Brevet FR2785945A1 — publié le 20000519

PROCEDE D'IMPLANTATION DE COMPOSANTS DANS UN DISPOSITIF DE FOND DE PUITS ET DISPOSITIF AINSI OBTENU DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un procédé d'implantation de composants dans un espace délimité entre une enveloppe extérieure cylindrique d'un dispositif placé au fond d'un puits de pétrole ou de gaz et un passage intérieur cylindrique traversant ce dispositif. Dans l'ensemble du texte, le terme"composant" désigne tout type de circuit électrique ou électronique simple ou complexe, intégré ou non, isolé ou associé avec d'autres éléments, ainsi que d'autres composants tels que des capteurs, des moteurs, etc... L'invention concerne également un dispositif de fond de puits, comprenant des composants implantés selon ce procédé. Etat de la technique Dans les dispositifs destinés à séjourner de façon permanente dans le fond de puits en production, on utilise un nombre de plus en plus grand d'appareils électriques tels que des moteurs, des capteurs, des actionneurs, etc.. Cela a pour conséquence une augmentation de la taille des composants qui doivent tre implantés dans ces dispositifs. Auparavant, lorsque la taille des composants était limitée, ils pouvaient tre implantés sans difficulté dans des petits boîtiers fixés le long de la colonne de production délimitant le passage intérieur cylindrique par lequel remonte l'hydrocarbure. Un tel agencement a été utilisé pendant de nombreuses années, notamment pour implanter des capteurs de pression sur des dispositifs destinés à séjourner de façon permanente en fond de puits ou sur des dispositifs d'essais associés à des trains de tiges de forage. Du fait de la complexité toujours croissante des composants, ce type d'implantation n'est généralement plus utilisable, car inadapté à la plus grande taille de ces composants. Une première solution classique permettant de répondre à cette nouvelle exigence est illustrée schématiquement, en section transversale, sur la figure 1 des dessins annexés. Dans ce cas, les composants 1 sont implantés dans un espace annulaire 2 formé entre une enveloppe extérieure tubulaire 3 et une colonne de production intérieure tubulaire 4 délimitant intérieurement un passage intérieur cylindrique 5 par lequel remonte l'hydrocarbure. Dans cet agencement, utilisé notamment sur les dispositifs d'essais implantés sur les trains de tiges de forage, l'enveloppe extérieure 3 et la colonne de production 4 sont agencées coaxialement. L'agencement classique illustré sur la figure 1 est généralement satisfaisant. Toutefois, il ne peut tre utilisé que lorsque le rapport entre le diamètre de l'enveloppe extérieure 3 et le diamètre de la colonne de production intérieure 4 est suffisamment grand pour délimiter entre eux un espace annulaire 2 capable de loger tous les composants 1 qui doivent tre implantés sur le dispositif considéré. Lorsque le rapport de diamètres précité devient trop petit, on utilise classiquement une deuxième technique d'implantation illustrée schématiquement, en section transversale, sur la figure 2 des dessins annexés. Selon cet agencement, on compense la petitesse du rapport des diamètres entre l'enveloppe extérieure tubulaire du dispositif et le passage intérieur cylindrique 5 en excentrant ce dernier. Généralement, les composants 1 sont alors implantés dans des évidements 6 usinés extérieurement dans un mandrin métallique massif 7. Lorsque les composants 1 sont montés dans les évidements 6, ces derniers sont fermés de manière étanche par des couvercles 8, soudés en 9 sur le mandrin 7, ou par une gaine tubulaire entourant le mandrin. Cet agencement classique présente de nombreux inconvénients. Ainsi, du fait du grand rayon de courbure de l'enveloppe extérieure du dispositif, les capots 8 ou la gaine doivent tre très épais pour pouvoir supporter l'importante différence de pression entre la pression extérieure de fond de puits (fréquemment 1000 bars à 1500 bars) et la pression atmosphérique intérieure. La grande épaisseur des capots ou de la gaine se traduit par une réduction sensible de l'espace disponible pour les composants, ce qui est contraire au but recherché. Compte tenu des dimensions parfois très importantes des évidements 6 et pour ne pas augmenter exagérément l'épaisseur des capots 8 ou de la gaine, on a parfois recours à des jambes d'appui 10, interposées entre le capot 8 ou la gaine et le fond de l'évidement 6. Pour tre efficaces, ces jambes d'appui doivent tre de section importante et relativement rapprochées, ce qui diminue également l'espace disponible pour les composants et conduit à modifier leurs formes et surtout l'interconnexion dans le cas des composants électroniques. De plus, la présence de jambes d'appui 10 n'empche pas le fléchissement des capots 8 ou de la gaine sous l'effet de la différence de pression, dans les parties des capots dépourvues de jambes d'appui. Dans le cas où des capots sont utilisés pour fermer les évidements, un autre problème important posé par l'agencement classique illustré sur la figure 2 concerne l'obtention d'une étanchéité parfaite entre les capots 8 et le mandrin 7, apte à supporter l'importante différence entre la pression extérieure du fond de puits et la pression atmosphérique régnant à l'intérieur des évidements 6. Ainsi, la réalisation d'une telle étanchéité à l'aide de joints élastomères n'est pas recommandée dans le cadre d'une utilisation de longue durée, du fait du vieillissement de tels joints. Par ailleurs, une étanchéité métal sur métal est difficile à concevoir. La seule technique permettant d'assurer à long terme l'étanchéité désirée est donc le soudage. En raison de la géométrie des capots, le soudage TIG est généralement préféré au soudage par faisceau d'électrons. Cependant, ce type de soudage a pour inconvénients de chauffer les composants et, pour certains matériaux, d'engendrer des contraintes dans l'acier utilisé pour réaliser le mandrin 7 et les capots 8 ou la gaine. Le relâchement de ces contraintes ne pourrait tre obtenu que par un traitement thermique ultérieur que seraient incapables de supporter certains composants. Cette opération ne serait donc pas effectuée. Cela se traduirait par un accroissement sensible du risque de corrosion du mandrin. En outre, pour des raisons de fiabilité, certains composants tels que les circuits électroniques doivent tre maintenus autant que possible dans un environnement propre, notamment pendant leur fabrication et leur montage. Lorsqu'on utilise l'agencement illustré sur la figure 2, cette condition est très difficile à satisfaire au cours de l'étape de montage des circuits. En effet, le soudage des capots 8 sur le mandrin 7 par la technique TIG est une opération longue, qui s'effectue en atelier dans un environnement peu propice à la protection des composants. Le mode de fixation des capots 8 sur le mandrin 7 rend aussi totalement impossible la réparation ou le remplacement des composants. En cas de défaillance d'un composant, le mandrin doit donc impérativement tre renvoyé en atelier pour y tre découpé. D'autres inconvénients de la technique illustrée sur la figure 2 découlent notamment de l'utilisation d'un mandrin 7 en une seule pièce. Cette caractéristique se traduit par des coûts de matière première et d'usinage élevés ainsi que par des opérations d'usinage complexes nécessitant, par exemple, la réalisation d'un certain nombre de perçages tels qu'illustrés en 11, pour permettre le passage de conducteurs électriques de liaison entre les composants implantés dans les différents évidements 6. La complexité de l'usinage du mandrin a pour conséquence un risque non négligeable de devoir refaire totalement cette pièce si une erreur se produit en cours d'usinage. Par ailleurs, la présence de volumes internes importants sous pression atmosphérique, à l'intérieur des évidements 6, nécessite l'utilisation d'alliages de haute qualité, afin de supporter la différence de pression. De tels alliages sont plus difficiles à usiner et surtout beaucoup plus coûteux que les alliages utilisés traditionnellement. Enfin, du fait que les composants 1 sont montés directement sur le mandrin 7 qui supporte les efforts mécaniques appliqués à la colonne de production (tension/compression, torsion, dilatation thermique) il est nécessaire de découpler mécaniquement ces composants du mandrin. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un procédé permettant d'implanter de façon originale des composants dans un dispositif de fond de puits, notamment lorsque le rapport des diamètres intérieur et extérieur est trop faible pour permettre une implantation annulaire du type décrit précédemment en référence à la figure 1. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé d'implantation de composants dans un espace délimité entre une enveloppe extérieure cylindrique d'un dispositif de fond de puits et un passage cylindrique traversant ce dispositif dans sa direction longitudinale, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à monter lesdits circuits dans une pluralité de tubes étanches disposés dans ledit espace, une extrémité de chaque tube étant fixée à un boîtier d'interconnexion également placé dans ledit espace. Le procédé d'implantation ainsi défini résout l'ensemble des problèmes posés par les techniques classiques décrites précédemment en référence aux figures 1 et 2. Ainsi, le montage des composants dans des tubes de relativement petits diamètres permet d'utiliser des parois peu épaisses libérant un volume maximal pour ces composants. De plus, la géométrie de préférence cylindrique de ces tubes permet de les souder à une première extrémité sur le boîtier d'interconnexion et de les fermer à leur extrémité opposée par un bouchon soudé. Une étanchéité sûre et efficace est ainsi obtenue sans risque d'endommagement des composants. Par ailleurs, un environnement propre des composants peut tre aisément préservé lors de leur montage. En effet, dès qu'ils sont introduits dans les tubes, ce qui peut se faire dans une salle propre prévue à cet effet, une obturation étanche des tubes peut tre faite immédiatement en mettant en place les bouchons, par vissage, et en interposant un joint d'étanchéité. Le soudage des bouchons peut tre effectué ensuite dans un atelier prévu à cet effet, sans que l'environnement propre des composants soit affecté. Le procédé d'implantation selon l'invention permet aussi de connecter les composants entre eux au moyen de conducteurs électriques qui cheminent dans le boîtier d'interconnexion. Des usinages et étanchéités complexes sont ainsi évités. Le montage des composants dans des tubes permet en outre de supprimer toute pièce massive et les usinages longs et complexes de celle-ci. Cela permet de dissocier totalement les parties électriques et mécaniques. De plus, ce montage réduit les coûts de matière première et d'usinage et autorise d'éventuelles opérations de maintenance ou de remplacement des composants. Avantageusement, le procédé selon l'invention est appliqué au cas où le passage cylindrique est excentré par rapport à l'enveloppe extérieure du dispositif. L'invention a aussi pour objet un dispositif de fond de puits comprenant une enveloppe extérieure cylindrique, traversée dans la direction longitudinale par un passage cylindrique, et des composants montés dans un espace délimité entre l'enveloppe et le passage, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une pluralité de tubes étanches disposés dans ledit espace et dans lesquels sont logés les composants, et un boîtier d'interconnexion également disposé dans ledit espace et auquel est fixée une extrémité de chaque tube. De préférence, les tubes sont orientés dans la direction longitudinale et ils sont avantageusement fixés au boîtier d'interconnexion par une soudure circulaire. De mme, chacun des bouchons est fixé de préférence à l'un des tubes par une soudure circulaire et connecté avantageusement dans une extrémité ouverte de ce tube, avec interposition d'un joint d'étanchéité. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1, déjà décrite, est une section transversale illustrant une première technique d'implantation de composants dans un dispositif de fond de puits selon l'art antérieur ; -la figure 2, déjà décrite, est une section transversale illustrant une deuxième technique connue d'implantation de composants dans un dispositif de fond de puits ; -la figure 3 est une section transversale d'un dispositif de fond de puits, illustrant l'implantation de composants conformément à l'invention ; et -la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de 1'invention Les figures 3 et 4 illustrent de façon schématique une partie d'un dispositif de fond de puits conforme à l'invention. Un tel dispositif est généralement destiné à séjourner de façon permanente au fond d'un puits de pétrole ou de gaz. Toutefois, il peut aussi s'agir d'un dispositif conçu pour tre introduit provisoirement au fond d'un puits, notamment afin d'y effectuer un certain nombre de mesures. Un dispositif de fond de puits comporte de façon traditionnelle un certain nombre de modules placés bout à bout. Seul le module électronique du dispositif est illustré sur les figures 3 et 4. Les autres modules peuvent tre réalisés de façon quelconque et leur nombre peut tre quelconque, sans sortir du cadre de l'invention. L'invention s'applique notamment, bien que non exclusivement, au cas où le rapport des diamètres entre l'enveloppe extérieure cylindrique 20 et le passage cylindrique intérieur 22 est trop petit pour permettre d'implanter des composants éventuellement de grande taille en utilisant un agencement coaxial traditionnel tel que décrit précédemment en se référant à la figure 1. Par conséquent, on adopte un agencement excentré du passage cylindrique 22 par rapport à l'enveloppe extérieure cylindrique 20, au niveau du module électronique du dispositif, de la mme manière que dans la technique classique décrite précédemment en se référant à la figure 2. Cependant, le passage cylindrique intérieur 22, par lequel s'écoule le fluide pétrolier, est formé dans ce cas directement dans un tronçon de colonne de production 24, d'épaisseur uniforme, et non dans une pièce massive appelée à subir un usinage complexe. Dans l'espace délimité entre le tronçon de colonne de production 24 et l'enveloppe extérieure 20, les composants 26 sont reçus dans des tubes étanches 28, orientés dans la direction longitudinale du passage cylindrique 22 et de l'enveloppe extérieure 20. Comme l'illustre en particulier la figure 3, les tubes 28 présentent en section transversale une forme circulaire et ils sont dimensionnés de façon à s'étendre jusqu'à proximité immédiate du tronçon de colonne de production 24 et de l'enveloppe extérieure 20, de façon à présenter un diamètre aussi grand que possible. Lorsque le dispositif est au fond du puits, les parois des tubes 28 sont soumises à la différence de pression élevée qui existe entre la pression de fond de puits (par exemple, 1000 à 1500 bars) et la pression atmosphérique qui règne à l'intérieur des tubes. Toutefois, du fait du relativement petit diamètre des tubes, une tenue mécanique satisfaisante peut tre obtenue en donnant à la paroi de chacun des tubes 28 une épaisseur relativement faible. Cela conduit à donner au diamètre intérieur de chacun des tubes 28 une valeur maximale, lui permettant de recevoir des composants 26 de relativement grandes dimensions. Comme l'illustre la figure 4, les tubes 28 présentent des longueurs plus ou moins grandes selon les dimensions des composants 26 qu'ils sont appelés à recevoir. A une première extrémité ouverte, orientée vers le haut sur la figure 4, tous les tubes 28 sont fixés sur une paroi radiale 34 d'un boîtier d'interconnexion 30, également étanche. Ce boîtier d'interconnexion 30 présente approximativement la forme d'un croissant lorsqu'il est observé selon l'axe du puits. Il est délimité dans le sens radial entre la surface extérieure du tronçon de colonne de production 24 et une paroi cylindrique 32 dont la surface extérieure coïncide avec l'enveloppe extérieure 20. Dans le sens axial, le boîtier d'interconnexion 30 est délimité entre deux parois radiales 34 et 36 planes et parallèles. La paroi radiale 34, sur laquelle sont fixés les tubes 28, présente une ouverture circulaire 37 au droit de chacun des tubes. Le diamètre de cette ouverture circulaire 37 est le mme que le diamètre extérieur du tube 28 correspondant. Ainsi, l'extrémité ouverte de chacun des tubes 28 fixée sur le boîtier d'interconnexion 30 pénètre dans l'ouverture 37 correspondante. Les tubes sont fixés sur la paroi 34 de préférence par soudage, avant que les composants 26 ne soient mis en place. Sur la figure 4, la référence 35 désigne les soudures circulaires ainsi obtenues. L'extrémité de chacun des tubes 28 fixée sur la paroi 34 du boîtier d'interconnexion 30 est ouverte, de façon à permettre le passage de conducteurs électriques 38 destinés à relier électriquement les composants 26, en passant par le boîtier d'interconnexion 30, comme on l'a illustré en traits mixtes sur la figure 4. A son extrémité opposée au boîtier d'interconnexion 30, chacun des tubes 28 est fermé de façon étanche par un bouchon 40. De façon plus précise, l'extrémité de chacun des tubes 28 opposée au boîtier d'interconnexion 30, c'est-à-dire tournée vers le bas sur la figure 4, est initialement ouverte et comporte un taraudage 42. Lorsqu'on monte les composants 26 dans les tubes 28, de préférence dans une salle blanche, on ferme immédiatement les tubes de façon étanche, en vissant les bouchons 40 dans les taraudages 42. Lors de ce vissage, l'étanchéité est assurée de façon temporaire par un joint d'étanchéité 44, par exemple de type élastomère, interposé entre chaque tube 28 et son bouchon 40. L'étanchéité à long terme est obtenue en fixant chaque bouchon 40 sur l'extrémité correspondante du tube 28 par une soudure 46, réalisée de préférence par la technique du faisceau d'électrons. Cette technique peut tre mise en oeuvre du fait que la soudure 46 présente une forme circulaire. Il est à noter que les soudures 46 peuvent tre réalisées aisément dans un atelier approprié, sans rompre l'atmosphère propre dans laquelle se trouvent les composants 26, du fait de l'étanchéité assurée immédiatement par les joints élastomères 44. Les conducteurs électriques 38 qui relient entre eux les différents composants 26 en passant par le boîtier d'interconnexion 30 sont mis en place lorsque les composants sont eux-mmes introduits dans les tubes 28. Cette mise en place peut tre obtenue en donnant aux conducteurs électriques 38 une longueur sensiblement supérieure, permettant d'effectuer les soudures alors que l'un des circuits se trouve encore à l'extérieur du tube destiné à le recevoir. En variante, les conducteurs électriques 38 peuvent aussi tre mis en place avant la fixation, par soudage 39, de la paroi radiale 36 du boîtier 30 opposée aux tubes 28 (figure 4). Différents aménagements complémentaires peuvent tre adoptés, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le montage des composants 26 dans les tubes 28 s'effectue avantageusement en interposant des organes d'amortissement et de maintien (non représentés) qui peuvent tre de configuration quelconque. Par ailleurs, des organes (non représentés) peuvent tre prévus pour maintenir les tubes 28 contre le tronçon de colonne de production 24, à distance du boîtier d'interconnexion. En outre, un ou des capots (non représentés) peuvent tre placés autour des tubes 28, selon l'enveloppe extérieure 20, pour protéger mécaniquement les tubes lors des manutentions. La technique d'implantation des composants 26 qui vient d'tre décrite permet de dissocier totalement ces composants des pièces mécaniques. De plus, l'agencement proposé permet d'utiliser le soudage par faisceau d'électrons pour fermer les tubes dans lesquels sont logés les composants et les fixer au boîtier d'interconnexion. Par ailleurs, le tronçon de tube 24 peut tre réalisé dans un alliage standard, ce qui permet d'en réduire très sensiblement le coût. Dans le mme esprit, les tolérances de fabrication du tronçon de colonne de production 24 sont beaucoup plus larges que dans la technique connue, décrite précédemment en référence à la figure 2. Cela conduit également à réduire le coût de l'ensemble. Par ailleurs, la masse totale du dispositif est sensiblement réduite par rapport à la solution connue décrite précédemment en référence à la figure 2. Les tubes 28 dans lesquels sont logés les composants peuvent tre réalisés dans un acier spécial approprié, afin de protéger ces composants, mais d'épaisseur réduite, du fait de leur diamètre relativement faible. Du fait que les tubes ne sont pas soumis aux efforts mécaniques appliqués sur le dispositif, ces efforts ne risquent pas d'tre transmis aux composants. L'agencement conforme à l'invention permet également d'effectuer des opérations de réparation et de remplacement sur les composants, sans difficultés particulières. Ces opérations sont exécutées en coupant l'extrémité fermée du tube correspondant, opposée au boîtier d'interconnexion, en intervenant de façon appropriée, puis en mettant en place un nouveau bouchon, de la mme manière que cela a été décrit. A ces facilités d'intervention s'ajoute le caractère modulaire de l'agencement, qui permet d'envisager un grand nombre de possibilités d'implantation des composants, en jouant à la fois sur le diamètre et sur la longueur des tubes dans lesquels ils sont logés. Enfin, comme on l'a déjà observé, le procédé d'implantation selon l'invention est parfaitement compatible avec les règles de l'art de l'industrie électronique, qui imposent de maintenir en permanence les circuits dans des conditions de propreté optimales. En outre, tout type de câblage mme complexe peut tre envisagé sans difficulté particulière, du fait que les conducteurs électriques 38 cheminent dans le boîtier d'interconnexion 30 à la pression atmosphérique et sans traverser aucune cloison. REVENDICATIONS 1. Procédé d'implantation de composants (26) dans un espace délimité entre une enveloppe extérieure cylindrique (20) d'un dispositif de fond de puits et un passage cylindrique (22) traversant ce dispositif dans sa direction longitudinale, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à monter lesdits composants (26) dans une pluralité de tubes étanches (28) disposés dans ledit espace, une extrémité de chaque tube (28) étant fixée à un boîtier d'interconnexion (30) également placé dans ledit espace. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on monte les composants (26) dans une pluralité de tubes étanches (28) cylindriques. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on dispose les tubes (28) dans ladite direction longitudinale. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on connecte les composants (26) entre eux par des conducteurs électriques (38) qui cheminent dans le boîtier d'interconnexion (30). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on fixe chaque tube étanche (28) sur le boîtier d'interconnexion (30) par soudage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on introduit les composants (26) par une extrémité ouverte de chaque tube (28) opposée au boîtier d'interconnexion (30), et on ferme cette extrémité ouverte, de façon étanche, au moyen d'un bouchon (40). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, immédiatement après le montage des composants (26) dans les tubes (28), on ferme les tubes (28) de façon étanche en vissant les bouchons (40) dans l'extrémité ouverte de chacun des tubes et en interposant un joint d'étanchéité (42). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on fixe ensuite les bouchons (40) aux tubes (28) par soudage. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le passage cylindrique (22) est excentré par rapport à ladite enveloppe (20). 10. Dispositif de fond de puits comprenant une enveloppe extérieure cylindrique (20), traversée dans une direction longitudinale par un passage cylindrique (22), et des composants (26) montés dans un espace délimité entre l'enveloppe et le passage, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une pluralité de tubes étanches (28) disposés dans ledit espace et dans lesquels sont logés les composants (26), et un boîtier d'interconnexion (30) également disposé dans ledit espace et auquel est fixée une extrémité de chaque tube (28). 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les tubes (28) sont cylindriques. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans lequel les tubes (28) sont orientés dans ladite direction longitudinale. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel des conducteurs électriques (38) reliant les composants (26) cheminent dans le boîtier d'interconnexion (30). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel chaque tube (28) est fixé au boîtier d'interconnexion (30) par une soudure circulaire (35). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans lequel chaque tube (28) présente à l'opposé du boîtier d'interconnexion (30), une extrémité fermée de façon étanche par un bouchon (40). 16. Dispositif selon la revendication 15, dans lequel chaque bouchon (40) est vissé dans une extrémité ouverte de l'un des tubes (28), avec interposition d'un joint d'étanchéité (42). 17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel chaque bouchon (40) est également fixé à l'un des tubes (28) par une soudure circulaire (46). 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, dans lequel le passage cylindrique (22) est excentré par rapport à ladite enveloppe (20).