FR2513307A1 - Systeme de communication optique pour diagraphie d'un trou de forage - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN SYSTEME DE COMMUNICATION OPTIQUE A UN OU PLUSIEURS CANAUX POUR EFFECTUER LA DIAGRAPHIE D'UN TROU DE FORAGE. IL COMPREND UNE SOURCE LASER DE LUMIERE 21A QUI OSCILLE A UNE LONGUEUR D'ONDE SUPERIEURE A 1MICRON, UN CABLE ARME 58A, AU MOINS UNE FIBRE OPTIQUE 23A SE TROUVANT DANS LE CABLE ARME POUR TRANSMETTRE LA LUMIERE DE LASER VERS LE BAS ET VERS LE HAUT DANS LE TROU DE FORAGE, UNE SONDE 1A DE DIAGRAPHIE RELIEE AU CABLE A L'EXTREMITE INFERIEURE DU TROU ET CONTENANT UN MODULATEUR 31 POUR MODULER LA LUMIERE AVEC UN SIGNAL DE DONNEES ET UN DEMODULATEUR 34A POUR DEMODULER LES SIGNAUX DE DONNEES. APPLICATION A LA TECHNIQUE D'EXPLOITATION DES PUITS DE FORAGE.

Description

La présente invention concerne un équipement de diagraphie pour trou de

forage permettant de transmettre des données à partir d'une sonde se trouvant dans le trou

vers la surface, à grande vitesse.

Le débit binaire le plus rapide qu'on puisse transmettre par des câbles électromécaniques à partir des

puits de pétrole les plus profonds ( 10 000 mètres) corres-

pond à quelques dizaines de kilohertz Par contre, les sondes à capteurs multiples toujours plus compliquées qu'on étudie ont créé un besoin de débits de transmission plus élevés Des caractéristiques bien connues de largeur

de bande des fibres optiques ainsi que les longueurs impor-

tantes qu'on peut transmettre sans répétiteur permettent

de pourvoir à ce besoin La fibre doit bien-sûr être incor-

porée dans un câble armé sans addition de pertes importantes de lumière provenant des perturbations de la fibre ("microcourbures"). Le problème consistant à mettre en oeuvre un système de transmission par fibres optiques provient de l'environnement très hostile qu'on rencontre dans les trous de forage profonds Ils sont remplis de saumure corrosive avec souvent de l'hydrogène sulfuré dissous La pression dans la boue de forage doit être aussi élevée que

206 700 k Pa La température peut aller jusqu'à 250 'C.

D'autres limitations consistent en ce que la puissance électrique et l'espace ont beaucoup d'importance dans une

sonde de descente Il faut que la connexion et la décon-

nexion du câble et de la sonde soient pratiques Finale-

ment, les sondes sont souvent perdues au fond du trou.

Ainsi, l'émetteur ne doit pas revenir trop cher.

Aucun composant des systèmes classiques de

transmission optique ne peut fonctionner de façon satis-

faisante dans l'environnement du fond du trou sans réfri-

gération Les lasers semiconducteurs et les diodes émet-

trices de lumière (LED) ne fonctionnent pas au-dessus de 'C Les connecteurs à pression élevée qui fournissent un trajet optique d'établissement et d'interruption depuis la tête du câble jusqu'à la sonde n'existent pas Tous les plastiques perdent leur intégrité dans un environnement extrême comme celui existant au fond du trou Même des composés fluorés qui sont chimiquement inertes tendent à fluer sous la contrainte Un problème additionnel est que l'eau pénètre les plastiques et favorise la corrosion sous

tension de la fibre de verre.

Une technique antérieure voisine est repré-

sentée par le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 156 104 (Mondello) accordé le 22 Mai 1979 Tandis que le câble décrit dans ce brevet est "étanche à l'eau", il ne pourrait pas résister à l'abrasion ou être plié de façon répétée

sans rupture par fatigue.

Ces problèmes sont résolus simultanément en utilisant dans un trou de forage un système de transmission de données par fibres optiques construit en accord avec la présente invention Dans une forme de réalisation donnée à titre d'illustration, le système comprend un câble armé contenant une ou plusieurs fibres optiques revêtues de

verre à l'intérieur d'une barrière tubulaire contre l'humi-

dité, un laser au néodyme dans le tambour de câble destiné à irradier une lumière infrarouge dans une des fibres, un modulateur dans l'enveloppe du connecteur de la tête de

câble du fond du trou pour moduler la lumière et la retour-

ner vers la surface, et un détecteur semiconducteur dans le tambour de câble pour démoduler le signal de données

à partir de la lumière de retour.

Selon une caractéristique de la présente in-

vention, le laser au néodyme est forcé d'osciller à une longueur d'onde d'environ 1,32 micron A cette longueur d'onde, la perte par dispersion de Rayleigh est minimale par comparaison avec des longueurs d'ondes plus courtes et, d'autre part, le bruit thermique dans le détecteur est faible par comparaison avec celui qu'on rencontre aux

longueurs d'ondes plus longues.

La présente invention va maintenant être décrite

à propos d'exemples de réalisation d'une manière non limi-

tative et à l'aide des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 illustre la nouvelle combinaison de caractéristiques qui fournit une solution selon le contenu de la présente invention au problème consistant à transmettre des données rapidement à partir d'une sonde de diagraphie du fond du trou à la surface;

la figure 2 illustre une variante de réalisa-

tion de la combinaison de caractéristiques qui, selon le contenu de la présente invention, permet de fournir une solution au problème consistant à transmettre des données rapidement d'une sonde de diagraphie se trouvant au fond d'un trou jusqu'à la surface; la figure 3 est une vue à l'échelle moitié d'une forme de réalisation réelle du connecteur de tête de câble qui est destiné à être utilisé pour la diagraphie d'un trou de forage; la figure 4 est une vue en section transversale d'un câble de fibres optiques armé en conformité avec le contenu de la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe axiale passant

par une partie étendue d'essieu d'un tambour de câble per-

mettant de transmettre trois faisceaux séparés de lumière; la figure 6 est une vue en coupe d'une variante

d'un ensemble de bagues coulissantes optiques pour trans-

mettre des signaux lumineux à partir d'un essieu rotatif vers un détecteur fixe; et la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne

7-7 de la figure 6.

En se référant aux dessins, la figure 1 montre schématiquement une configuration des composants du système de transmission de données de diagraphie à fibres optiques

pour trou de forage en accord avec la présente invention.

La source de lumière de laser au néodyme 21 a et le détecteur 34 a sont placés dans le corps cylindrique 36 a du tambour de câble Les connexions électriques sont établies par des fils 39 a par des anneaux coulissants (non montrés) vers la plate-forme de montage Le câble armé 58 a conduit à partir des poulies de bobinage (non montrées) en bas dans le trou de forage et est terminé à l'intérieur de l'enveloppe de connecteur de tête de câble 10 a Le faisceau laser est focalisé par une lentille 22 a dans le noyau de la fibre revêtue de verre 23 a du câble A l'extrémité basse du trou, la fibre est reliée à un modulateur de lumière 31 (décrit cidessous) à l'intérieur d'une chambre 40 a étan- chéifiée par rapport à l'environnement externe Des fils 37 a conduisant la puissance de commande vers le modulateur proviennent d'un connecteur électrique à plusieurs broches 13 a qui s'adapte à l'instrument de sonde (non représenté) ou à une moitié de connecteur correspondante qui est reliée

à la sonde par une courte longueur de câble électrique.

Ainsi, une transmission précise de lumière par l'interface de connecteur établissement/rupture est évitée -Le câble contient également des conducteurs de puissance et de

commande (non représentés) qui mènent au connecteur 13 a.

Le laser classique à cristal et à pompage opti-

que dopé par des ions de néodyme Nd 3 oscille près de la longueur d'onde X = 1,06 micron Cependant, en rendant dissipatif le résonateur de laser pour une longueur d'onde À = 1,06 micron, le laser peut être obligé à osciller près de la longueur d'onde X = 1,32 micron Ceci est désirable car dans les fibres revêtues de verre, de la lumière est perdue par dispersion au niveau des manques d'homogénéité introduits durant la fabrication Le taux de perte dû à ce -4 mécanisme inhérent varie comme À Ainsi, en traversant km de fibres dans un trajet aller-retour vers le bas et vers le haut, il y a environ 15 d B de différence de perte

de puissance lumineuse à ces deux longueurs d'ondes respec-

tives Le laser au néodyme fournit une puissance lumineuse suffisante (supérieure à 0,1 watt) pour pouvoir parcourir le trajet aller-retour en recevant plus de puissance qu'il est nécessaire Ceci rend inutile l'installation,dans la sonde ou connecteur se trouvant au fond du trou,de ce qui

serait au mieux un laser inefficace et encombrant.

La figure 4 montre en section transversale un câble conçu selon la présente invention Dans cette forme de réalisation, trois fibres revêtues de verre 51 (dont

l'une correspond à la fibre 23 a de la figure 1) sont entou-

rées par une chemise 53 qui a les caractéristiques essen-

tielles suivantes: A Elle doit être dure et rigide pour protéger

les fibres contre les courbures durant les étapes subsé-

quentes de câblage telles que l'application du blindage externe 58 d Ceci est essentiel car "des microcourbures" permettent à la lumière de s'échapper de l'entourage de la fibre, ce qui veut dire que l'atténuation s'en trouve renforcée Les bulles ou les vides se trouvant dans le premier revêtement "tampon" en plastique mou 52 autour

des fibres 51 sont comprimés, ce qui provoque des micro-

courbures, à moins que la chemise ne soit suffisamment incompressible pour que la pression ambiante ne soit pas transmise. B La chemise 53 doit être exempte de trous d'épingle et pouvoir résister à la diffusion du liquide ambiant Ceci n'a pas lieu seulement pour maintenir faible la pression, mais pour protéger la fibre et son tampon plastique contre une attaque chimique Les microfissures dans la surface d'une fibre revêtue de verre sous tension

se propagent en présence d'humidité et provoquent la rup-

ture de cette fibre.

Dans la réalisation illustrative de la figure

4, trois fibres 51 sont revêtues par immersion d'un élas-

tomère de caoutchouc de silicone 52 de manière à former un noyau tampon symétrique On peut fournir un tampon

supplémentaire au moyen d'une gaine en plastique addi-

tionnelle Durant ce processus de revêtement, les fibres sont tordues selon une hélice ayant un pas long, par exemple de 3,8 cm Cette hélice,en plus de faciliter le courbage du noyau,a l'avantage supplémentaire que, à

mesure que le câble achevé subit une contrainte de trac-

tion, les fibres tendent à devenir droites, en comprimant l'élastomère, et le noyau s'allonge sans que les fibres

de verre subissent elles-mêmies une contrainte aussi impor-

tante que le câble total Ceci réduit les risques de rup-

ture. Le noyau à tampon 52 est entouré d'une chemise

dure capable de résister à la pression et qui a une diffu-

sibilité faible pour pouvoir protéger les composants internes d'une attaque par la saumure La chemise peut comprendre plus d'une couche Par exemple, une couche 53 peut être dure et résistante à l'écrasement, tandis qu'une seconde

couche 54 a une diffusibilité faible et résiste à une atta-

que corrosive Ainsi, les deux couches 53 et 54 fournissent en combinaison les qualités nécessaires que doit posséder la chemise A titre d'illustration, la couche 53 peut être un polymère époxy à température élevée rempli de brins

de fibres de verre longitudinaux Cette matière de fabri-

cation de la chemise,qui est appliquée par la technique bien connue de "pultrusion",s'est révélée comme n'ajoutant que très peu à la perte de lumière dans les fibres due aux microcourbures, même avec une pression ou une tension

élevée A mesure que l'époxyde liquide durcit et se poly-

mérise, elle se conforme précisément aux fibres à tampon sans provoquer de microcourbures De plus, si elle est durcie thermiquement, elle se contracte et comprime la fibre longitudinalement Ceci a pour tendance de lutter contre l'effet d'une contrainte de traction et d'une expansion thermique dans le blindage du câble La couche 54 peut être un composé fluoré tel que l'une des matières connues sous le nom de "Teflon" de Dupont Ces plastiques sont chimiquement inertes et présentent une diffusibilité

faible En variante, et ceci est préférable avec un fonc-

tionnement aux plus hautes températures, la couche de la chemise 53 peut être un tube métallique imperméable à l'eau Il s'agit, par exemple, d'un tube soudé en alliage de nickel et d'acier d'un diamètre externe de 2,5 mm et d'une épaisseur de paroi de 0,21 mm qui a été essayée à

103 350 k Pa sans être écrasée.

Pour pouvoir fournir le courant électrique au fond du trou, la chemise protectrice des fibres 53 et 54 est entourée par un anneau circulaire de conducteurs 55

divisé en des groupes isolés l'un de l'autre par des entre-

toises 56 En variante, les faisceaux de fils peuvent avoir

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chacun leur propre isolement Les conducteurs à leur tour sont couverts d'une couche en plastique isolant extrudé 57 d qui, à nouveau,est de préférence un composé fluoré

pour pouvoir résister à une attaque chimique à une pres-

sion et une température élevées Dans une structure de variante, la couche 57 d peut être construite comme la chemise 53 et 54, c'est-à-dire que les fibres 51 et les conducteurs 55 peuvent être contenus ensemble à l'intérieur de la chemise dure résistant à la pression et de faible

diffusibilité.

La couche 57 d,en plus de son rôle de barrière de saumure,sert d'appui pour le blindage à double couche, à contre-hélice,équilibré en moment de torsion 58 d Ce blindage doit se trouver à l'extérieur de tout câble de diagraphie de trou de forage en fonctionnement de manière à pouvoir résister à l'abrasion provenant de la montée et

de la descente de la sonde de l'instrument.

Le tableau I ci-dessous présente de manière non limitative et seulement pour montrer un exemple général, les dimensions des divers éléments du câble blindé pour fibres optiques destiné à la transmission diagraphie d'un trou de forage, tel qu'il

à la figure 4.

TABLEAU I

Fibre revêtue de verre 51, diamètre de chacune des 3 fibres Tampon en caoutchouc de silicone 52 Epoxyde rempli de fibres de verre 53 "Teflon PFA" de Dupont 54 4 groupes de fils en cuivre , diamètres Isolement PFA et appui du blindage 57 d Deux couches de blindage en acier 58 d de données de est représenté microns 0,8 mm de diamètre extérieur 1,35 mm de diamètre extérieur 1,6 mm de diamètre extérieur 0,22 mm 2,85 mm de diamètre extérieur 4,63 mm de diamètre extérieur En référence à la figure 1, le câble optique de fibres armé est terminé au fond du trou à l'intérieur de l'enveloppe de connecteur de tête de câble 10 a Le

blindage 58 a qui constitue l'élément principal de résis-

tance du câble peut être retenu dans la tête de câble d'une manière classique quelconque Par exemple, il peut

être courbé autour de l'anneau 27 a et coincé dans l'extré-

mité conique du connecteur la La chambre à faible pression a est isolée de la chambre inondée 41 a par la barrière 8 a Des entretoises et d'autres éléments ont été omis pour

la clarté de l'image La barrière 8 a est étanche par rap-

port à l'enveloppe de connecteur i Qa au moyen d'un joint torique i 5 a et par rapport à la couche de câble à faible diffusibilité 57 a au moyen d'un capuchon élastomérique 7 a Si la chambre 41 a n'est pas remplie préalablement par de la graisse protectrice, le capuchon 7 a devrait être réalisé en élastomère fluoré pour résister à une attaque chimique. La figure 3 est une représentation à échelle 1/2 du connecteur de tête de câble construit en fait et destiné à être utilisé avec le câble décrit à la figure

4 et au tableau I L'assemblage et la fonction du connec-

teur ont lieu comme décrit en référence à la figure 1,

sauf qu'on fournit un joint additionnel 7 e pour le capu-

chon Le joint de capuchon 7 e est placé dos à dos par rap-

port au joint de capuchon 7 c pour permettre un essai de

pression des joints du noyau de fibres 57 c avant la des-

cente dans le trou de forage L'essai est réalisé en introduisant de l'huile à pression élevée à travers les

trous qui sont scellés ultérieurement par des vis 6.

La lumière transmise le long du trou de forage

vers le bas est modulée avec le train de données et retrans-

mise à la surface en utilisant l'une ou l'autre des formes de réalisation alternatives illustrées des figures 1 et 2,

respectivement.

Dans la forme de réalisation de la figure 1, la lumière du laser est transmise vers le bas par la fibre 23 a, modulée dans la chambre 40 a, retransmise vers le haut par une seconde fibre 28, et focalisée par la lentille

33 a sur le détecteur 34 a Le détecteur et son amplifica-

teur reçoivent le courant électrique par des conducteurs

38 a reliés à des anneaux coulissants (non représentés).

Dans une forme de réalisation préférée, le détecteur est

une photodiode à avalanche au germanium.

Les extrémités des fibres 23 a et 28 sont pla-

cées de façon précise aux foyers des lentilles 29 a et 30, respectivement Ainsi, la lumière infrarouge émergeant de la fibre 23 a est alignée pour former le faisceau 59 a et passe par les éléments optiques 35, 31 et 32 et ensuite

est refocalisée dans la fibre 28 pour réaliser une re-

transmission vers le haut de la surface Les éléments optiques 35, 31 et 32 sont des composants d'un modulateur de faisceaux lumineux Ce modulateur peut être d'un type

quelconque, tel qu'un modulateur acousto-optique Cepen-

dant, il est de préférence un modulateur à cristal électro-

optique car ce type de modulateur peut être rendu insensible au changement de température Les éléments 35 sont les polariseurs de lumière dont on a besoin pour ce type de modulateur Le cristal électro-optique peut être divisé en quatre cristaux disposés de façon à fournir une double compensation comme décrit à la page 17-12 du "Handbook of Optics" parrainé par la "Optical Society of America Les

cristaux électro-optiques sont faits de préférence à par-

tir de tantalate de lithium qui a un coefficient électro-

optique élevé, une température de Curie élevée et une faible tangente de perte à une fréquence de modulation élevée L'application de tensions électriques aux électrodes sur les éléments 31 est indiquée figurativement par les fils 37 a provenant du connecteur à plusieurs broches 13 a et qui reçoivent des signaux électriques à partir de la sonde de l'instrument (non représentée) Le prisme 32

renverse le mouvement du faisceau de lumière pour le re-

tourner vers la fibre optique 28 Les divers composants du modulateur et des extrémités de fibres sont montés sur une plaquette ayant un coefficient thermique faible, faite

par exemple en "INVAR", un alliage de nickel et de fer.

1 O Le système de transmission optique de la figure 1 utilise la détection directe de la lumière modulée en amplitude Un avantage de ce mode de fonctionnement est que des fibres à modes multiples ayant un diamètre de noyau de 50 microns ou plus peuvent être utilisées Ceci facilite le maintien de la position d'un point focalisé de lumière sur l'extrémité de la fibre Une fibre séparée 28 est incluse dans le câble pour transmettre de la lumière

jusqu'au détecteur Ceci permet d'isoler optiquement l'ex-

trémité de détecteur de la fibre 28 de l'extrémité de laser de la fibre 23 a, et ainsi permet d'éviter la réception de la lumière dispersée vers l'arrière à partir de l'extrémité de laser de la fibre 23 a On évite également une perte de

lumière au niveau du séparateur de faisceau qui serait né-

cessaire si une seule fibre était utilisée pour les deux

transmissions aller-retour Ce système est également in-

sensible à l'étirage du câble.

Si on a besoin de plus d'un canal optique, plusieurs fibres peuvent être incluses de manière à pouvoir retourner la lumière vers la surface à partir de plusieurs modulateurs séparés Cependant, seule une fibre 23 a est nécessaire pour transmettre la lumière à partir du laser vers le bas en direction de plusieurs modulateurs La lumière provenant de la fibre 23 a peut être divisée à ce

niveau par plusieurs séparateurs de faisceaux.

L'autre forme de réalisation de la présente invention illustrée à la figure 2 utilise la détection optique homodyiie au lieu de la détection directe de la lumière modulée transmise vers le haut à partir de la

sonde se trouvant au fond du trou En accord avec la pré-

sente-invention, le laser au néodyme 21 b est forcé

d'osciller à une longueur d'onde À = 1,32 micron Une par-

tie substantielle du faisceau émergent est focalisée par

la lentille 22 b vers le noyau de la fibre optique 23 b.

Cette lumière est transmise vers le bas en direction du connecteur de sonde de l'instrument, est modulée avec le signal de données et retransmise vers le haut sur la même fibre La lumière émergente est dirigée en partie par le

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séparateur de faisceau 60 vers le détecteur 34 b.

Dans le procédé de détection homodyne bien connu, le faisceau modulé par le signal est joint de façon cohérente à une partie du faisceau de laser non modulé, qui est habituellement appelé le faisceau de "l'oscillateur

local" En d'autres termes, les deux faisceaux sont super-

posés avec des fronts d'ondes parallèles à mesure qu'ils approchent du détecteur à travers la lentille 33 b Ceci est réalisé au moyen du séparateur de faisceau 60 et du réflecteur 61 En variante, le réflecteur 61 peut être absent et le faisceau d'oscillateur local obtenu sous la forme d'une réflexion à partir de la face frontale du noyau de la fibre pour garantir une coïncidence des fronts d'ondes. En pratique, le bruit de grêle engendré par la détection du faisceau de l'oscillateur local surpasse

le bruit inhérent du détecteur Par ailleurs, l'interfé-

rence entre les ondes du signal et de l'oscillateur local

dans le détecteur produit un signal électrique d'une fré-

quence égale à la fréquence de différence de ces ondes ainsi qu'un courant qui est proportionnel au produit de leurs amplitudes Ainsi, le signal de données est amplifié en proportion du bruit Le résultat en est que le rapport entre signal et bruit peut être plus important qu'avec une détection directe,même si le détecteur est une diode

PIN en germanium au lieu d'une photodiode à avalanche,pour-

vu que les deux ondes soient spatialement cohérentes au niveau du détecteur Cette exigence signifie que la fibre 23 b doit être une fibre à un seul mode, c'est-à-dire que la fibre doit transmettre seulement les deux modes de

guide d'onde optique dégénérés de l'ordre le plus faible.

La lumière qui descend dans la fibre 23 b émerge dans l'espace scellé 40 b à l'intérieur de l'enveloppe de connecteur 1 Ob La lumière émergente est collimatée par

la lentille 29 b dans le faisceau 59 b qui traverse le modu-

lateur à un seul cristal 62 La lumière est réfléchie à travers le modulateur 62 par le prisme rétroréflecteur en coin de cube 63 et refocalisée dans le noyau de la fibre 23 b et ensuite vers le haut à la surface Le noyau d'une fibre à un seul mode dans lequel est confinée la lumière

est typiquement d'environ 5 microns de diamètre, en con-

traste avec les 50 microns ou plus d'une fibre à modes multiples Comme 5 microns représentent seulement 4 lon- gueurs d'ondes de la lumière du néodyme, le faisceau 59 b doit être retourné à partir du modulateur 62 et refocalisé par la lentille 29 b de façon précise sur le noyau de la

fibre 23 b, en dépit des mouvements résultant des change-

ments de température de l'équipement Ceci est accompli en utilisant un rétroréflecteur en coin de cube comme le prisme 63 Celui-ci a la propriété de réfléchir un rayon dans une direction précisément opposée à celle du rayon incident. Le modulateur 62 peut être un modulateur à

cristal acousto-optique ou un modulateur à cristal électro-

optique Dans ce dernier cas, avec un seul cristal et sans un polariseur et un analyseur, le faisceau de lumière est modulé en phase avec le signal appliqué par des fils conducteurs 37 b La lumière de retour peut être démodulée par le système de détection homodyne, par contraste avec

la détection directe.

La forme de réalisation de l'invention illustrée à la figure 2 est semblable à celle de la figure 1 dans tous ses aspects non décrits cidessus, par exemple la conception du câble et le scellement de la chambre 40 b par le joint en capuchon 7 b comprimant la chemise à faible

diffusibilité 57 b.

Dans cette forme de réalisation préférée de l'invention, la lumière de laser modulée montant par le câble-est détectée et démodulée par un récepteur placé dans le fût rotatif du tambour de câble Le signal de

données électriques doit alors être transmis à un équipe-

ment fixe de traitement ou d'enregistrement de données.

Si la vitesse de transmission des données est inférieure à environ 1 mégahertz, le signal peut être transmis de façon fiable par des anneaux classiques coulissants se trouvant sur l'essieu étendu du tambour de câble Cependant, si le taux est plus élevé, la proportion d'erreur binaire augmente à des niveaux inacceptables à cause du bruit et

de la diaphonie électriques Ceci peut être évité en re-

transmettant le train de données optiquement à un détecteur fixe au moyen de l'une ou l'autre des deux variantes

"d'anneaux coulissants optiques" décrits ci-dessous.

La figure 5 est une vue transversale par l'axe de l'essieu allongé d'un tambour de câble Il est destiné à la transmission de trois faisceaux séparés de lumière par des "anneaux coulissants optiques" Dans cette forme de réalisation de l'invention, des signaux de lumière modulée de laser transmis vers le haut par trois fibres optiques dans le câble sont démodulés dans le fût d'un tambour de câble Les signaux électriques résultants sont conduits par des câbles coaxiaux 103 dans l'essieu vers des diodes émettrices de lumière (LED) ou des diodes laser 102 et 102 a Il est évident que ce signal de lumière émis par la source de lumière 102 a sur l'axe de l'essieu

rotatif est collimaté par la lentille 104 a et,de là,foca-

lisé sur le détecteur fixe 106 a On a omis pour la clarté du dessin les structures de support et un conducteur coaxial provenant des détecteurs Il n'est pas tellement évident que la lumière provenant des deux (ou plus de deux) sources

102 placées à des distances radiales différentes par rap-

port à l'axe restera focalisée sur les détecteurs fixes 106 par les réflecteurs paraboloides nichés l'un dans l'autre 105 à mesure que les faisceaux tournent autour de l'axe Des sections annulaires de lentilles pourraient être utilisées pour focaliser la lumière de signal sur les

détecteurs, mais les réflecteurs paraboloides sont préfé-

rables car ils exercent également la fonction de blindage

optique et électrique.

En principe, les extrémités des fibres optiques provenant du câble pourraient être disposées directement à

la place des sources de lumière 102 et 102 a plutôt que d'ef-

fectuer une régénération des signaux de lumière Cependant, la puissance de lumière de laser retournant vers la surface

est faible et serait atténuée davantage par la perte d'in-

sertion des anneaux optiques coulissants Ceci imposerait

des tolérances très précises pour tous les composants.

De plus, des photodiodes à avalanche très encombrantes seraientnécessaires au lieu des diodes PIN servant de détecteurs 106 et 106 a. La source de lumière 102 a et le détecteur 106 a

peuvent être intervertis pour transmettre dans la direc-

tion opposée et fournir vers le bas des signaux de com-

mande de liaison en direction de la sonde.

L'ensemble de bagues coulissantes optiques est protégé de l'environnement extérieur par une enveloppe fixe 107 qui se place de façon serrée autour du raccord

108 qui tourne autour de l'axe 100.

Les figures 6 et 7 constituent deux vues, l'une selon l'axe et l'autre en section selon la ligne

7-7, d'une représentation schématique d'un "anneau coulis-

sant optique" pour transmettre des signaux de lumière

depuis l'axe rotatif jusqu'à un détecteur voisin fixe.

Une source de lumière 120 est placée sur l'axe de manière à irradier un signal de lumière modulé dans toutes les directions radiales dans un disque transparent 121 ayant un petit trou au centre pour la source de lumière Le disque peut être fait à partir d'une résine acrylique ou une matière plastique transparente similaire La lumière est confinée au disque par réflexion interne totale et trouve sa sortie sur le bord du disque Une feuille fixe transparente 122 ayant à peu près la même épaisseur que

le disque est conformée selon une partie majeure du péri-

mètre du disque, sauf pour un intervalle permettant à celui-ci de tourner avec l'axe Le bord externe 125 de la feuille réfléchit la lumière vers un détecteur à diode 123 qui est relié à un conducteur coaxial 124 La forme du bord de la feuille 125 fait partie d'une ellipse ayant des foyers à la source de lumière et au détecteur Ainsi, une partie majeure de toute'la lumière émise par la source est recueillie sur le détecteur

La source de lumière peut être une diode émet-

trice de lumière LED émettant sur le bord ou, si la fré-

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quence du signal modulé est plus grande qu'environ 30 M Hz, on peut utiliser une diode laser Comme une diode laser n'irradie pas sur 3600 dans le plan de sa jonction, le

modèle désiré de radiation dans le disque peut être réa-

lisé en plaçant le laser de manière à ce qu'il irradie un faisceau le long de l'axe Le faisceau est alors dévié radialement dans le disque par un réflecteur conique placé

coaxialement en 120 avec son sommet dirigé vers le laser.

En variante, le laser peut être placé dans le fût du tam-

bour en compagnie de son dispositif de commande électro-

nique et le signal de lumière émis peut être conduit par une petite longueur de fibres optiques à travers l'axe

vers le sommet du cône réflecteur.

Des canaux de fibres optiques multiples sont transmis par des anneaux coulissants optiques séparés (du type montré à la figure 6) qui sont espacés le long

de l'axe de la partie axiale allongée du tambour de câble.

Les fentes 126 formées dans le disque confinant la lumière 121 sont prévues pour permettre à des éléments structurels et à des conducteurs électriques ou de lumière de traverser le disque en ne détruisant qu'une faible fraction de la lumière. Deux formes de réalisation illustratives de la présente invention ont été décrites ci-dessus, mais diverses modifications pourront être apportées dans leurs éléments constitutifs tout en restant dans le cadre de l'invention.

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Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Système de communication optique destiné à la 3 iagraphie d'un trou de forage, caractérisé en ce qu'il comprend une source laser de lumière ( 21 a) qui oscille à une longueur d'onde supérieure à 1 micron, un câble armé ( 58 a), au moins une fibre optique ( 23 a) dans le câble armé destinée à transmettre la lumière du laser dans le trou de

forage dans un trajet aller et retour, une sonde de dia-

graphie mise en oeuvre, reliée au câble à l'extrémité infé-

rieure du trou, dans la sonde de diagraphie reliée, un dispositif ( 31, 62) pour moduler la lumière de laser par un signal de données, et un dispositif ( 34 a) pour démoduler les signaux de données à partir de la lumière de laser

modulée reçue à l'extrémité supérieure du câble.

2 Système selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que la source laser de lumière est un laser

au néodyme.

3 Système selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que le laser au néodyme est forcé d'osciller

à une longueur d'onde qui est d'environ 1,32 micron.

4 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique ( 28) qui transmet la lumière modulée vers le haut à partir de la sonde ( 40 a) est une fibre séparée de la fibre ( 23 a) qui transmet la lumière

vers le bas en direction de la sonde.

Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique ( 23 b) qui transmet la lumière modulée vers le haut à partir de la sonde est la même que celle qui transmet la lumière vers le bas en direction de

la sonde ( 40 b).

6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lumière passant par le dispositif ( 62) pour

moduler la lumière est redirigée à nouveau vers la fibre -

au moins d'un rétroréflecteur ( 63).

7 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique ne transmet pas plus de deux

modes optiques.

8 Système selon la revendication 7, carac-

térisé en ce que le dispositif pour démoduler le signal de données à partir de la lumière modulée est un appareil

de détection optique homodyne ( 34 b).

9 Système selon l'une des revendications pré-

cédentes, caractérisé en ce qu'à l'intérieur du câble armé

il y a un tube métallique ( 53) imperméable à l'eau conte-

nant au moins une fibre optique.

Système selon l'une quelconque des reven-

dications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend également

un connecteur de tête de câble ( 1 c) pour l'extrémité infé-

rieure du trou du câble armé, une chambre dans ledit con-

necteur étant scellée par rapport au liquide ambiant o passe le câble, et ladite chambre contenant le dispositif

pour moduler la lumière de laser.

11 Système pour transmettre des signaux lumi-

neux distincts multiples à partir de l'extrémité d'un axe rotatif vers des détecteurs fixes, caractérisé en ce qu'il comprend des sources séparées ( 102, 102 a) pour chaque signal

lumineux, positionnées dans l'axe ( 107) de manière à irra-

dier des faisceaux séparés de lumière à des distances radia-

les différentes du centre de l'axe, des dispositifs ( 104, 104 a) symétriques en rotation, concentriques, fixes et séparés pour focaliser les faisceaux séparés de lumière de manière à séparer des points espacés le long du centre étendu de l'axe-, et des détecteurs séparés ( 106, 106 a) situés aux points séparés de manière à intercepter et à convertir

les signaux lumineux en signaux électriques.

12 Système de communication optique à plusieurs

canaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,

comprenant également un tambour ( 107) pour bobiner le câble

armé contenant plusieurs fibres optiques, ainsi qu'un sys-

tème ( 105) pour transmettre des signaux lumineux multiples

distincts à partir de l'extrémité de l'axe rotatif du tam-

bour vers des détecteurs fixes, caractérisé en ce qu'il comprend des sources séparées ( 102, 102 a) pour chaque signal

lumineux, positionnées dans l'axe ( 107) de manière à irra-

dier des faisceaux de lumière séparés à différentes distances radiales par rapport au centre de l'axe, des dispositifs ( 104, 104 a) symétriques en rotation, concentriques, fixes et séparés pour focaliser les faisceaux lumineux séparés vers des points séparés espacés le long du centre prolongé de l'axe, et des détecteurs séparés ( 106, 106 a) placés aux points séparés de manière à intercepter et à convertir

les signaux lumineux en signaux électriques.

13 Système pour transmettre des signaux lumi-

neux distincts multiples à partir d'un axe rotatif vers des détecteurs fixes au moyen de canaux optiques séparés, caractérisé en ce que chacun des canaux optiques comprend au moins un dispositif ( 120) pour irradier des signaux de lumière, lequel est placé à l'intérieur de l'axe près de son centre, un dispositif pour diriger la lumière par des trajets transparents ( 121) dans sensiblement toutes les

directions radiales sur le périmètre de l'axe, un disposi-

tif fixe concave réfléchissant < 122) ayant une forme en section transversale sensiblement elliptique et qui est placé près de l'axe rotatif de manière à focaliser le signal de lumière émergeant des trajets transparents ( 121) vers un point fixe, et un détecteur ( 123) au point fixe

pour convertir les signaux de lumière en signaux électri-

ques. 14 Système de communication optique à plusieurs

canaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,

comprenant un tambour( 107)pour bobiner le câble armé con-

tenant plusieurs fibres optiques, et un système pour trans-

mettre des signaux lumineux distincts multiples depuis l'axe rotatif du tambour de câble vers des détecteurs fixes par des canaux optiques séparés, caractérisé en ce que chacun

des canaux comprend au moins un dispositif ( 120) pour irra-

dier des signaux de lumière, lequel est placé à l'intérieur de l'axe près de son centre, un dispositif pour diriger la

lumière par des trajets transparents ( 121) dans sensible-

ment toutes les directions radiales sur le périmètre de l'axe, un dispositif fixe concave réfléchissant ( 122) ayant une forme en section transversale sensiblement elliptique et placé près de l'axe rotatif de manière à focaliser le signal de lumière émergeant des trajets transparents ( 121) 1 9 vers un point fixe, et un détecteur ( 123) au point fixe

pour convertir les signaux lumineux en signaux électriques.