FR2621072A1 - Systeme de transmission electromagnetique d'information depuis le fond au cours d'un forage et emetteur pour ce systeme - Google Patents

Abstract

Un émetteur de fond 4 est commandé par l'intermédiaire d'un processeur numérique 22 qui reçoit les résultats fournis par des capteurs 20 placés au bas de la colonne de forage pour mesurer des grandeurs physiques. Il comporte un circuit commutateur de puissance 26 qui reçoit la tension continue d'un organe d'alimentation à basse impédance 24 et qui transmet cette tension, dans un sens ou dans l'autre selon la commande, à deux électrodes 14 et 16 formées sur la colonne de forage. Le signal bivalent ainsi appliqué à la roche 11 autour du trou de forage donne naissance à une onde électromagnétique qui est détectée en surface. Application aux forages.

Description

Système de transmission électromagnétique d'information depuis le fond au cours d'un forage1 et émetteur pour ce système
La présente invention concerne les forages qui sont destinés
à rechercher, à atteindre ou à extraire des matériaux divers en
sous-sol, par exemple des hydrocarbures ou des minéraux. Pendant
de tels forages, il est souhaitable que différentes mesures physiques
soient faites à quelques mètres au-dessus de l'outil de forage
en fonctionnement. Ce sont par exemple des pressions, des températures,
des contraintes mécaniques, la radioactivité naturelle, etc...

La connaissance en temps réel des résultats de ces mesures par
les opérateurs du forage permet une grande économie de moyens et
renforce la sécurité. Mais elle nécessite la présence d'un moyen
de transmission entre le fond du forage et la surface du sol. Et
ce moyen doit être utilisable de manière continue pendant le forage.

Indépendamment du choix du procédé de transmission, les procédés
de mesure et de transmission et les moyens matériels correspondant
placés près de l'outil de forage et en surface pour répondre au
besoin défini ci-dessus sont désignés par l'appellation internationa
le : "Measurement While Drilling" ou en abrégé "M.W.D" qui signifie
en anglais "mesure pendant qu'on fore".

Pour réaliser cette transmission on peut penser à l'introduction,
ou à l'intégration d'un fil électrique isolé dans les tiges de
forage qui relient l'outil à la surface. Mais cela est très peu
commode ou très difficile et parfois tout à fait impossible.

Le procédé de transmission actuellement le plus utilisé pour
répondre au besoin défini ci-dessus est internationalement appelé "Mud
pulse", c'est-à-dire "à impulsion dans la boue" ou "à boue pulsée".

Il utilise la propagation d'une onde de pression hydraulique dans
la boue de forage fluide qui est classiquement injectée à l'intérieur
des tiges de forage. Cette boue est un liquide le plus généralement
à base d'eau. Elle remonte autour des tiges de forage en remplissant
le trou.

On a proposé un autre procédé de transmission M.W.D. Son
principe est la propagation d'une onde électromagnétique à basse fréquence qui est émise depuis le fond du forage à travers la roche constituée par les couches géologiques traversées. Cette onde est modulée de telle sorte qu'elle véhicule ces informations. Elle est détectée en surface sur un récepteur approprié.

Ce procédé a les avantages suivants - Il permet dans de nombreux cas, un débit d'information plus élevé que le procédé "à boue pulsée".

- Il n'utilise pas de pièces mécaniques mobiles soumises à érosion par la boue de forage qui est chargée de particules solides ; il est ainsi plus fiable et plus facile à maintenir que le procédé "à boue pulsée".

- L'émission n'est pas directement dépendante du débit hydraulique de cette boue comme dans le procédé "à boue pulsée. Ceci étend l'application du procédé à des phases supplémentaires du forage, par exemple à la transmission d'informations depuis le fond d'un trou après le forage de ce dernier,
On va maintenant décrire un peu plus précisément ce procédé de transmission électromagnétique, tel qu'il est actuellement connu.

On va d'abord décrire le procédé de forage dans le cadre duquel il est connu de mettre ce procédé de transmission en oeuvre.

On appelle ci-après, appareil de forage, l'ensemble des moyens matériels placés en surface (sur terre, ou en mer sur une plateforme posée au fond de la mer, ou sur un navire) nécessaires pour exécuter un forage, en dehors des moyens de mesure et de transmission.

Conformément à la figure 7 l'appareil de forage 1 met en oeuvre un outil de forage 2 au bout d'une succession de tiges de forage creuses en acier 3 qui sont vissées les unes au bout des autres et que l'on appelle dans la suite, train de tiges 3.

Une partie des moyens de mesure et de transmission en temps réel est incluse dans le train de tiges 3 le plus près possible de l'outil 2. Cette partie est intégrée dans une structure qui du point de vue mécanique et hydraulique, Joue le rôle d'une tige de forage et que l'on appellera dans la suite l'émetteur 4.

La surface extérieure métallique de cet émetteur est séparée en deux zones 14 et 16 par un intervalle isolant 18. La présence de cet intervalle permet d'injecter dans la roche un signal électrique alternatif de transmission qui est appliqué entre ces deux zones et qui donne naissance à une onde électromagnétique se propageant dans la roche. Des organes situés à l'intérieur de l'émetteur 4 permettent d'engendrer ce signal. Ils seront décrits plus loin.

En cours de forage, le trou déjà foré 6 est consolidé, au moins sur une partie de sa hauteur, par un tubage 5 (ou casing en anglais) qui est constitué d'un tube en acier, donc conducteur électrique. Ce tubage 5 est entouré d'un coulis de ciment 10 injecté à partir de la surface. Il empêche la roche 12 de se refermer et de coincer le train de tiges 3. Il empêche aussi l'arrivée d'eau ou la fuite de la boue de forage qui remplit le trou 6 et le train de tiges 4. Cette boue est habituellement électriquement meilleure conductrice que le coulis 10 ou la roche 12 tout en étant beaucoup moins bonne conductrice que l'acier du train de tiges.

Au fur et à mesure que le trou est approfondi, on place de nouveaux tubages de plus en plus profonds et étroits en passant à l'intérieur des précédents, afin de protéger une plus grande partie de la hauteur du trou.

En ce qui concerne la transmission de l'information portée par l'onde électromagnétique, l'émetteur étant au fond du trou, il faut assurer la détection de cette onde en surface. Différents types de capteurs peuvent être utilisés pour cela. Ils détectent l'onde électromagnétique sous des formes différentes
Des électrodes 7 peuvent être enfoncées en terre, ou placées au fond de la mer. Elles permettent de mesurer une différence de potentiel représentative du champ électrique engendré par l'onde électromagnétique émise par l'émetteur 4.

Le tubage 5 peut être utilisé pour constituer une telle électrode.

On peut aussi utiliser un capteur inductif de courant conçu sur le même principe qu'une pince ampèremétrique du commerce. Ce capteur est alors disposé autour du tubage et du train de tiges afin de mesurer l'intensité du courant électrique qui les parcourt à leurs extrémités de surface, étant noté qu'ils sont électriquement liés par la boue de forage. L'existence d'un courant résiduel à l'extrémité supérieure du train de tiges est liée au fait que celuici est de nouveau mis à la terre par l'appareil de forage. Elle résulte fondamentalement du fait que la propagation de l'onde électromagnétique à travers la roche depuis l'émetteur ne peut se faire sans que le train de tiges soit parcouru par un courant, de même que l'injection d'un courant dans le train de tiges s'accompagne réciproquement de la propagation d'une onde électromagnétique dans la roche.C'est-à-dire qu'il s'agit d'un seul et même phénomène qui se manifeste à la fois par un champ électromagnétique dans la roche et par un courant dans le train de tiges.

Les signaux fournis par le capteur sont transmis par des liaisons électriques à des moyens électroniques et/ou informatiques d'amplification, de filtrage, de démodulation et de décodage.

L'ensemble constitue un récepteur de surface 8.

La possibilité de détecter utilement l'onde électromagnétique en surface dépend des conditions dans lesquelles cette onde a été émise et s'est propagée. On va maintenant examiner plus précisément ces conditions, car elles imposent des limites au procédé de transmission électromagnétique.

L'émetteur 4 émet une onde qui se propage jusqu'à la surface en subissant un amortissement de l'amplitude du champ électrique.

Cet amortissement est exponentiel en fonction de la distance parcourue à travers la roche, c'est-à-dire que le champ électrique de l'onde peut s'exprimer en module de la manière suivante :
E(x) = Eo.e -x/p où : x est la distance parcourue par l'onde électromagnétique,
E (x) est l'amplitude du champ électrique à la distance x de l'émetteur, et p est une épaisseur de peau. Cette épaisseur est donnée par l'égalité suivante
p = (pi.mu. sigma.f) -1/2 ou pi = 3,1416,
mu = constante - 12,6.10-7
sigma = conductivité de la roche traversée en mho--m , et
f = fréquence de l'onde électromagnétique en hertz.

Les limites du procédé résultent des ordres de grandeur suivants - La conductivité de la roche peut atteindre 1 mho/m.

- La fréquence minimale compatible avec un débit d'information suffisant et la répartition spectrale du bruit de fond naturel est de l'ordre de 2 hertz.

La valeur de l'épaisseur de peau donnée par l'égalité ci-dessus est alors, environ
p = 350 m
Si la portée demandée au procédé de transmission est 4000m, profondeur souvent atteinte par les forages pétroliers, alors l'amort s- sement du champ électrique"en surface est considérable
E(x)/Eo
Il n'existe pas, actuellement, de système capable de transmettre utilement des informations dans les conditions définies ci-dessus.

Selon une première voie pour résoudre ce problème différentes tentatives ont été faites pour améliorer la détection en surface dans le but d'augmenter utilement le niveau du signal de réception.

Lorsque deux électrodes sont utilisées, la différence de potentiel mesurée (qui est l'intégration du champ électrique sur la distance entre les deux électrodes) est d'autant plus élevée que la distance est grande. On peut donc augmenter cette distance pour accroitre le signal utile. Mais le bruit de fond est alors amplifié avec le signal utile. Il n'y a donc pas de gain en ce qui concerne le rapport signal sur bruit. Or, on sait que ctest ce rapport qui définit les possibilités d'utilisation du signal.

La situation est analogue lorsqu'on utilise un capteur inductif de courant disposé en surface autour du tubage. En effet, l'amplitude du courant électrique parcourant le train de tiges s'amortit exponentiellement en fonction de la distance selon la loi d'amortissement indiquée précédemment pour le champ : elle dépend de la fréquence de l'onde émise et de la conductivité de la roche traversée. Finalement il apparat que le rapport signal sur bruit n'est pas amélioré.

Plus cette fréquence est élevée, plus l'amortissement est élevé, et plus il est difficile de détecter le champ électrique transmis, ou le courant dans le tubage, à une distance donnée.

Et plus donc la portée de la transmission est faible. Or on sait que le débit d'informations qu'il est possible de transmettre en utilisant la modulation d'une onde porteuse progressive est d'autant plus grand que la fréquence de cette onde porteuse est élevée.

Compte tenu du fait que le rapport signal sur bruit à la détection de l'onde électromagnétique (ou du courant dans le tubage) doit atteindre une valeur minimale compatible avec une bonne transmission de l'information il est généralement admis que l'on doit utiliser un signal porteur sinusoidal à la fréquence la plus élevée compatible avec cette valeur minimale.

Une deuxième voie peut être choisie pour résoudre le problème de la transmission électromagnétique, c'est-à-dire de l'obtention d'un rapport signal sur bruit accru dans le récepteur de surface.

Elle consiste à augmenter autant que possible la puissance de l'onde que l'émetteur 4 engendre dans la roche. Il faut pour cela non seulement que la puissance de l'émetteur fournissant le signal d'émission soit élevée, mais aussi que cet émetteur possède une impédance de sortie convenable, compte tenu notamment des résistivités électriques de la boue de forage et surtout de la roche.

On connaît deux types d'émetteur de fond pour engendrer ce signal.

Un premier type d'émetteur n'est pas conforme à la figure 1 et va être décrit à l'aide des figures 2 et 3 qui sont très schématiques.

Un circuit magnétique torique 200 est disposé autour d'un tronçon 202 à diamètre restreint du train de tiges métalliques de forage. Une bobine 204 ayant ce circuit magnétique pour noyau permet d'y créer un flux magnétique alternatif sinusoidal. En conséquence un courant alternatif est induit dans le train de tiges. Ce dernier étant immergé dans un milieu conducteur (la boue de forage et la roche), un courant alternatif est injecté dans ce milieu 11, et y engendre une onde électromagnétique.

La bobine 204 est alimentée par un amplificateur linéaire 206 qui reçoit d'une part un signal de modulation porteur d'information 208 d'autre part une tension électrique d'alimentation continue 210.

Bien entendu, et contrairement à ce qui est symboliquement représenté, tous ces organes sont à l'intérieur d'un cylindre présentant le diamètre des tiges de forage.

En considérant le circuit magnétique de ce premier type d'émetteur comme le circuit magnétique d'un transformateur, en considérant de même la bobine comme le primaire de ce transformateur, le train de tiges peut être considéré comme une spire du secondaire du même transformateur, cette spire étant fermée sur une charge constituée par la roche 11.

Une disposition plus pratique des différents éléments de ce transformateur apparait alors possible et elle est réalisée dans un deuxième type d'émetteur qui correspond à la figure 1 et qui va être décrit à l'aide des figures 4 et 5.

Une tension d'alimentation 212 et le signal de modulation 214 sont appliqués à un amplificateur 216 qui alimente la bobine primaire 218 enroulée autour du circuit magnétique torique 220 d'un transformateur.

Le secondaire 222 de ce transformateur est constitué de une ou plusieurs spires de fil conducteur. Les deux extrémités de ce fil sont connectées à deux zones 224 et 226 du train de tiges. Ces deux zones sont isolées électriquement par un raccord 228, mais elles sont en même temps immergées dans le milieu conducteur et résistif 11 comme précédemment. Elles permettent donc l'injection d'un courant dans ce milieu c'est-à-dire qu'elles engendrent une onde électromagnétique.

Un émetteur de ce deuxième type est par exemple décrit dans le brevet US-A-4 496 174 (Mc Donald et autres).

Cette disposition supprime l'obligation de placer le circuit magnétique autour du train de tiges. Il peut ainsi être placé à l'intérieur du train de tiges et être mieux protégé de l'environnement.

Cette disposition permet aussi de diminuer la taille du circuit magnétique du transformateur. En effet la charge imposée au secondaire du transformateur (que l'on peut d'ailleurs considérer comme une résistance pure) définit, pour une valeur donnée du courant injecté dans la roche 11, une valeur de tension aux bornes du secondaire donc une tension par spire au secondaire d'autant plus petite que le nombre de spires est grand, ce qui permet de diminuer la section du circuit magnétique compte tenu du niveau d'induction à saturation des matériaux utilisables. La possibilité ainsi offerte de multiplier le nombre de spires au secondaire (et évidemment au primaire) permet de diminuer d'autant la section du circuit magnétique.

Les pertes par effet Joule qui sont ainsi augmentées dans mes spires ne permettent pas, cependant, d'augmenter ce nombre autant qu'on le voudrait.

Dans ces conditions les deux types d'émetteur actuellement connus sont très limités quant aux possibilités d'augmentation de leur puissance. Il en résulte que cette deuxième voie ne parait pas permettre mieux que la première d'obtenir l'amélioration souhaitée de la transmission.

La présente invention a pour but de réaliser un système de transmission électromagnétique d'information depuis le fond au cours d'un forage de manière à accroître la profondeur de forage jusqu'à laquelle l'information peut être utilement reçue en surface et/ou à permettre cette réception en présence de roches plus absorbantes pour les ondes électromagnétiques et/ou à accroître le débit d'information reçu et/ou à accroître la qualité de l'information reçue. Elle vise à atteindre ces buts grâce à une augmentation du rapport signal sur bruit qui caractérise le signal de réception en surface.

On va voir qu'elle permet d'obtenir cette augmentation comme résultat d'une augmentation de la puissance de l'onde électromagnétique engendrée par l'émetteur de fond. C'est pourquoi elle a en même temps pour but la réalisation d'un émetteur de fond de puissance accrue et/ou d'encombrement réduit, et/ou de dissipation thermique diminuée et/ou simple, sur et peu coûteux.

C'est dans ces buts qu'elle a pour objet un système de transmission électromagnétique d'information depuis le fond au cours d'un forage, ce système étant destiné à être utilisé lors d'un forage qui est effectué à travers une roche hétérogène électriquement conductrice et résistive à l'aide des organes suivants, à partir du fond, - un outil de forage pour creuser un trou de forage, - un train de tiges portant cet outil et constitué de tiges métalliques creuses qui se succèdent du fond à la surface en un nombre qui est accru par adjonction de nouvelles tiges lorsque la profondeur du train de forage croit, ce train et des organes qu'il porte constituant une colonne de forage qui présente une longueur selon l'axe du trou de forage, - et un appareil de forage en surface notamment pour fournir énergie motrice audit outil de forage, pour effectuer ladite adjonction de nouvelles tiges, et pour injecter dans ledit train de tiges une boue de forage afin qu'elle en sorte au contact de cet outil et qu'elle remonte dans le trou de forage autour de ce train en entraînant des débris de roche formés par cet outil, cette boue mettant ce train de tiges en contact électrique résistif avec la roche autour du trou sur toute l'épaisseur traversée par ce train, - au moins un capteur de fond étant porté par ce train près dudit outil pour fournir une information sur la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit, - ce système de transmission étant destiné à transmettre cette information jusqu'à la surface du sol et comportant pour cela les organes suivantes - des moyens situés près dudit outil et connectés à ce capteur pour fournir un signal de modulation représentatif de cette information, - un générateur d'émisssion près dudit outil pour former un signal électrique d'émission modulé par ce signal de modulation et présentant une forme convenable et une puissance suffisante pour permettre sa transmission utile jusqu'à la surface du sol1 - un organe d'alimentation électrique de puissance située près dudit outil pour fournir la puissance électrique nécessaire à ce générateur d'émission, - une antenne d'émission enterrée constituée par au moins deux électrodes formées chacune par une zone conductrice de la surface extérieure de ladite colonne de forage, ces deux électrodes étant séparées par un intervalle isolant formé sur cette colonne au voisinage dudit outil, ledit signal d'émission étant appliqué entre ces deux électrodes de manière à engendrer une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers la roche notamment vers ia surface au sol en se manifestant à la fois par un champ électromagnétique et des courants dans la roche et par un courant longitudinal dans la colonne de forage au dessus dudit intervalle isolant, - et un récepteur de surface pour recevoir cette onde électromagnétique affaiblie, pour en former un signal de réception, et pour démoduler ce signal de réception de manière à former un signal démodulé permettant de reconstituer ladite information, - ce système de transmission étant caractérisé par le fait que ledit générateur d'émission est un circuit commutateur de sortie propre à transmettre aux deux dites électrodes, en réponse à un signal de commutation, soit l'une soit l'autre de deux tensions électriques continues fournies par ledit organe d'alimentation de puissance de manière que ledit signal d'émission soit engendré sous la forme de la succession alternative de ces deux tensions sans dissipation gênante d'énergie dans ce générateur, - un générateur de signal de commutation fournissant ledit signal de commutation sous la forme d'un signal porteur modulé par ledit signal de modulation.

Les avantages de la présente invention par rapport aux systèmes incluant les deux types d'émetteurs connus précédemment décrits résultent du fait que ces derniers contiennent, tous les deux, un amplificateur linéaire et un transformateur de couplage en sortie.

Un amplificateur linéaire a, par construction, un rendement faible, ce qui ne permet pas d'utiliser correctement l'énergie disponible au fond. De plus les pertes thermiques sont importantes et obligent à limiter encore le courant traversant l'étage électronique de puissance, en tenant compte des dimensions des radiateurs des composants. Une augmentation de ces dimensions apparaît difficile en raison du manque de place disponible.

Le transformateur de couplage en sortie, pour être adapté aux fréquences basses, est déjà très volumineux et il doit être d'autant plus volumineux que l'on souhaite obtenir un courant de sortie plus élevé. Une augmentation de ce courant apparait donc difficile pour la raison de manque de place indiquée. Selon la présente invention on évite d'utiliser un tel amplificateur et un tel transformateur de sortie.

Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particulières suivantes - Les deux dites tensions transmises Par le circuit commutateur de sortie sont les deux tensions opposées qui apparaissent dans un sens et dans l'autre entre une première et une deuxième bornes dudit organe d'alimentation de puissance, ce circuit comportant au moins deux composants de commutation pour relier ces bornes soit à une première et à une deuxième dites électrodes soit à cette deuxième et à cette première électrodes, respectivement, selon la valeur dudit signal de commutation.

- Ledit signal de modulation présente seulement deux valeurs et est synchronisé sur des instants d'horloge qui se succèdent périodiquement à une fréquence d'horloge de modulation.

- ce signal porteur étant périodique lorsqu'il n'est pas modulé et présentant alors deux valeurs qui se succèdent alternativement à une fréquence porteuse multiple de ladite fréquence d'horloge de modulation en synchronisme avec ce signal de modulation, la modulation de ce signal porteur étant réalisée par le fait que sa phase est remplacée par la phase opposée chaque fois que ce signal de modulation change de valeur, de manière à faire apparaitre en surface un signal de réception sensiblement sinusoïdal à ladite fréquence porteuse avec une modulation permettant de former ledit signal démodulé.

- Ledit signal porteur présente chacune de ses deux valeurs pendant la moitié de chacune de ses périodes lorsqu'il n'est pas modulé, de manière à permettre, lorsqu'il est modulé, une démodulation facile dudit signal de réception.

La présente invention a également pour objet l'émetteur du système défini ci-dessus.

A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.

Le mode de mise en oeuvre décrit comporte les dispositions mentionnées ci-dessus comme avantageuses selon la présente invention.

Il doit être compris que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques.

La figure 1 a déjà été décrite et représente une vue d'une installation de forage munie d'un système de transmission selon l'invention.

La figure 2 a déjà été décrite et représente une vue symbolique en perspective de l'émetteur d'un premier système de transmission connu.

La figure 3 a déjà été décrite et représente un schéma par blocs de cet émetteur.

La figure 4 a déjà été décrite et représente une vue symbolique en perspective de l'émetteur d'un deuxième système de transmission connu.

La figure 5 a déjà été décrite et représente un schéma par blocs de l'émetteur de la figure 4.

La figure 6 représente les variations de divers signaux dans l'émetteur du système selon l'invention.

La figure 7 représente le spectre d'un signal d'émission qui serait obtenu à partir d'un signal porteur sinusoïdal.

La figure 8 représente le spectre du signal d'émission selon l'invention.

La figure 9 représente un schéma par blocs d'un émetteur selon l'invention.

La figure 10 représente un schéma par blocs de l'organe d'alimentation de cet émetteur.

La figure 11 représente le schéma par blocs d'une'ariante du convertisseur de cet organe d'alimentation.

En se référant à la figure 9 le capteur précédemment mentionné est représenté en 20. Les moyens connectés au capteur pour fournir le signal de modulation M (voir figure 6) sont constitués par une partie d'un processeur 22 qui constitue en même temps le générateur du signal de commutation C. Ce processeur comporte une horloge de commutation à ladite fréquence porteuse fO. Les instants d'horloge de modulation sont obtenus par division à partir des instants définis par cette horloge de commutation.

La fréquence porteuse doit être égale au moins au double de la fréquence d'horloge pour permettre une restitution de l'information par démodulation à la réception.

En fait cette fréquence porteuse est d'abord choisie de manière à obtenir une puissance suffisante du signal de réception non démodulé.

Cette fréquence est en général comprise entre 2 et 200 Hz, et de préférence entre 5 et 10 Hz environ. Des fréquences trop basses présenteraient en effet non seulement l'inconvénient d'une faible valeur du débit d'information qu'elles permettraient, mais aussi celui de tomber dans un domaine spectral où le bruit de fond naturel est important. On choisit ensuite la fréquence d'horloge et donc le débit d'information susceptible d'être transmis, en divisant cette fréquence porteuse par un nombre entier qui est d'autant plus grand que l'épaisseur de roche à traverser est grande, ou, plus précisément que le nombre d'épaisseurs de peau contenues dans cette roche est grand.La démodulation du signal de réception se faisant après son passage à travers un filtre, ce nombre est choisi suffisamment grand pour que la bande passante de ce filtre puisse être suffisamment étroite pour abaisser le bruit de fond à un niveau acceptable. Ce nombre est généralement compris entre 2 et 10. Comme on le sait la modulation réalisée à la fréquence d'horloge fH ainsi obtenue-pehmet de transmettre un signal informatif dont la bande de fréquences est limitée par une fréquence maximale f = fH/2.

Sur la figure 6 les instants d'horloge du signal de modulation sont représentés en H et leur fréquence fH est représentée comme égale au tiers de la fréquence porteuse fO.

Le signal porteur P est mentionné et représenté pour faciliter la compréhension mais il n'est pas nécessaire qu'il apparaisse réellement dans le processeur 22.

Le signal de commutation C est appliqué au circuit commutateur de sortie qui porte la référence 26 et qui est constitué par exemple à l'aide de quatre transistors de commutation.

Il fournit un signal d'émission E qui reproduit le signal de commutation C mais avec une intensité très supérieure.

La tension transmise par ce circuit pour constituer ce signal est fournie par un organe d'alimentation de puissance qui porte la référence 24 et qui est lui-même alimenté à partir d'un générateur dynamoélectrique 27. Ce dernier est un alternateur entraîné par la boue de forage par l'intermédiaire d'une turbine non représentée.

Il fournit une tension alternative à une fréquence qui varie au cours du forage, par exemple de 50 à 300 herz sous une tension et une impédance interne qui varient en même temps. Ces variations résultent des variations du débit de la boue de forage, ce dernier débit étant imposé par des conditions de forage indépendantes des problèmes de transmission.

Il apparaît que l'émetteur selon l'invention ne comprend ni amplificateur linéaire, ni transformateur de couplage en sortie.

Il injecte dans la colonne de forage ou "garniture" un courant qui, au contraire des techniques habituelles, n'est pas sinusoidal, mais s'établit alternativement selon une code porteur de l'information, à une valeur et son opposée.

L'efficacité du système de transmission ainsi constitué peut être expliquée comme suit
La transmission est correcte si le niveau d'énergie qui parvient au récepteur est suffisant et lorsque les déformations des signaux restent inférieures à certains limites.

L'émetteur et le récepteur sont séparés par le milieu de transmission, ici les couches géologiques qui constituent la roche.

Celui-ci altère l'énergie émise par dispersion, par absorption et par apport d'énergie parasite, ou bruits.

L'information à transmettre est en général le résultat variable dans le temps de la mesure d'une ou plusieurs grandeurs physiques.

Ce résultat peut être représenté par un signal dont la représentation spectrale est bornée supérieurement par une fréquence fc. Il n'est pas possible de transmettre ce signal sans transformation particulière.

En effet, les bruits sont particulièrement importants aux fréquences les plus basses. Il apportent des erreurs quine peuvent être corrigées après réception. C'est pourquoi les systèmes de transmission connus transposent le signal à transmettre sur un signal porteur sinusoldal.

La figure 7 représente le spectre du signal d'émission qui est formé lorsque le signal à transmettre précédemment mentionné est transposé par modulation d'un signal porteur sinusoïdal à la fréquence fO, ce signal à transmettre constituant un signal de modulation.

Ce signal d'émission présente un spectre qui s'étend entre les fréquences f - f c et f0 + f . Pour que la démodulation d'un
o tel signal soit possible, il faut que f soit strictement inférieur paf0.

La figure 8 représente le spectre d'un signal d'émission tel que E présentant la même puissance et obtenu à partir du même signal de modulation tel que M, avec un signal porteur tel que P de même fréquence f0 mais conforme à l'invention.

Ce spectre comprend d'abord une bande fondamentale comprise entre les fréquences fo - f c et fo + f c et semblable à- celle du signal d'émission à porteur sinusoidal de la figure 7. Il comprend ensuite des bandes supérieures de même largeur centrées sur les fréquences 3fO, 5fO etc... c'est-à-dire sur les multiples impairs de la fréquence porteuse fO. La puissance émise dans la bande fo - fc, fo + fc représente 81 pour cent de la puissance totale émise. La puissance correspondant à l'ensemble de ces bandes supérieures est donc faible.

Le phénomène de dispersion lié à la transmission d'une onde électromagnétique dans un milieu conducteur, tel que la roche, oblige éventuellement à réduire encore la bande passante relative + + fc) / (fo = fc) par réduction de la fréquence fc, qui est déjà inférieure à fo.

Dans tous les cas, le spectre du signal d'émission selon l'invention (figure 8), dans le domaine de fréquence fo - fcs fo + est toujours semblable à celui de la figure 7. Le signal dans cette bande sera donc démodulé sans difficulté supplémentaire par rapport à la démodulation du signal à porteur sinusoIdal.

La présence des harmoniques n'est pas vraiment gênante car l'absorption accrue des fréquences élevées fait que les bandes supérieures du signal d'émission sont transmises avec un rendement beaucoup plus faible que la bande fondamentale. En fait, il est souvent préférable, selon l'invention, de faire précéder cette démodulation par un filtrage à l'aide d'un filtre passe bande 12 (voir fig.1). Ce filtre est incorporé dans le récepteur 8 après un premier étage d'amplification non représenté. Il arrête les composantes qui subsistent aux fréquences des bandes supérieures du signal d'émission et qui pourraient déformer le signal résultant de la démodulation.

Il apparaît de ce qui précéde qu'une partie de la puissance du signal d'émission est perdue dans les bandes de fréquences supérieures de ce signal. C'est-à-dire que, par rapport au cas du signal porteur sinusoïdal de la figure 7 et pour une même puissance d'émission, la puissance du signal de réception est diminuée par rapport au bruit, surtout après le filtrage passe-bande. On pourrait donc craindre que la qualité de la transmission soit diminuée, ce qui serait contraire au but recherché. En fait cette diminution est légère et la présente invention permet par ailleurs une augmentation considérable de la puissance d'émission. Elle permet donc finalement d'obtenir un signal de réception de puissance sensiblement augmentée.

De préférence et comme représenté sur la figure 10 ledit organe d'alimentation de puissance 24 comporte - un générateur dynamoélectrique rotatif 27 entrainé par ladite boue de forage et fournissant une première tension alternative à une première fréquence et avec une impédance initiale, - un premier redresseur 28 recevant cette première tension alternative et fournissant une première tension continue, - un circuit hacheur 30 hachant cette première tension continue et fournissant une deuxième tension alternative hachée à une deuxième fréquence supérieure à la première, - un transformateur 32 recevant cette deuxième tension alternative et fournissant une troisième tension alternative avec une impédance abaissée, - et un deuxième circuit redresseur 34 recevant cette troisième tension alternative et fournissant une tension continue de sortie avec une impédance de sortie qui est aussi celle dudit signal d'émission, ce deuxième circuit redresseur constituant avec ce transformateur et ce hacheur un convertisseur continu-continu abaisseur d'impédance 36, grâce à quoi ce signal d'émission (E) est engendré de manière durable sans dissipation gênante d'énergie avec une impédance qui convient à la transmission et qui peut être obtenue à l'aide d'un transformateur 32 de dimensions réduites.

L'alternateur qui constitue le générateur 27 fournit aussi l'énergie nécessaire aux capteurs tels que 20 et au processeur 22, ceci par l'intermédiaire d'un organe d'alimentation secondaire non représenté.

La fréquence du hacheur 30 est par exemple de quelques dizaines de kiloherz, ce qui permet à la fois de réaliser facilement ce hacheur et de donner de petites dimensions au transformateur 32.

Les avantages de ce type d'organe d'alimentation électrique de puissance peuvent être expliqués comme suit
La charge 11, en sortie de l'émetteur a une impédance particulièrement faible ; en d'autres termes l'émetteur doit fournir un courant élevé sous une tension faible. L'ordre de grandeur que l'on peut citer actuellement est pour le courant de dix à quelques centaines d'ampères, et pour la tension de un à quelques dizaines de volts.

Il est possible de trouver une source d'énergie électrique dont l'impédance interne est telle qu'elle est adaptée à la fourniture du courant cité plus haut sous la tension citée plus haut. En particu lier une batterie de piles pourrait convenir. Cependant, dans le cas du forage, une batterie de piles a une durée de service trop faible, -compte tenu du volume disponible et de la quantité d'énergie nécessaire. Il est préférable dans bien des cas de mettre en oeuvre une source d'énergie plus durable telle qu'un alternateur par exemple.

Celui-ci a normalement une impédance interne beaucoup plus forte et de plus fortement variable, ce qui oblige à introduire un dispositif capable de fournir à sa sortie une puissance avec une impédance adaptée à la charge, alors qu'il reçoit cette puissance avec une impédance définie par la source d'énergie.

Divers schémas électroniques existent dans la littérature qui permettent de construire un tel organe d'alimentation. Certains sont connus sous le nom de convertisseur continu-continu. Dans le cadre de l'invention le convertisseur est de préférence conçu de telle sorte que les composants électroniques formant le hacheur travaillent en commutation afin d'obtenir le meilleur rendement.

D'autre part ces dispositifs contiennent un transformateur. Celuici a une taille très réduite parce que la fréquence du courant alternatif utilisé est élevée (quelques kilohertz à quelques dizaines de kilohertz).

Quoique l'organe d'alimentation qui vient d'être décrit présente les avantages déjà citées (à savoir : rendement très élevé, augmentation importante de la valeur du courant maximal en sortie), il peut être plus avantageux encore d'utiliser un organe d'alimentation qui sera décrit ci-après en variante à l'aide de la figure 11.

Les avantages de cette variante apparaissent dans le cas notamment d'un forage. En effet, dans ce cas l'impédance de la charge peut varier de façon importante au cours de l'utilisation de l'émetteur.

Cela est dû aux variations de la conductivité de la roche en fonction de la profondeur. En présence de telles variations l'émetteur ne peut le plus souvent pas utiliser complètement l'énergie disponible à la sortie de la source d'énergie surtout lorsque la tension et l'impédance interne de celle-ci varient aussi. Ce qui signifie que le courant injecté dans la charge ne peut avoir en permanence la plus élevée des valeurs que la source d'énergie autoriserait.

C'est pourquoi, selon cette variante, ledit convertisseur continu-continu 40 est un convertisseur commandable qui fait varier, en réponse à un signal de réglage d'impédance 42, le rapport entre sa dite impédance sortie et celle sous laquelle il reçoit ladite première tension continue. Le système de transmission comporte alors en outre des moyens de mesure 46 pour fournir ledit signal de réglage d'impédance à ce convertisseur de manière à s'opposer à une diminution de l'amplitude dudit signal de réception lorsque la conductivité de la roche traversée varie.

Ces moyens de mesure peuvent être par exemple situés en surface et mesurer la puissance du signal de réception. Mais il est alors nécessaire d'utiliser un système de transmission pour appliquer le signal de réglage d'impédance au convertisseur à travers la roche.

Un tel système peut être conçu de manière relativement simple et économique car il n'a qu'un très faible débit d'information à transmettre. Il est cependant souvent préférable d'éviter le coût d'un tel système. C'est pourquoi, de préférence et conformément à la figure 11, lesdits moyens de mesure 44 qui fournissent ledit signal de réglage d'impédance 42 mesurent pour cela la tension et/ou l'intensité en sortie dudit convertisseur 40 et/ou l'intensité dudit signal d'émission E et/ou l'intensité du courant qu'il crée à travers lesdites électrodes 14, 16 et/ou une combinaison de telles grandeurs mesurables localement.

La variation de l'impédance de sortie du convertisseur continucontinu peut être obtenue de diverses manières connues en ellesmêmes.

Cependant, selon l'invention, cette variation est de préférence obtenue grâce au fait que ledit transformateur incorporé dans ledit convertisseur continu-continu comporte plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires T1, T2,...Tn, et des interrupteurs Il, I2, In pour mettre en service les uns et/ou les autres de ces enroulements, en réponse audit signal de réglage d'impédance 42.

Conformément à la figure 11 le convertisseur 40 est par exemple composé d'un hacheur d'entrée 44 suivi de n transformateurs T1, T2...Tn suivis chacun d'un circuit redresseur R1, R2...Rn avec filtrage.

Les n transformateurs et circuits redresseurs sont connectés en parallèle.

A chaque transformateur est affecté un interrupteur T1, T2,...Tn, qui est disposé en entrée et dont le rôle est de mettre en service, ou au contraire de mettre hors service le transformateur associé, ainsi que le circuit redresseur associé.

Ces transformateurs sont tous différents ; leurs enroulements sont calculés afin que chacun puisse fournir le courant de sortie demandé selon la charge.

Un organe de commande d'interrupteurs 48, ferme l'interrupteur convenable, les autres étant ouverts. Il choisit l'interrupteur à fermer selon la valeur du signal de réglage d'impédance 42 qui est fourni par les moyens de mesure 46. Ces derniers mesurent la tension et l'intensité en sortie du convertisseur.

Claims (9)

REVENDICRTIOS

1/ Système de transmission électromagnétique d'information depuis le fond au cours d'un forage, ce système étant destiné à être utilisé lors d'un forage qui est effectué à travers une roche hétérogène électriquement conductrice et résistive (11) à l'aide des organes suivants, à partir du fond, - un outil de forage (2) pour creuser un trou de forage, - un train de tiges (3) portant cet outil et constitué de tiges métalliques creuses qui se succèdent du fond à la surface en un nombre qui est accru par adjonction de nouvelles tiges lorsque la profondeur du train de forage croit, ce train et des organes qu > il porte constituant une colonne de forage qui présente une longueur selon l'axe du trou de forage, - et un appareil de forage (1) en surface notamment pour fournir l'énergie motrice audit outil de forage, pour effectuer ladite adjonction de nouvelles tiges, et pour injecter dans ledit train de tiges une boue de forage afin qu'elle en sorte au contact de cet outil et qu'elle remonte dans le trou de forage autour de ce train en entrainant des débris de roche formés par cet outil, cette boue mettant ce train de tiges en contact électrique résistif avec la roche autour du trou sur toute l'épaisseur traversée par ce train, - au moins un capteur de fond (20) étant porté par ce train près dudit outil (2) pour fournir une information sur la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit, - ce système de transmission étant destiné à transmettre cette information jusqu'à la surface du sol et comportant pour cela les organes suivants - des moyens (22) situés près dudit outil et connectés à ce capteur pour fournir un signal de modulation (M) représentatif de cette information, - un générateur d'émisssion (26) près dudit outil pour former un signal électrique d'émission modulé par ce signal de modulation (M) et présentant une forme convenable et une puissance suffisante pour permettre sa transmission utile jusqu'à la surface du sol, - un organe d'alimentation électrique de puissance (24) située près dudit outil pour fournir la puissance électrique nécessaire à ce générateur d'émission, - une antenne d'émission enterrée constituée par au moins deux électrodes (14, 16) formées chacune par une zone conductrice de la surface extérieure de ladite colonne de forage, ces deux électrodes étant séparées par un intervalle isolant (18) formé sur cette colonne au voisinage dudit outil, ledit signal d'émission étant appliqué entre ces deux électrodes de manière à engendrer une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers la roche (11) notamment vers la surface au sol en se manifestant à la fois par un champ électromagnétique et des courants dans la roche et par un courant longitudinal dans la colonne de forage au dessus dudit intervalle isolant, - et un récepteur de surface (8) pour recevoir cette onde électromagnétique affaiblie, pour en former un signal de réception, et pour démoduler ce signal de réception de manière à former un signal démodulé permettant de reconstituer ladite information, - ce système de transmission étant caractérisé par le fait que ledit générateur d'émission est un circuit commutateur de sortie (26) propre à transmettre aux deux dites électrodes (14, 16), en réponse à un signal de commutation (C), soit l'une soit l'autre de deux tensions électriques continues fournies par ledit organe d'alimentation de puissance (24) de manière que ledit signal d'émission (E) soit engendré sous la forme de la succession alternative de ces deux tensions sans dissipation gênante d'énergie dans ce générateur, - un générateur de signal de commutation (22) fournissant ledit signal de commutation (C) sous la forme d'un signal porteur (P) modulé par ledit signal de modulation (M).

2/ Système selon la revendication -1, caractérisé par le fait que les deux dites tensions transmises par le circuit commutateur de sortie (26) sont les deux tensions opposées qui apparaissent dans un sens et dans l'autre entre une première et une deuxième bornes dudit organe d'alimentation de puissance (24), ce circuit comportant au moins deux composants de commutation pour relier ces bornes soit à une première (16) et à une deuxième (18) dites électrodes soit à cette deuxième (18) et à cette première (16) électrodes, respectivement, selon la valeur dudit signal de commutation (C).

3/ Système selon la revendiccation 1, caractérisé par le fait que - ledit signal de modulation (M) présente seulement deux valeurs et est synchronisé sur des instants d'horloge (H) qui se succèdent périodiquement à une fréquence d'horloge de modulation, - ledit signal porteur (P) étant périodique lorsqu'il n'est pas modulé et présentant alors deux valeurs qui se succèdent alternativement à une fréquence porteuse multiple de ladite fréquence d'horloge de modulation en synchronisme avec ce signal de modulation, la modulation de ce signal porteur étant réalisée par le fait que sa phase est remplacée pat la phase opposée chaque fois que ce signal de modulation change de valeur, de manière à faire apparaltre en surface un signal de réception (R) sensiblement sinusoidal à ladite fréquence porteuse avec une modulation permettant de former ledit signal démodulé.

4/ Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit signal porteur (P) présente chacune de ses deux valeurs pendant la moitié de chacune de ses périodes lorsqu'il n'est pas modulé, de manière à permettre, lorsqu'il est modulé, une démodulation facile dudit signal de réception (R).

5/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit récepteur de surface (8) comporte un filtre (12) pour laisser passer les fréquences voisines de ladite fréquence porteuse (fO) et arrêter celles voisines du triple (3fi) de cette fréquence.

6/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit organe d'alimentation de puissance (24) comporte - un générateur dynamoélectrique rotatif (27) entraîné par ladite boue de forage et fournissant une première tension alternative à une première fréquence et avec une impédance initiale, - un premier redresseur (28) recevant cette première tension alterna tive et fournissant une première tension continue, - un circuit hacheur (30) hachant cette première tension continue et fournissant une deuxième tension alternative hachée à une deuxième fréquence supérieure à la première, - un transformateur (32) recevant cette deuxième tension alternative et fournissant une troisième tension alternative avec une impédance abaissée, - et un deuxième circuit redresseur (34) recevant cette troisième tension alternative et fournissant une tension continue de sortie avec une impédance de sortie qui est aussi celle dudit signal d'émission, ce deuxième circuit redresseur constituant avec ce transformateur et ce hacheur un convertisseur continu-continu abaisseur d'impédance (36), grâce à quoi ce signal d'émission (E) est engendré de manière durable sans dissipation gênante d'énergie avec une impédance qui convient à la transmission et qui peut être obtenue à l'aide d'un transformateur (32) de dimensions réduites.

7/ Système selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit convertisseur continu-continu (40) est un convertisseur commandable qui fait varier, -en réponse à un signal de réglage d'impédance, (42) le rapport entre sa dite impédance de sortie et celle sous laquelle il reçoit ladite première tension continue, - ce système comportant en outre des moyens de mesure (46) pour fournir ledit signal de réglage d'impédance à ce convertisseur de manière à s'opposer à une diminution de l'amplitude dudit signal de réception (R) lorsque l'épaisseur et/ou la résistivité des roches traversées varient.

8/ Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure (44) qui fournissent ledit signal de réglage d'impédance (42) mesurent pour cela la tension et/ou l'intensité en sortie dudit convertisseur (40) et/ou l'intensité dudit signal d'émission (E) et/ou l'intensité du courant qu'il crée à travers lesdites électrodes (14, 16) et/ou une combinaison de telles grandeurs mesurables localement.

9/ Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit transformateur incorporé dans ledit convertisseur continu-continu comporte plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires (T7, T2,...Tn), et des interrupteurs (I1, I2,... In) pour mettre en service les uns et/ou les autres de ces enroulements, en réponse audit signal de réglage d'impédance (42).