FR2621073A1 - Systeme de transmission electromagnetique d'information a travers des roches, notamment depuis le fond d'un trou en cours de forage - 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 24 à impédance basse et commandable. Cette tension est transmise 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. La commande d'impédance permet une adaptation continue et automatique aux conductivités des roches qui sont successivement traversées.

Description

Système de transmission électromagnétique d'information à travers des roches, notamment depuis le fond d'un trou en cours de forage.

La présente invention concerne de manière générale la transmission d'information à travers une roche présentant des caractéristiques variables et plus précisément une conductivité électrique variable.

Elle s'applique plus particulièrement quoique non exclusivement aux forages qui sont destines 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 audessus 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, malgré la diversité des roches qui sont successivement rencontrées.

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 internationale : "Measurement While Drilling" ou en abrégé tM.W.D" qui signifie en anglais "mesure pendant qu'on fore".

On a déjà proposé un procédé de transmission M.W.D. utilisant 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.

On va 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 1 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 74 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. I1 empêche la roche 12 de se refermer et de coincer le train de tiges 3. I1 empêche aussi l'arrivée d'eau ou la fuite de la boue de forage qui remplit le trou 6 et le train de tiges 3. 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 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.

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, ctest-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 = 3,1LI16,
mu = constante = 12,6.10
sigma = conductivité de la roche traversée en mho.nlf, 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'amortissement du champ électrique en surface est considérable
E(x)/Eo - 1O
I1 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 accroître le signal utile. Mais le bruit de fond est alors amplifié avec le signal utile. I1 n'y a donc pas de gain en ce qui concerne le rapport signal sur bruit. Or, on sait que c'est 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 apparaît que le rapport signal sur bruit n'est pas amélioré.

Une deuxième voie peut être choisie pour resoudre 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. On peut pour cela augmenter la puissance de l'émetteur qui fournit le signal d'émission.

On connait 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 USA-4 496 174 (Mc Donald et autres).

Il 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.

Il permet ainsi de diminuer la taille du circuit magnétique du transformateur. En effet la charge imposée au secondaire du transformateur (que l'on peut dsailleurs 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 les spires, ne permettent pas, cependant, d'augmenter ce nombre autant qu'on le voudrait.

Dans ces conditions les deux types d'émetteurs actuellement connus sont très limités quant aux possibilités d'augmentation de leur puissance.

Le même problème peut bien entendu se poser dans d'autres situations, par exemple pour la tranmission d'informations à partir d'une galerie de mine ou le long d'une conduite enterrée.

La présente invention a pour but de réaliser un système de transmission électromagnétique d'information de manière à accroitre l'épaisseur de roche à travers laquelle l'information peut être utilement transmise et/ou à permettre cette transmission à travers des roches plus absorbantes pour les ondes électromagnétiques et/ou à accroître le débit et/ou la qualité de l'information reçue. Elle vise à atteindre ces buts par une élévation du rapport signal sur bruit qui caractérise le signal de réception grâce à une augmentation importante de la puissance de l'onde électromagnétique émise par l'émetteur de fond.

Une telle augmentation peut être obtenue, et l'est en fait dans le dispositif qui sera décrit plus loin, par deux moyens.

Le premier consiste à augmenter considérablement le rendement énergétique de l'ensemble du dispositif d'émission, et en même temps d'augmenter la puissance nominale de chacun de ses composants, en particulier de la source d'énergie électrique.

Le deuxième consiste à donner au dispositif d'émission la capacité d'émettre sous la forme d'une onde électromagnétique toute l'énergie électrique disponible, quelle que soit la valeur de la tension et du courant électrique délivrés par la source d'énergie, et quelles que soient les caractéristiques électriques de la charge du dispositif d'émission.

Cette capacité du dispositif d'émission n'existe pas dans les émetteurs connus et ci-dessus décrits.

Elle fait l'objet de la présente invention.

Cet objet est, plus spécifiquement un système de transmission électromagnétique d'information à travers des roches, notamment depuis le fond d'un trou en cours de forage, ce système comportant - des moyens situés dans une zone d'émission pour fournir un signal de modulation représentatif d'une information à transmettre, - un générateur d'émission dans cette zone 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 une zone de réception au-delà des dites roches, ce générateur étant muni d'un organe d'alimentation électrique de puissance lui-même alimenté par une source d'énergie, - une antenne d'émission située dans la zone d'émission pour engendrer, à partir dudit signal d'émission, une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers les roches, - et un récepteur dans la zone de réception 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 comporte un convertisseur d'impédance commandable recevant un signal de réglage d'impédance et propre à faire varier en réponse l'impédance de sortie de ce générateur par rapport à celle de ladite source d'énergie, - ce système comportant en outre des moyens de mesure pour fournir ledit signal de réglage d'impédance à ce convertisseur en le faisant varier de manière à s'opposer à une diminution de l'amplitude dudit signal de réception lorsque la conductivité de la roche de ladite zone d'émission varie.

On peut adopter de plus avec avantage, selon les circonstances, les dispositions complémentaires suivantes - Lesdits moyens de mesure qui fournissent ledit signal de réglage d'impédance mesurent pour cela la tension et/ou l'intensité en sortie dudit convertisseur commandable et/ou dudit générateur d'émission et/ou une combinaison de telles grandeurs mesurables dans ladite zone d'émission.

- Ledit convertisseur commandables comporte un transformateur composite commandable qui comporte lui-même plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires, et des interrupteurs commandés par ledit signal de réglage d'impédance pour mettre en circuit les uns et/ou les autres de ces enroulements.

- Ledit convertisseur commandable est un convertisseur continu continu qui comporte - un circuit hacheur recevant et hachant une tension continue pour fournir une tension alternative, - ledit transformateur composite pour fournir une tension alternative secondaire sous une impédance commandable, - et un circuit redresseur pour redresser cette tension alternative secondaire.

- Plus particulièrement, ledit organe d'alimentation de puissance comporte - un générateur dynamoélectrique rotatif constituant ladite source d'énergie et fournissant une première tension alternative à une première fréquence et avec une impédance initiale, - un premier circuit redresseur recevant cette première tension alternative et fournissant une première tension continue, - ledit circuit hacheur hachant cette première tension continue et fournissant une deuxième tension alternative hachée à une deuxième fréquence supérieure à la première, - ledit transformateur composite recevant cette deuxième tension alternative et fournissant une troisième tension alternative avec une impédance abaissée commandable, - et un deuxième dit circuit redresseur recevant cette troisième tension alternative et fournissant une tension continue de sortie avec une impédance de sortie commandable.

- Dans le cas de l'application importante qui a été précédemment décrite, c'est-à-dire celui où le système de transmission selon l'invention est destiné à être utilisé au cours d'un forage à travers une roche hétérogène électriquement conductrice et résistive, il est rappelé tout d'abord que ce forage est effectué 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 croît, 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 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 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 la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit.Dans ce cas cette valeur constitue ladite information à transmettre, ladite zone d'émission étant celle proche de cet outil, ladite zone de réception étant à la surface du sol au voisinage dudit appareil de forage, les deux dites électrodes sont formées par deux zones conductrices de la surface extérieure de ladite colonne de forage, lesdits générateur d'émission et organe d'alimentation de puissance sont intérieurs à cette colonne,et ledit générateur dynamoélectrique rotatif est entraîné par ladite boue de forage.

- La puissance propre de l'émetteur est accrue par le fait que 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, - un générateur de signal de commutation fournissant un signal de commutation sous la forme d'un signal porteur modulé par ledit signal 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, - ledit générateur d'émission étant un circuit commutateur de sortie propre à transmettre aux deux dites électrodes, en réponse audit signal de commutation, soit l'une soit l'autre des deux tensions électriques continues opposées qui sont fournies entre les deux bornes dudit organe d'alimentation de puissance sous la forme de ladite tension continue de sortie, 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, tout en faisant apparaître en surface un signal de réception sensiblement sinusoidal à ladite fréquence porteuse avec une modulation permettant de former ledit signal démodulé.

Les avantages de cette dernière disposition 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 en effet, 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. Et une augmentation de ces dimensions apparaît difficile en raison du manque de place disponible. Il doit cependant être compris que la présente invention et les autres dispositions complémentaires indiquées ci-dessus s'appliquent tout aussi bien lorsque ledit signal d'émission est sinusoidal.

Le transformateur de couplage de sortie est nécessairement de grande taille, compte tenu des fréquences utilisées, très basses, et des courants de sortie qui sont élevés.

Sa suppression a pour avantages de diminer les pertes par effet Joule dans les enroulements, d'augmenter ainsi le rendement énergétique de l'ensemble, et de diminuer considérablement la taille du dispositif d'émission.

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 complémentaires. 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 perspectiye 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 sinusoidal.

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 du convertisseur de cet organe d'alimentation.

En se référant à la figure 9 le capteur précédemment mentionné est représenté en 20. Il est connecté à un calculateur 22 qui fournit le signal de modulation M, puis le signal de commutation C (voir figure.6). Celui-ci est appliqué à un circuit commutateur de sortie 26 qui constitue essentiellement ledit générateur d'émission et qui fournit ledit signal d'émission E aux électrodes 14 et 16.

Le signal de commutation C est généré à partir d'une fréquence porteuse f0 et d'une fréquence d'horloge fH.

La fréquence porteuse est d'abord choisie de manière à obtenir un niveau suffisant 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.

Des fréquences trop hautes entraînent un affaiblissement trop élevé du signal qui devient indétectable en surface.

La fréquence d'horloge fH correspond au débit de transmission de l'information.

A chaque période correspond une valeur représentant une information élémentaire. C'est la fréquence de base du signal de modulation M.

La fréquence fH est définie en divisant la fréquence porteuse par un nombre entier n. (Celui-ci est entier afin de faciliter la démodulation à la réception).

Ce nombre n peut être choisi entre 2 et 10.

Plus il est grand, plus il diminue de débit d'informations à fréquence porteuse égale, mais plus il diminue la largeur de la bande spectrale occupée par le signal modulé et plus il permet d'augmenter le rapport signal sur bruit à la réception dans la même bande. En effet, comme on le sait la modulation réalisée à la fréquence d'horloge fH ainsi obtenue permet de transmettre un signal informatif dont la bande de fréquences est limitée par une fréquence maximale f = fH/2.

Sur la figure 6, la fréquence d'horloge 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 calculateur 22.

Le circuit commutateur de sortie 26 est constitué par exemple à l'aide de transistors de commutation. Il fournit un signal d'émission E qui reproduit le signal de commutation C avec une intensité très supérieure.

Le générateur d'émission est muni d'un organe d'alimentation de puissance 24 qui fournit la tension transmise par le circuit 26 aux électrodes 14 et 16 pour constituer le signal d'émission. Cet organe d'alimentation est connecté en amont à un générateur dynamoélectrique 27. Ce générateur 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.

La figure 7 représente le spectre d'un signal d'émission qui pourrait être utilisé dans le cadre de l'invention. Pour former ce signal, le signal à transmettre précédemment mentionné est transposé par modulation d'un signal porteur sinusoidal à la fréquence fO, ce signal à transmettre constituant un signal de modulation. Le signal d'émission ainsi obtenu présente un spectre qui s'étend entre les fréquences fo - f c et f0 + fc Le signal de réception présente un spectre analogue, mais avec une puissance beaucoup plus faible.

L'utilisation d'un tel signal d'émission n'apparaît pas avantageuse et ne sera pas décrite plus avant.

La figure 8 représente le spectre d'un signal d'émission préféré tel que obtenu à partir du signal de modulation tel que M, avec un signal porteur tel que P de fréquence fO.

Ce spectre comprend d'abord une bande fondamentale comprise entre les fréquences fo fc et fo + f c et semblable à celle du signal d'émission à porteur sinusoidal de la figure 7. La puissance émise dans cette bande représente environ 81 9 de la puissance totale émise. Ce spectre comprend ensuite des bandes supérieures de même largeur centrées sur les fréquences 3fO, 5f etc... c'est
o à-dire sur les multiples impairs de la fréquence porteuse fo.

Le spectre du signal de réception correspond, aux bandes supérieures ci-dessus décrites près, à la bande fondamentale du signal d'émission. Ce signal est donc voisin quant à sa forme de celui qui serait obtenu à partir du signal d'émission de la figure 7.

C'est-à-dire qu'il doit être démodulé de la même manière que si le signal de modulation était appliqué à un signal porteur parfaitement sinusoidal, d'autant qu'il est nécessaire 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 déformeraient le signal résultant de la démodulation.

Comme précédemment indiqué et comme représenté sur la figure 10 ledit organe d'alimentation de puissance 24 est connecté à 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.

D'autre part, il comporte : - 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 composite commandable 32 qui sera décrit plus loin et qui reçoit cette deuxième tension alternative pour fournir une troisième tension alternative avec une impédance abaissée commandable, - et un deuxième circuit redresseur 34 recevant cette troisième tension alternative et fournissant ladite tension continue de sortie avec une impédance de sortie. Ce deuxième circuit redresseur constitue avec ce transformateur et ce hacheur ledit convertisseur continu-continu abaisseur d'impédance 36.Il est représenté comme simple sur la figure 10 pour simplifier le dessin mais il sera plus précisément décrit à l'aide de la figure 11.

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 kilohertz, ce qui permet à la fois de réaliser facilement ce hacheur et le transformateur composite 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 particulier une batterie de piles pourrait convenir. Cependant, dans le cas du forage, une batterie de piles a en général 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.

Cependant l'utilisation d'une batterie de piles ou d'accumulateurs peut être parfois préférable pour constituer la source d'énergie électrique. Une telle source rend moins nécessaire l'adaptation d'impédance entre la source d'énergie et la charge, objet de la présente invention. Cette adaptation reste néanmoins utile si l'impédance de la charge est variable ce qui est le cas dans les applications envisagées. L'utilisation de piles ou d'accumulateurs est donc compatible avec la mise en oeuvre de la présente invention.

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).

Le convertisseur selon la présente invention va être plus précisément décrit ci-après à l'aide de la figure 11. Les avantages de l'invention 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 pas, le plus souvent, 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 l'invention, ledit convertisseur continucontinu 36 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 dé 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 46 qui fournissent ledit signal de réglage d'impédance 42 mesurent pour cela la tension et/ou l'intensité en sortie dudit convertisseur 36 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 est composite comme précédemment indiqué, c'est-à-dire qu'il comporte plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires T1, T2,...Tn, et des interrupteurs I1, I2, In pour mettre en circuit 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 36 est par exemple composé du hacheur d'entrée 30 suivi de n transformateurs T1,
T2...Tn chacun d'un circuit redresseur R1, R2... R avec
R R1, n filtrage. L'ensemble de ces circuits redresseurs constitue le circuit redresseur 34 précédemment mentionne.

Les n transformateurs et circuits redresseurs sont connectés en parallèle.

A chaque transformateur est affecté un interrupteur T1, T2,...Tn, 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 restant 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 (8)

REVENDICATIONS

1/ Système de transmission électromagnétique d'information à travers des roches, notamment depuis le fond d'un trou en cours de forage, ce système comportant - des moyens (22) situés dans une zone d'émission pour fournir un signal de modulation (M) représentatif d'une information å transmettre, - un générateur d'émission (26) dans cette zone 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 une zone de réception au-delà desdites roches, ce générateur étant muni d'un organe d'alimentation électrique de puissance (24) lui-même alimenté par une source d'énergie (27), - une antenne d'émission (14, 16) située dans cette zone pour engendrer, à partir du dit signal d'émission, une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers les roches (11), - et un récepteur (8) dans la zone de réception 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 (26, 24) comporte un convertisseur d'impédance commandable (36) recevant un signal de réglage d'impédance (42) et propre à faire varier en réponse l'impédance de sortie de ce générateur par rapport à celle de ladite source d'énergie (27), - ce système comportant en outre des moyens de mesure (46) pour fournir ledit signal de réglage d'impédance à ce convertisseur en le faisant varier de manière à s'opposer à une diminution de l'amplitude dudit signal de réception (R) lorsque la conductivité de la roche de ladite zone d'émission varie.

2/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure (46) qui fournissent ledit signal de réglage.

d'impédance (42) mesurent pour cela la tension et/ou l'intensité en sortie dudit convertisseur commandable (36) et/ou dudit générateur d'émlssion -(26) et/ou une combinaison de telles grandeurs mesurables dans ladite zone d'émission.

3/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit convertisseur commandable (36) comporte un transformateur composite commandable (32) qui comporte lui-même plusieurs enroulements primaires et/ou secondaires (T1, T2,...Tn), et des interrupteurs (11,

I2,...In) commandés par ledit signal de réglage d'impédance (42) pour mettre en circuit les uns et/ou les autres de ces enroulements.

4/ Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit convertisseur commandable est un convertisseur continu-continu (36) qui comporte - un circuit hacheur (30) recevant et hachant une tension continue pour fournir une tension alternative, - ledit transformateur composite (32) pour fournir une tension alternative secondaire sous une impédance commandable, - et un circuit redresseur (34) pour redresser cette tension alternative secondaire.

5/ Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit organe d'alimentation de puissance (24) est connecté à un générateur dynamoélectrique rotatif (27) constituant ladite source d'énergie et fournissant une première tension alternative à une première fréquence et avec une impédance initiale, et comporte :: - un premier circuit redresseur (28) recevant cette première tension alternative et fournissant une première tension continue, - ledit circuit hacheur (30) hachant cette première tension continue et fournissant une deuxième tension alternative hachée à une deuxième fréquence supérieure à la première, - ledit transformateur composite (32) recevant cette deuxième tension alternative et fournissant une troisième tension alternative avec une impédance abaissée commandable, - et un deuxième dit circuit redresseur (34) recevant cette troisième tension alternative et fournissant une tension continue de sortie avec une impédance de sortie commandable.

6/ Système selon la revendication 5, ce système étant destiné à être utilisé au cours 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 croît, 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 la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit, et qui constitue ladite information à transmettre, ladite zone d'émission étant celle proche de cet outil, ladite zone de réception étant à la surface du sol au voisinage dudit appareil de forage, - ce système étant caractérisé par le fait que ladite antenne comporte deux électrodes (14, 16) formées par deux zones conductrices de la surface extérieure de ladite colonne de forage, ces deux zones étant séparées par un intervalle isolant (18), - lesdits générateur d'émission (26) et organe d'alimentation de puissance (24) étant intérieurs à cette colonne, - ledit générateur dynamoélectrique rotatif (27) étant entrainé par ladite boue de forage.

7/ Système selon la revendication 6, dans lequel 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, - un générateur de signal de commutation (22) fournissant un signal de commutation (C) sous la forme d'un signal porteur (P) modulé par ledit signal de modulation (M), ce 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 par la phase opposée chaque fois que ce signal de modulation change de valeur, - ledit générateur d'émission étant un circuit commutateur de sortie (26) propre à transmettre aux deux dites électrodes (14, 16), en réponse audit signal de commutation (C), soit l'une soit l'autre des deux tensions électriques continues opposées qui sont fournies entre les deux bornes dudit organe d'alimentation de puissance (24) sous la forme de ladite tension continue de sortie, 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, tout en faisant apparaitre en surface un signal de réception (R) sensiblement sinusoidal à ladite fréquence porteuse (fo) avec une modulation permettant de former ledit signal démodulé.

8/ Système selon la revendication 6, dans lequel la source d'énergie est une batterie de piles ou d'accumulateurs.