui sont respectivement réunis par des canalisations 13a,13b,13c à des moyens d'aspiration, disposés en surface, non représentés sur le dessin. La mise en oeuvre du dispositif préleveur s'effectue ainsi que décrit ci-après. Les obturateurs 9a,9b,9c,9d étant à l'état dégonflé le dispositif préleveur 1 est descendu dans le forage 3, jusqu'à ce que les orifices d'aspiration 12a,12b,12c de celui-ci se trouvent respectivement en face des niveaux N1, N2 et N3 où l'on souhaite effectuer les prélèvements, puis l'on active les moyens de gonflage des obturateurs 9a,9b,9c,9d pour appliquer ces derniers contre la paroi interne du forage 3, de façon à former les chambres d'isolement annulaires 10a,10b,10c. Le gonflage des obturateurs 9a,9b,9c,9d peut bien entendu s'effectuer par insufflation d'un gaz sous pression. Cependant on préférera, pour des raisons de facilité de mise en oeuvre, injecter dans les obturateurs une quantité connue déterminée d'un liquide. On aspire ensuite, par les canalisations 13a,13b,13c, les liquides recueillis dans les chambres d'isolement 10a,10b,10c, et qui correspondent donc aux liquides provenant des niveaux de terrain N1,N2,N3. Cependant, dans certains types de forages, il advient que l'étanchéité existant entre un obturateur et la paroi interne du forage n'est pas suffisante pour empecher un écoulement, ou que des zones formées de matériaux poreux autorisent un passage de liquide entre deux zones voisines, si bien que le liquide recueilli dans une chambre contient une certaine proportion des liquides provenant de niveaux différents. La présente invention permet, d'éviter ce type d'inconvénient. Ainsi, dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, on fait en sorte que l'aspiration qui est réalisée au niveau des chambres extrêmes amont et aval 10a et 10c soit supérieure à celle effectuée au niveau de la chambre centrale 10b. Cette aspiration, plus forte dans les chambres extrêmes 10a,10c, a pour effet de créer un contre courant qui s'oppose au passage de liquides provenant de niveaux différents N1 et N3 dans la chambre centrale 10b. On recueille ainsi dans les chambres amont et aval 10a,10c du liquide de fuite qui aurait du aller dans la chambre centrale 10b mais, par contre, il n'est pas possible au liquide de fuite provenant des niveaux amont N1 et aval N3 de pénétrer dans la chambre centrale 10b, en raison de ce contre courant.On conservera alors, à fin d'analyse, le seul liquide recueilli dans la chambre centrale 10b. Bien entendu, on pourrait prévoir suivant l'inventicn un nombre quelconque de chambres d'isolement. Par ailleurs, dans les forages de forte profondeur, l'aspiration seule peut se révéler insuffisante pour remonter le liquide jusqu'à la surface. On peut alors, ainsi que représenté sur la figure 2, disposer des clapets antiretour 19a,19b,19c sur les canalisations 13a,13b,13c, à proximité des orifices 12a,12b,12c, et faire déboucher en amont de ces clapets une canalisation 21 par laquelle on insuffle un gaz sous pression et notamment de l'air, qui refoule vers la surface le liquide précédemment aspiré dans chacune des chambres de prélèvement 10a, 10b et 10c. On réalise ainsi successivement des phases d'aspiration des liquides prélevés par les canalisations 13a,13b,13c suivies de phases de refoulement par injection de gaz dans la canalisation 21. Le dispositif suivant l'invention permet de réaliser plusieurs prélèvements consécutifs dans un même puits, sans nécessiter, entre ces différents prélèvements, d'être remonté à la surface. En effet, pour passer d'un niveau de mesure donné, à un niveau de mesure différent, il suffit, à partir de la surface, de commander le déplacement du dispositif au niveau choisi pour la nouvelle mesure, de gonfler les éléments obturateurs, d'effectuer le prélèvement, et enfin de dégonfler les éléments obturateurs, pour le déplacer à nouveau. Le présent dispositif permet même d'effectuer des prélèvements de façon quasi continue sur toute la hauteur d'un puits. Il est ainsi possible de disposer, en surface, des capteurs permettant d'effectuer des mesures de paramètres physiques et/ou chimiques sur les liquides prélevés. Il est ainsi possible de faire appel à des capteurs qui ne peuvent pas être utilisés en profondeur, soit notamment en raison de leur encombrement ou de leur manque de résistance à la pression. La présente invention permet ainsi de réaliser une diagraphie, c'est-à-dire une acquisition en continu de mesures effectuées sur tout ou partie de la profondeur du puits. La mise en oeuvre d'une telle opération nécessite de connaître à tout instant la profondeur à laquelle le prélèvement a été effectué. On pourra, pour ce faire, en mesurant le débit du fluide recueilli en surface ainsi que la vitesse de déplacement du dispositif, déterminer ladite profondeur. Il est ainsi possible, lors de la descente du dispositif de prélèvement dans le forage, c'est-à-dire lorsque les éléments obturateurs sont dégonflés, d'effectuer une série de mesures en continu permettant d'obtenir, en fonction de la profondeur, des informations sur l'état des différents paramètres physicochimiques existant dans le puits, de façon que, à la remontée du dispositif, c'est à dire lorsque l'on effectue les prélèvements, ces derniers puissent être mieux ciblés aux profondeurs spécifiques intéressantes détectées lors de la descente. REVENDICATIONS 1.- Dispositif mobile de prélèvement sélectif de liquides géologiques à différents niveaux d'un forage, caractérisé en ce qu'il comporte: - un élément cylindrique (7), de plus faible diamètre que le forage (3), apte à être positionné dans celui-ci au niveau où l'on souhaite effectuer un prélèvement, - des moyens obturateurs (9a,9b,9c,9d) gonflables disposés en périphérie de l'élément cylindrique (7) et aptes à être appliqués contre la face interne du forage (3), de façon à créer, lorsqu'ils sont gonflés, entre celle-ci et la paroi externe de l'élément cylindrique (7), au moins trois chambres annulaires (lOa,lOb,lOc), - des moyens de communication (13a,13b,13c) entre les chambres annulaires (lOa,lOb,lOc) et la surface du sol, par lesquels on peut extraire les liquides géologiques admis dans lesdites chambres (lOa,lOb,lOc). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens obturateurs (9a,9b,9c,9d) sont constitués de ballons de forme sensiblement torique. 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens de gonflage/dégonflage des ballons sont constitués de moyens aptes à injecter/aspirer un volume donné de liquide à l'intérieur de ceux-ci. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de communication sont pourvus de moyens d'aspiration des liquides contenus dans les chambres annulaires (l0a,lOb,1Oc) 5. Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection (21) d'un gaz sous pression débouchant dans des conduites d'aspiration (13a,13b,13c) du liquide, en communication avec chacune desdites chambres (1Oa,lOb,l0c) en amont d'un clapet antiretour (19a,19b,19c) assurant l'obturation de la partie aval de chaque conduite (13a,13b,13c). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur permettant de réaliser une mesure de paramètres physiques et/ou chimiques dans le forage. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en surface du forage, en sortie des moyens de communication, des moyens d'analyse des paramètres physiques et/ou chimiques du liquide prélevé.