Brevet FR2767861A1 — publié le 19990305

L'invention a trait au domaine des câbles électriques armés utilisés pour la diagraphie des puits (ou forages). Plus particulièrement, l'invention a trait à des câbles de diagraphie de puits qui comprennent une ou plusieurs fibres optiques pour communiquer des données et/ou contrôler des signaux entre la surface du sol et des instruments de diagraphie fixés à une extrémité du câble de diagraphie. Les câbles électriques de diagraphie de puits comprennent de façon typique un ou plusieurs conducteurs électriques isolés entourés d'une pluralité de fils d'armature en acier qui confèrent au câble une résistance à la traction et à l'abrasion. Les conducteurs électriques transmettent la puissance électrique aux instruments de diagraphie de puits fixés à une extrémité du câble et transmettent des données et/ou contrôlent des signaux entre l'équipement situé à la surface du sol et les instruments de diagraphie. Certains instruments de diagraphie transmettent des données de signaux à des vitesses telles qu'il est difficile d'utiliser des conducteurs électriques pour de telles transmissions de données. En utilisant de tels instruments de diagraphie de puits il est souhaitable d'utiliser des fibres optiques pour véhiculer télémétriquement les données optiques, en raison de ce que la télémétrie optique a de façon typique une plus grande capacité de vitesse de transmission des données que la télémétrie électrique. Les instruments de diagraphie utilisant la télémétrie optique devrait de préférence recevoir la puissance électrique depuis la surface du sol par l'intermédiaire du câble de diagraphie, comme cela est le cas pour les instruments de diagraphie de télémétrie électrique, de sorte qu'un câble de diagraphie comprenant une combinaison conducteurs électriques/fibres optiques est souhaitable. Plusieurs types de combinaisons fibres optiques/conducteurs électriques sont connues de l'art. Une brochure commerciale intitulée "Electro-Optical Mechanical Umbilicals", publiée par Vector Cable, Sugar Land, Tex. (date de publication inconnue) divulgue plusieurs configurations de câbles électriques comprenant à la fois des fibres optiques et des conducteurs électriques entourés de fils d'armature en acier. Les câbles divulgués dans la brochure de Vector Cable Company ont toutefois typiquement un diamètre extérieur de 2/3 de pouce (16,93 mm) ou davantage, ce qui les rend pratiquement inutilisables pour un usage comme câbles de diagraphie. Des câbles de diagraphie de puits typiques ont un diamètre extérieur qui ne dépassent pas 17/32 de pouce (13,49 mm). Ceci est essentiellement dû aux limitations d'encombrement imposées à l'instrumentation de surface d'un puits, et comme connu de l'art, également, à l'utilisation d'un certain équipement de contrôle de la pression s'exerçant sur la ligne dans le puits, équipement dont l'utilisation est rendue plus difficile au fur et à mesure que le diamètre du câble de diagraphie s'accroît. Un autre type de câble combinant fibre optique/conducteur électrique est divulgué par le brevet U.S.4.697.875 (PRIAROGGIA). Le câble divulgué dans le brevet PRIAROGGIA '875 ne convient pas du tout à l'utilisation en tant que câble de diagraphie parce que les conducteurs électriques sont disposés à l'extérieur d'un organe de force en fil d'acier, et sont recouverts à l'extérieur d'une chemise en matière plastique. Comme il est connu de l'art de la diagraphie, le câble de diagraphie typique devrait avoir à l'extérieur un matériau résistant à l'abrasion tel que l'acier. D'autres câbles de diagraphie à combinaison fibre optique/conducteur électrique sont divulguées dans le brevet U.S4.696.542 (THOMPSON) et le brevet U.S.-n 4.522.464 (THOMPSON et al.). Les câbles divulgués dans ces brevets ont des limites à leur usage en tant que câbles de diagraphie, bien exposées dans le brevet U.S.-5.495.547 (RAFLE et al.). De façon plus spécifique, les câbles divulgués dans les brevets THOMPSON '542 et THOMPSON et al '464 n'ont pas, aussi élevées qu'il serait souhaitable, les caractéristiques mécaniques et électriques des câbles de diagraphie qui n'ont que des conducteurs électriques. Avoir de telles propriétés électriques et mécaniques est souhaitable dans un câble de diagraphie pour permettre l'utilisation de tels câbles de diagraphie dans des situations où les instruments de diagraphie fixés au câble ne comprennent que la télémétrie électrique, évitant ainsi la nécessité d'avoir différents types de câbles disponibles pour chaque type de système d'instrument de télémétrie. Le brevet RAFLE et al '547 divulgue plusieurs configurations d'un câble de diagraphie à combinaison fibre optique/conducteur électrique qui conservent les caractéristiques mécaniques et électriques préférées des câbles de diagraphie conventionnels qui n'ont que des conducteurs électriques. Les câbles divulgués par RAFIE et al '547 nécessitent toutefois des appareils de raccordement chers et difficiles à utiliser pour effectuer les raccordements électriques et optiques aux instruments de diagraphie fixés à l'extrémité du câble. Ce qui est nécessaire c'est une combinaison du câble de diagraphie fibre optique/conducteur électrique qui conserve les caractéristiques électriques et mécaniques d'un câble de diagraphie électrique conventionnel n'ayant que des conducteurs électriques, et qui comporte la possibilité de raccordement électrique et mécanique aux instruments de diagraphie utilisant les techniques de connexion conventionnelles électriques/mécaniques. L'invention a pour objet un câble de diagraphie à combinaison fibre optique/conducteur électrique. Le câble comprend au moins un conducteur électrique isolant et une pluralité de fils d'armature entourant le conducteur électrique. Dans une forme de réalisation de l'invention, le câble comprend sept conducteurs électriques isolants disposés selon une configuration hexagonale régulière. Les fils d'armature comprennent au moins un tube ayant une fibre optique disposée à l'intérieur du tube. Selon une forme préférée de réalisation, les fils d'armature sont disposés en deux couches concentriques enveloppant les conducteurs électriques. Un, ou plusieurs, des fils d'armature de la couche interne des fils d'armature comprend le tube ayant la fibre optique disposée à l'intérieur. Le tube a un diamètre extérieur qui est substantiellement le même que les fils d'armature dans la couche dans laquelle est situé le tube. Le diamètre intérieur du tube est choisi pour fournir juste assez d'espace pour permettre à la fibre optique de se déplacer librement, mais pour conserver suffisamment de résistance à l'écrasement pour que les charges de tension et latérales prévues puissent être appliquées au câble. Selon une forme préférée de réalisation, le tube comprend une strate interne comprenant un tube à paroi mince, une couche de feuille métallique guipée autour de l'extérieur de la strate interne, et une couche exteme comprenant un autre tube à paroi mince sur l'extérieur de la couche de la feuille métallique. La couche de la feuille métallique remplit substantiellement l'espace annulaire entre la couche interne et la couche externe de sorte que le tube se comporte mécaniquement de façon similaire à un tube solide ayant les mêmes diamètres intérieur et extérieur. La figure 1 est une section transversale d'un câble de diagraphie conforme à la présente invention, la figure 2 représente des tubes en acier ayant des fibres optiques à l'intérieur utilisées en substitution de l'un ou de plusieurs des fils d'armature interne et/ou externe représentés en figure 1, et la figure 3 représente une conception alternative des tubes d'acier représentés en figure 2 dans laquelle le tube comprend une couche interne, une couche de feuille métallique et une couche externe. Une section transversale d'un câble de diagraphie combinant conducteur électrique et fibre optique, conforme à l'invention, est représentée par 10 en figure 1. Le câble 10 comprend un faisceau central conducteur 2. Le faisceau central 2 du câble 10 représenté en figure 1 comprend sept conducteurs électriques isolants 9 disposés en une configuration hexagonale régulière. Chacun des conducteurs électriques 9 peut être formé de fils de cuivre torsadés 12 entourés par une gaine 8 en matière plastique ou autre matériau flexible convenable électriquement isolant. Des dimensions typiques des conducteurs 9 sont divulguées, par exemple, dans un catalogue de produit publié par CAMESA, INC., ROSENBERG, TEX., fournissant la fiche de construction de chaque conducteur 9 comme comprenant sept fils de cuivre torsadés, ayant chacun un diamètre de 0,0128 pouce (0,32 mm), entouré par une gaine isolante de 0,084 pouce (2,13 mm) faite de polypropylène ou "TEFZEL" (nom de marque d'un copolymère fabriqué par E.I. DU PONT DE NEMOURS & CO). Des espaces vides 14 entre les conducteurs 9 à l'intérieur de la configuration hexagonale peuvent être remplis d'un matériau isolant convenable en matière p]astique, bien connu de l'art. Il doit être clairement compris que la configuration du faisceau central 2 représentée en figure 1 n'est qu'un exemple et n'a pas pour signification de limiter l'invention aux sept conducteurs isolants 9. D'autres configurations acceptables du faisceau central 2 sont bien connues de l'art et peuvent comprendre un nombre différent de, ou des tailles différentes, des conducteurs électriques. Par exemple, certains câbles de diagraphie de diamètre plus petit, bien connus de l'art, comprennent un faisceau central ne comprenant qu'un conducteur électrique isolé. D'autres câbles de diagraphie comprennent trois ou quatre conducteurs électriques isolés dans le faisceau central 2. Une variante de conception de conducteurs torsadés en cuivre représentés dans le CAMESA, INC CATALOG est divulguée, par exemple dans le brevet U.S.-5.495.547 (RAFLE et al.). Le conducteur électrique 9 alternatif peut comprendre, en variante, un fil d'acier recouvert de cuivre d'un diamètre d'environ 0,027 pouce (0,68 mm) entouré de neuf fils de cuivre chacun d'environ 0.0128 pouce (0,32 mm) de diamètre, ceux-ci étant tous entourés d'une chemise isolante d'environ 0,084 pouce (2,13 mm). Cette configuration de la variante du conducteur électrique est représentée à la figure 3 du brevet RAFLE et al '547. Un autre type de conducteur électrique 9, comme décrit ici, peut être électriquement relié aux instruments de diagraphie (non représentés) en utilisant des connecteurs électriques étanches connus de l'art. En référence à nouveau à la figure 1, le faisceau central 2 est typiquement entouré de deux couches concentriques de fils d'armature en acier. Les fils d'armature 4, 6 peuvent aussi être formés d'alliage résistant à la corrosion tel que celui connu par la désignation de marque MP-35N où le câble de diagraphie est prévu pour être utilisé dans des puits rempli de fluides corrosifs. Les fils d'armature comprennent des fils d'armature internes représentés par 4 formant la couche concentrique la plus profonde. Pour le câble 10 représenté en figure 1, les fils d'armature internes 4 peuvent comprendre dix-huit fils en acier ayant chacun un diamètre extérieur d'environ 0,047 pouce (1,19 mm). Les fils d'armature internes 4 sont eux-mêmes typiquement entourés d'une couche externe de fils d'armature 6. Pour le câble représenté en figure 1, les fils d'armature externes 6 peuvent comprendre dix-huit fils en acier ayant chacun un diamètre extérieur d'environ 0,066 pouce (1,67 mm). n doit être clairement compris que d'autres nombres de couches ou valeurs de diamètres des fils d'armature peuvent être utilisés dans cette invention, et qui soient compatibles avec la minimisation du diamètre extérieur du câble 10 et en même temps qui procurent une résistance à la rupture commercialement acceptable du câble 10. Les nombres des fils d'armature, leur diamètre et leur nombre de couches représentés en figure 1 n'ont pour seule signification que de servir d'exemple de configuration convenable et ne signifient pas limiter l'invention. Dans l'invention, un ou plusieurs des fils d'armature internes 4, tels que celui montrés en 4A, peuvent comprendre un tube en acier ayant une fibre optique disposée à l'intérieur, comme il sera expliqué plus loin. Alternativement ou en sus du tube montré en 4A, un ou plusieurs des fils d'armature externes 6, tel que celui représenté en 6A, peut comprendre un tube en acier ayant une fibre optique disposée à l'intérieur, comme il sera expliqué par la suite. Si les fils d'armature 4, 6 sont formés d'un alliage résistant à la corrosion, tel que le MP-35N décrit précédemment, alors les tubes 4A, 6A, devraient être formés du même matériau ou d'un matériau similaire pour fournir la résistance désirée à la corrosion. Le tube 4A qui remplace l'un des fils d'armature internes 4 est montré plus en détail en figure 2. Ce tube 4A devrait avoir un diamètre extérieur substantiellement le même que le diamètre extérieur des fils d'armature internes 4 de sorte que la symétrie de la couche des fils d'armature soit conservée. Dans cet exemple, le diamètre extérieur du tube 4A peut donc être d'environ 0,047 pouce (1,19 mm). Une fibre optique 16 disposée à l'intérieur du tube 4A peut être de types connus de l'art. La fibre 16 montrée dans cet exemple a un diamètre extérieur d'environ 0,007 pouce (0,17 mm). Le diamètre intérieur du tube 4A dans cet exemple est d'environ 0,023 pouce. (0,58 mm). Le diamètre intérieur du tube 4A devrait être choisi pour foumir suffisamment d'espace à la fibre optique 16 pour quelle se déplace librement à l'intérieur du tube 4A, mais il ne devrait pas être non plus supérieur à ce qui est raisonnablement nécessaire à la fibre optique 16, de telle sorte que le tube 4A ait suffisamment de force pour résister à une charge d'écrasement sous tension et latérale, qui est susceptible d'être appliquée au câble (10, figure 1). Des méthodes de calcul du diamètre intérieur maximum du tube 4A qui tiendront compte de la tension maximum attendue et de la charge latérale sur le câble de diagraphie 10, sont connues de l'art, incluant l'analyse des éléments finis comme pouvant être réalisées en utilisant un programme informatique vendu sous le nom de marque "ANSYS" par Southpoint, 275 Technology Dr., Canonsburg, PA. Comme expliqué précédemment, un ou plusieurs des fils d'armature externes (6, figure 1) peuvent également comprendre un tube en acier 6A (ou tube d'alliage résistant à la corrosion comme expliqué précédemment) à l'intérieur duquel est disposée une fibre optique 18. Dans l'exemple de la figure 2, le tube 6A peut avoir un diamètre extérieur de 0,066 pouce (1,67 nun) et un diamètre intérieur d'environ 0,023 pouce (0,58 mm) pour loger la fibre optique 18. Les diamètres intérieur et extérieur du tube 6A devraient être choisis pour satisfaire substantiellement les mêmes critères mécaniques que le tube 4A remplaçant un des fils d'armature internes. (4 en figure 1). Il devrait être noté que le remplacement d'un ou plusieurs des fils d'armature externes (6, figure 1) par le tube 6A peut être moins souhaitable que le remplacement d'un ou plusieurs des fils d'armature internes (4, figure 1) par le tube 4A, du point de vue de la possibilité de dété rioration du tube 6A due à l'usure de sa surface externe par abrasion, en utilisation continue. L'exemple du tube 6A est destiné à montrer, en premier chef, que l'invention n'est limitée dans sa portée à la substitution des fils d'armature internes 4 que par le tube 4A. La figure 3 représente une conception différente du tube 4B qui est destinée à faciliter l'assemblage du câble de diagraphie en n'importe quelle position intermédiaire le long de sa longueur, tout en maintenant l'intégrité hydraulique du tube 4B, de telle sorte que le fluide sous très haute pression, comme étant typiquement présent dans un puits, puisse être exclus de l'intérieur du tube 4B. Le tube 4B comprend une couche exteme 20, une couche de feuille métallique 22 et une couche interne 24. La fibre optique 16 est disposée à l'intérieur de la couche interne 24, telle qu'elle est dans la première forme de réalisation de cette invention. La couche externe 20 peut être un tube à paroi mince, qui dans cet exemple peut avoir un diamètre extérieur d'environ 0,047 pouce (1,19 mm) et un diamètre intérieur d'environ 0,037 pouce (0,93 mm). Le diamètre extérieur de la couche externe 20 est choisi dans cet exemple pour le cas où le tube 4B serait inclus à l'intérieur de la couche interne des fils d'armature sur le câble (représenté en figure 1, par 10). La couche externe 20 pourrait aussi avoir un diamètre extérieur environ le même que celui des fls d'armature dans la couche externe de l'armature (6 en figure 1), si ctest là où le tube doit être situé. La couche externe 20 peut être faite d'acier ou d'alliage résistant à la corrosion tel que le MP-35N utilisé pour n'importe lequel des autres fils d'armature (4, figure 1) du câble. La couche interne 24 peut aussi être formée d'un tube à paroi mince. Dans cet exemple, la couche interne 24 a un diamètre intérieur d'environ 0,020 pouce (0,50 mm) et un diamètre extérieur d'environ 0,028 pouce (0,71 mm). Le diamètre intérieur de la couche interne 24 devrait être suffisamment grand pour permettre à la fibre 16 de se déplacer librement, mais ne pas être plus grand que cela est nécessaire pour conserver la résistance suffisante à l'écrasement et une résistance à la traction du tube 4B, tel que c'est le cas pour la première forme de réalisation du tube (4A, figure 2) de la présente invention. La couche interne 24 peut être faite du même matériau que la couche externe 20, mais cela n'est pas nécessaire à la construction du tube 4B. L'espace annulaire entre la couche interne 24 et la couche externe 20 peut être garni d'une feuille métallique 22 guipée selon une configuration hélicoïdale autour de l'extérieur de la couche interne 24. L'épaisseur de la feuille métallique 22 devrait être environ la même que la largeur de l'espace annulaire entre la couche interne 24 et la couche externe 20. Puisque l'espace annulaire entre la couche externe 20 et la couche interne 24 est substantiellement rempli par la feuille métallique 22, le tube 4B aura pratiquement la même résistance à l'écrasement que celle du tube de construction solide (4A, figure 2) de la première forme de réalisation de l'invention. I1 est prévu que là où le câble de diagraphie (10, figure 1) doit être assemblé, la fibre 16 peut être couplée en utilisant des techniques connues de l'art. La couche interne 24 peut être couplée en utilisant un manchon en acier à paroi mince (non représenté) qui s'adapte sur l'extérieur de la couche interne 24 et peut être soudé ou autrement couplé pour empêcher le fluide sous haute pression d'entrer à L'intérieur de la couche interne. La feuille métallique 22 peut être remplacée par un matériau compressible tel que de la matière plastique, ou peut être omis, sur l'intervalle dans lequel le manchon (non représenté) est situé. Ensuite, la couche externe 20 peut être aboutée par soudage, ou similaire, pour procurer un couplage mécanique entre les extrémités aboutées de l'assemblage. Le tube 4B de la figure 3 a environ les mêmes diamètres intérieur et extérieur que le tube de construction solide (4A, figure 2) et conserve substantiellement les mêmes propriétés mécaniques que le tube de construction solide (4A, figure 2) mais est mieux adapté pour maintenir l'intégrité hydraulique, dans l'assemblage, que le tube de construction solide (4A, figure 2). Les hommes de l'art concevront d'autres formes de réalisation de l'invention qui ne s'éloignent pas de l'esprit de l'invention telle que décrite ici. En conséquence, l'invention n'est limitée que par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Câble (10) de diagraphie de puits combinant fibre optique/conducteur électrique, caracté nsé : en ce qutil comprend: au moins un conducteur électrique isolé (9), et une pluralité de fils d'armature (4,6) entourant le dit conducteur électrique au moins, les dits fils d'armature comprenant au moins un tube (4A,6A) contenant une fibre optique (16,Fig.3); 2.- Câble de diagraphie selon la revendication 1, caractérisé: en ce que les dits fils d'armature (4,6) sont disposés en une pluralité de couches substantiellement concentriques entourant le dit conducteur élec trique (9) au moins, le dit tube au moins (4A,6A) ayant un diamètre extérieur substantiel lement le même que le diamètre extérieur des autres dits fils d'armature disposés dans une même des dites couches concentriques 3.- Câble de diagraphie selon la revendication 2, caractérisé: en ce que le dit tube au moins (4A,6A,4B) a un diamè tre intérieur choisi pour procurer un mouvement libre de la dite fibre optique (16) à l'inté rieur du dit tube, et pour procurer une résistance suffisante à la traction et aux charges latérales appliquées au dit câble de diagraphie 4.- Câble de diagraphie selon la revendication 2, caractérisé: en ce que le dit tube (4A,6A,4B) est disposé dans l'une des dites pluralités de couches concentriques 5.- Câble de diagraphie selon la revendication 1, caractérisé: en ce que la matière constitutive des dits fils d'armature (4,6) comprend de l'acier, 6.- Câble de diagraphie selon la revendication 1, caractérisé: en ce que la matière constitutive des dits fils d'armature (4,6) comprend un alliage résistant à la corrosion; 7.- Câble de diagraphie selon la revendication 1, caractérisé: en ce que le dit tube (4B) au moins comprend une strate interne (24), une couche de feuille métallique (22) disposée sur une surface externe de la dite couche interne, et une couche exteme (20) disposée sur une surface externe de la dite couche de la feuille métallique; (Fig.3) 8.- Câble de diagraphie selon la revendication 7, caractérisé: en ce que les dits fils d'armature sont disposés en une pluralité de couches substantiellement concentriques entourant le dit conducteur électrique (9) au moins, et, en ce que la dite couche externe a un diamètre exté rieur substantiellement le même que le diamètre extérieur des autres des dits fils d'arma ture disposés dans la même des dites couches concentriques; (Fig. 1); 9.- Câble de diagraphie selon la revendication 7, caractérisé: en ce que la dite strate interne (24) a un diamètre inté rieur choisi pour procurer un mouvement libre de la dite fibre optique (16) à l'intérieur, et pour procurer une résistance suffisante à la traction et aux charges latérales appliquées au dit câble de diagraphie.