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3~7
La présen-te invention a pour objet un dispositif d'ancrage
escamotable adapté à irnmobiliser par interrnittence un instrument à l'in-
térieur d'une cavité par application de bras mobiles contre la paroi de
celle-ci.
Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif
d'ancrage à bras escamotables, adapté à maintenir par interrnittence à
l'intérieur d'un pui-ts de foragé où elle est descendue à l'extrémité d'un
câble, une sonde équipée d'un appareillage de mesure utilisa`ole en par-
ticulier en prospection sismique.
Une telle sonde peut etre équipée par exemple de capteurs
sismiques (géophones ou hydrophones) pour recueillir des ondes sismiques
du -type longitudinal (ondes P) ou du type transversal (ondes S) trans
mises par une source d'ébranlements sismiques disposée à la surface du
sol au voisinage du puitsO Les capteurs de la sonde détectent les ondes
provenant directement de la surface e-t les échos des ondes émises sur
les couches réfléchissantes du sous-solO Les ondes directes sont utilisées
pour déterminer la vitesse de propagation du son dans les terrains tra-
versés, aussi bien en ondes P qu'en ondes 5 (carottage acoustique). Les
échos reçus par les capteurs de la sonde permettent de localiser l'ern-
placement réel des réFlecteurs sou-terrains et éventuellement cl'estimer
les vitesses de propagation du son dans certaines ~ones localisées
au-dessous du trou de sondage~
La sonde peut encore être équipée d'émetteurs et de récep-
teurs d'ondes acoustiques permettant de dr~terminer certaines caractéris-
tiques des -terraills traversés par le puits cle sondage au voisinage de
celui-ci (diagraphie acoustique).
Les systèmes permettant l'ancrage de dispositifs descendus dans
des trous ou des puits forés dans le sol à l'extrérnite d'un râble com-
porten-t généralernen-t un ou plusieurs bras pivotants que l'on peut ouvrir
ou fermer a volonté par des rnoyens moteurs. Ces moyens peuvent être
~t~
37''
purement mécaniques et comporter par exempla une vis sans -Fin entra~Lnée
en rotation par un moteur électrique commandé depui.s la surface. Dans
ce cas~ la rotation tlre la vi.s déplncr un c:crou duquel sont solidaires
une ou plusieurs biellettr-s reliées aux bras pivotantS, Pour des raisonS
de sécurite, afin que les bras puissent toujours être rétractés même en
cas d'arrê-t du moteur d'entraînement, on préfère généralement assujettir
les extrémités des biellettes à une bayue sur laquelle prend appui un
ressort. La détente de celui-ci a pour effet de pousaer la bague et de
provoquer l'écartement des bras. Le moteur n'est utilisé que pour la
fermeture des bras. Le déplacement de l'écrou commandé par la rotation
de la vis sans fin entraîne l'éloignement de la bague et la compression
du ressort. En CaS d'arrêt du moteur, le recul de la bague~ lié à
la compression du ressort, permet le rapprochement des bras. En utili-
sant un tel agencement, la force d'appui des bras contre les parois du
puits est d'autant plus faible qu'ils sont plus écartés et que le ressort
est plus détendu et peut même devenir insuffisante pour assurer un ancrage
correct du dispositif de sondage sur les parois du puits.
Dans d'autres systèmes antér~eurs, les moyens moteurs permet-
tant de faire pivoter les bras sont du type hydraulique. Un moteur élec-
trique entraîne une pompe hydraulique alimentant en fluide sous pressionsoit un vérin unique rempla~cant l'ensemble vis sans fin et écrou et
agissant sur des biel.le-ttes, soit des vérins ar3issant directement sur
].cs bra-3 pi.vo-tantS. lo~ systerlles I commurldc hyrlraulique sont avantayr:uxcar la force appliquée aux bras est indépendante de leur écartement par
rapport au corps de la sonde, mais ils sont diffioiles à mettre en
oeuvre darls la mesure oiJ ils utilisr-nt des pompes hydrauliques dont le
fonctionnement est rendu délicat par les conditions sévères de pression
et de température régnant au fond d'un puits. ûn sait, en effe-t, que
dans un trou de sondage à 3000 m de profondeur par exemple, avec une
boue de densité 1,3, la pression statique peut atteindre 40 MPa et la
température s'elever jusqu'à 150 ou 20n C et qu'il est difficile dans
ce; conditions de conserver au liquide du circuit de la pompe une vis-
c;osité suFfisante~
Le dispositi~ selon l'invention permet d'eviter
les inconvenients ci-dessus mentionnes.
Selon la presente .inventi~n, il est prevu un dis-
positif d'ancrage escamotable adapte a immobiliser par
intermittence un instr~ment descendu a l'interieur d'un
puits creuse dans le sol et relie a une installation de
surface par un câble, par application contre la paroi du
puits d'au moins un bras d'ancraye pivotant, chaque bras
d'ancrage etant relie a la tige d'un verin de manoeuvre
actionne par un systeme de manoeuvre dispose a l'interieur
de l'instrument et comportant un piston déplaçable à l'inté-
rieur d'un premier cylindre contenant un liquide hydrauli-
que, des moyens moteurs pour deplacer-le piston, et des
moyens associes au premier cylindre pour l~imiter les forces
appliquees a chaque bras d'ancrage durant son ouverture et
sa fermeture, le dispositif comportant des moyens d'applica-
tion au piston de la pression statique regnant dans la
cavité comprenant une chambre a volume variable contenant un
liquide dont la pression interieure est maintenue égale à
la pression exterieure regnant dans la cavite, par coulisse-
ment d'un piston libre soumis~d'un cote à ladite pression
extérieure, un second cylindre communiquant avec le premier
cylindre par une ouverture a travers laquelle peut coulisser
de manière etanche une tige solidaire dudit piston, le second
cylindre communiquant avec la chambre a volume variable.
D'autres cara~teristiques et avantages apparaltront
a la lecture de la description d'un mode de réalisation
choisi à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux
dessins annexes sur lesquels:
~ la figure l représente schematiquement une
sonde immobilisee a l'interieur d'un puits par ecartement
des deux bras du dispositi~f d'ancrage, disposes chacun au
voisinage
_ 3
3~
d'une extrémité de la sonde;
- la figure 2 represente schématiquement une sonde
immobilisee à l'interieur d'un puits par écartement des deux
bras disposés tous les deux dans la même partie du corps de
la sonde;
- la figure 3 représente schématiquement l'ensemble
du systeme de manoeuvre des bras dlancrage dispose a l'inté-
rieur de la sonde;
- la igure 3A représente schématiquement une variante
des moyens d'application au piston de la pression statique
régnant dans le puits, utilisés dans le syst~me de manoeuvre
represente à la figurs 3;
- la figure 4 represente schematiquement le systeme
de manoeuvre pendant la phase d'ecartement des bras d~ancrage;
- la figure 5 represente schématiquement le système
de manoeuvre, dans le cas où il se produit un blocage des bras
durant la phase d'écartement;
- la figure 6 represente schematiquement le système
de manoeuvre pendant la phase de rapprochement des bras.
d'ancrage;
/
/
/
/
/
'
~-~ - 3a -
' ~ 'I'
- la figure 7 repruirr1te r.rhrima-tiq-lemerlt lc système de rnanoeuvrc,
dans le cas où se produit un blocage des bras durant la phase de rap-
prochement ;
~ la figure 3 représente schématiquement le fonctionnement du systè-
me de sécurité permettant le rapprochement des bras dans le cas du blo-
cage des moyens moteurs ;
- la figure 9 représente schématiquement un élément de détection
de la fermeture de chaque bras d'ancrage.
En se référant au mode de réalisation de la figure 1, le dis-
positif d~ancrage selor1 l~invention est associé à une sonde 1 descenduedans un puits de forage rt reliée à une installa-tion de surface (non
représentée) par un cAable multi-conducteurs ~ servant également de c~able
de suspens-on. La soncle comporte un cornpartiment 3 adapté à contenir des
appareils de prospection sisrnique tels que des géophones par exemple. Le
dispositif d'ancrage comporte par exemplecleux bras d'ancrage 4, S dnnt
les extrémités sont pourvues de pointes. Ils peuvent pivo-ter par rapport
au corps de la sonde et venir s~appliquer contre la paroi du puits sur
commande d'un système de manoeuvre décrit ci-après Ces deux bras sont
disposés d'un même c8té du corps de la sonde,de part et d'autre du
compartirnent 3~ et leur ouver-ture provoque une application de celui-ci
contre la paroi.
Suivant le mode de réalisation de la figure 2, le corps de la
sonde est identique à celui de la figure 1. Les bras dlancrage ~ et 5
sont diipoiris dù mr^me caté par rapport au compartilnent 3, vers l~extrr-
mi-té opposée au cable de suspension 2
En se référant à la Figure 3, le système de manoeuvre des
bras d~ancrage 4, 5 comporte un piston 6 adap-té à coulisser de manière
étanche dans un cylindre 7 et délirnitant deux chambres 7a, 7b à l'in-
térieur de celui-ciO Le piston comporte suivan-t son axe un logemen-t
Fileté pour une vis ~ en-tralnérJ en rotation par des moyens mo-teurs com-
prenant un moteur élec-trique 9 e-t un réducteur 10~ Le moteur 9 est
alirnenté en couran-t électrique par des conducteurs 11 connectés à
3~7
l'installati.on dr sLIrracr (non represurlte'e) par l'in-l;trmi~diairr du cablc
multi-conducteurs Z (figure 1).
Des moyens, non représentés, permettent d'empecher la rotation
du piston 6 à l'intérieur du cylindre 7. De cette manière la mise en
rotation de la vis 8 SOUS l'action des moyenS moteurs entralr,e une trans-
la-tion du piston à :L'intérieur du cylindre.
Les bras d~ancrage 4 et 5 peuvent pivoter autour de deux axes,
respectivement 12 et 13, sous l'action de deux vérins 14 comportant
chacun un corps cylindrique 15 à l~intérieur duquel peut couli.sser une
10 tige 16 pourvue d~une trA~te 17, Les extrémités des ti.ges des deux vérins
sont respectivement assujetties aux bras d~ancrage 4, 5. Les deux extré-
mités de chaque corps de vérin, de part et cl~autre des tetes 17 commu-
niquen-t par des canalisations 1E~, 19 respectivement avec les deux cham-
bres 7a, 7b du cyLindre 7 de part et cl'autre du piston 6.
Les moyens d'application au piston 6 de la pression statique~
régnant dans le puits comportent un second cylincJre 20 fixé au cylindre 7
et communiquant avec celui-ci par un orifice au travers duquel coulisse
de manière étanche une tige 21 solidaire du piston 6, ainsi qu'un troi-
sième cylindre 23, séparé en deux compartimentS 23a, 23b par un piston
20 libre 24 qui y coulisse de manière é-tan'cheO L~un de ces compartiments 23a
communique par une canalisation 22 avec le second cylindre 20. L'autre
compartimer-rt 23b du troisième cylindre 23 communique avec des moyens
d~é-tablissement d~une contre-pression égale à l.a ,o,ression 1T régnanc. dans
la cavité. Ces moyens d'établissement comportent un quatrième cylindre
Z6 separe erl deux parties 26a, 26b par un second piston libre 27 qui y
coulisse de manière é-tanche, Une prernière partie 26a communique par une
canalisation 25 avec le second cornpartiment 23b du troisième cylindre.
L'autre par-tie 26b communique avec la cavité au travers du corps de la
sonde par une canalisation 28,
r ~J
~ Lv ~
La pression statique 11' régnant dans le pui.ts est de ce fait
appliquée en permanence au piston libre 27. Les quatre cylindres 7, 20,
Z3, 2G, ].cs rILlIx v~lri5~ I .I'uIlJt~ s cJ~ .i.siJli.ull5 lU, ~'j, ;2~25 clui les réunissont sont remplis d'huila clont la pression à l'éqwi.libre
est maintenue égale à la prr ssion .rognant dans le puits par lr s moyens
d'application de la prossion Statiq~Ie fr .
Les moyens pour limi-ter les forces appli.quées aux bras d'an-
crage comportent un système de sécurité hydraulique et des organes méca-
niques de sr curité 33O Le sys-tèmo de sécurité hydraulique comporte un
10 premier ensemble cons-titué d'un clapet d'équilibrage 29 et d'une SoUpape
de sécurité 30 installés sur deux -tronçons de canalisation en parallèle
communi4uant d'un cBté avec la canalisa-tion 22 etle premier compartiment
23a cIu troisième cylindre 23, et de l'autre coté avec les canalisations
19 et la charnbre 7b du cylindre 7. Le clapet 29 est unidirec-tionnel et
perme.t le passage de l'huile de la canalisa-tion 22 ver5 la canalisation
19 lorsque la différence de pression excède une première valeur-seuil
P0 choisie par exemple égale à 2 bars (20û kPa). La soupape oe sécurité
30 est également uniclirectionnelle mais son sens d'ouverture est opposé
à celui du clapet d'équilibrage 29. La soupape de sécurité 30 autorise
20 le transferl; cle l'huilc de la canalisation 19 vers la canalisation 22
et le premier compartirnent 23a du troisième cylindre 23 si la difFérenca
dI3 prcssi.orl rxcr`~IL) unr socoIllle valour-sr7Il;I Pl choisie par exemple r:gale
o ~IU ou 50 ~Ir~ t rl 5 MI'a)v
I e systr`mo de sér uril;c hyùrauliqLIe compo~te égalr3mcnt un soconIJ
ensemblo consti-tué d'.II-~ clape-t d'ecIuilibrage 31 et cl'une ~oupapr: rle
sécurité 32 installés sur deux tron~cons de canalisa-tion en parallèle
communiquan-t d'un co-té avec la canalisa-tion 25 et par consé4uent avec
le second cornparti.ment 23h du troisième cylindre 23, e-t de l'autre côté
avec la canai.isation 1 8 et la charnbre 7a du cylindre 7. De la même
30 rnanir`re, le clapet 31 autorise le trans-Fert d'huile uniquemen-t cle la
canalisation 25 à la canalisatiorl 18~ si la différence de pression
excede une prernière valeur-seuil e-t la soupape do sécurité 32 n'aUtoriSe
le trans-Fer-t d'huile en sens i.nverse que 5i la différence de pression
3~
excède une seconde valeur-seuil. plus élevée, On choisit de préférence
des valeurs-seuils identiques rr,spectivement à celles (PO, Pl) du premier
ensemble.
Les organes de sécurité 33 sont agencés pour permettre le
déplacement radial des axes de pivotement 12 e-t 13 par rappor-t au corps
de la sonde. A cet efFet, ils comportent chacun une tige 34 traversant
les deux parois termina.les cl'un logement cylinùrique 35 fixé au corps de
la sondr, à laquelle est fixé l'axe de pivotement 12, 13 et un ressort
36 s'appuyant sur l'une des paroi.s -terrnillales dudi-t logement et sur un
épaulement 34a de la tige 34. Les ressor-ts 36 sont tarés de telle manière
que les axes 12 et 13 nr- s'écarten-t du corps 1 que si la force exercée
à l'extrémité de chaque bras d'ancrage 4, 5 est supérieure à une valeur
prédéterminée.
Les canalisations 1~3 et 19 sont reliées respectivement par
deux tuyaux 37 et 33 à deux -transducteurs de pression 39, 40 adaptés à
transformer les valeurs des pressions en tensiorsélectriques, ces trans-
ducteurs étant électriquement connectés au câble multi-conducteurs 2.
Suivant la variante representée schématiquement à la figure 3A, les deux
troncons de canalisation en parallèle sur lesquels sont installés le
clapet d'équilibrage 29 et la soupape de sécurité 30 ainsi que la cana-
lisation 22, communiquent avec une preniière extrémité d'un cylindre 41
dans lcquc.l. co~ i.sse de manière é-tanchr: un pi.ston li.bre 42, l'autre
extremité de ce cylindre cormlluniquan-t directemellt avec le puits. De la
rnême manière, les deux tronçons de canalisation en parallèle sur les-
4ucls sorlt installLs le clapct d'equil.ibrage 31 e-t :I.a soupapc de sccu-
rité 32, communiquent avec une première extrémité cl'un cylindre 43,
identique au cylindre 41, dans lequel coulisse un piston libre 44, l'autre
extrémité de ce cylindre 43 communiquant directermen-t avec le puits éga-
lement~
, L'élérnent de dé-tection cle la fermeture de chaque bras comporte
(figure 9) un élérnent-poussoir 45 adapté à se déplacer à l'intérieur
d'un boîtier 46 solidaire du COI'pS de la sonde l. Une ouverture prati-
3~
que'e dans 1e bolti.er et la paroi oxtérit~ure ùu COFpS, et dr,, sectiunadaptée à celle de l.'élc'men-t-poussoir, prrmet à celui-ci de dépasser
a l~rxt~ricur dQ .1 a sondL. Un resuort 47 ~lappuyallt sur une paroi clu
'boitier 46 e-t sur un épaulement 4B de l~élément-poussoir tencl à pousser
celui-ci vers l'extérieur du corps. Un commutateur 49 installé dans le
boîtier 46 est actionné par une lame flexible 50 sur laquelle s~appuie
l'épaulement 4B. Ce commutateur est connecté dans le ci~cuit d'alimen-
tation du moteur 9 Ifigure 3).
Un disjoncteur (non représenté) est installé à la surface dans
1û le circuit d~alimentation du moteur électrique 9 pour interrompre l~ali-
mentation de celui-ci lorsque les eFforts mécaniques que lui impose le
système hydraulique de commancle des bras d~ancrage dépassent certaines
limites choisies préalablement~
Les différentes phases de fonc-tionnement du dispositif dlancrage
sont représentt'~es aux figures 4 à B
Le pivotement des bras d'ancrage 4, 5 vers leur position
d~ouverture est obtenu en actionnan-t le moteur 9 pour déplacer le piston
6 dans un sens tel que le volume de la chambre 7b du cylindre 7 diminue
(figure 4). L~huile chassée de la chambre 7b est transférée par la cana-
lisation 19 dans le corps 15 des vérins 14 et vien-t pousser leurs tiges
16, ce qui provoque un écartement des bras d~ancrage 47 5. Le déplace-
ment du piston 6 amenant un retrait de la tige 21 hors du second cylindre
20, il se produit un transfert d'huile du premier,compartiment 23a du
troisième cylindre 23 dans le second cylindre par la canalisation 22 et
un déplacernent des pistons libres 24 et 27 dans leurs cylindres res-
pectifs 23 et 26.
Lorsque llextrémi.té des bras vient s~appuyer fortement contre
la paroi du pui-ts, (figure 5) il se produit une surpression ~ P dans la
canalisation 19. Ia résistance mécanique imposée au mo:taur 9 du fait de
cette surpression et par consequent sa consommation électrique augmentent
jusqu~au de'~clenchement dll disjoilcteurO La soupape de sécurité 30 limitc
3~ -
de toute far~on la SUrprllSS:i.on~P d.lns la canalisatiol1 19 ci la valeur-seuilPl pour laquelle elle est -tarée. En cas de surpression excessive, il se
produit, par l'intermediaire de la soupape 30, un transfert de l'huile
dans le compartiment 23a (:lu cy].inl.lrr 2J, CL qui t:ntraînL un coulissemrl)t
du piston libre 24. L'huile chassée du conpartiment 23b est transférée dans
la partie 26a du quatri.ème cylindre 2G, ce qui. provoque 18 coulissement du
piston libre 27.
On referme les bras cllancrage et on li.bère le corps de la sonde
1, en actionnant le moteur 9 pour déplacer le piston 6 dans un sens tel
10 que le volume de la chambre 7a du cylinr~re 7 diminue (figure 6). L'huile
chassée de cette charnbre 7a est transférée par la canalisation 1c3 dans le
corps 15 des deux vérins 14, ce qui provoque l'enfoncement de leurs tiges
16 et le rapprochement des bras d'ancrage 4, 5~ Le mouvement du piston 6
amenant un enfoncement de la tige 21 dans le second cylindre 20, il se
produit un transfert d~huile de celui ci. vers le compartiment 23a du troi-
sième cylindre 23 par la canalisation 22 et Ull déplacernent des. pistons
libres 24 et 27 dans leurs cylindres respectifs 23 et 26u Lorsque les bras
arrivent en position de rapprochement ils agissent sur les éléments-pous-
soirs 45 qui son-t repoussés à l'intérieur des boîtiers 46 et déclenchent
20 les commutateurs 49 (figure 9). Le fonctionnement du moteur 9 se trouve
ainsi interrompu. Ils actionnent simultanément un inverseur (non repré-
senté) permettant de faire tourner le moteur en sens inverse lorsqu'il
est rrmis en marche ultl rieurement.
Si l'un au moins des bras rl~ancrage 4, 5 rencontre un obstacle
perldal1t la phase cle l`ormeture et se trouvo bl.oquri (I`irJure 7), i.l se procluit
une surpressi.on ~ F' larls la cal1alis.ltion 1 ~, ce qui. i.mpose un effort meca-
nique accru au moteur 9 et augmente sa consommation électrique. Au-delà
cllun cer-tain seuil le disjoncteur in-terrompt son alimentation électrique.
De toute fa~con, la soupape de sécurité 32 limite la surpression l~P dans
30 la canalisation 1 B, pendan-t la phase de r`ermeture des bras diancrage, à
la valeur-seuil P1 pour laquelle elle est également -tarée. En CaS de sur-
pression excessive, il se produit auSsi un -trans-fert d'huile à traverS
la canalisation 25 dans les cylindres 23 et 26 cles rnoyens d~application de
la prrssion statique, par deplacement en ser,s opposé des pistons libres
2.~ e-t 27~
~g~
Si les bras Ll'ancragr sont bloqués en position d1ouverture, en
raison d'une défaillance du circuit d'alimentation du moteur électrique
ou d'un blocage de celui-ci par exemple, et immobilisent la sonde dans
le puits (figure 8), celle-ci peut cependan-t etre remontée vers la
surface grâce au -Fonc-tionnement des organes de sécurité 33 et du 5y5-
tème de sécurité hydraulique. Lorsque la sonde est tractée vers la sur-
face, les forces de réaction appliquées aux extrémités des bras d'ancrage
4, 5 par les parois du pui-ts tenden-t à replier ceux-ci et, comme les
verins sont bloqués, cles forces cJe traction sont exercées sur les axes
de pivotement 12, 13 cles bras, ce qui entraîne lcur éloignrrnent du corps
1 de la sonde par compression cles ressorts 36 à l'intérieur des logements
cylindriques 35 et le dLgagement partiel des bras d'ancrage. Les forces
de traction appliquées aux axes de pivoternent 1~, 13 des bras provoquent
un accroissement de la pression hydraulique à l'intérieur de la cana-
lisation 19 Lorsque la surpression ~ P par rapport à la pression stati-
que ~ dépasse la valeur-seuil P1~ il se produi-t un transfert d'huile des
corps 15 des vérins 14 vers le compartiment 23a du troisième cylindre 23
par l'intermédiaire de la soupape de sécurité 30, et un déplacement des
pistons libres 24 et 27 dans leurs cylindres respecti-fs 23, 260 Il en
résulte un repliement cles bras d'ancrage.
Lorsque la sonde est dr-~scendue dans le puits depuis la surface
jusqu'à la profondeur d'utilisation, l'augmentation de la pression sta-
tiqur ~ à l'extérieur du corps provoque un déplacernen-t des pistons libres
2~ ct 27 et Ull transrLrt d'l1uile du COmparti.rner1t 23a du cylindre 23 dans
les canali~ati.ons 1~ et 19 p.J:C l'intermeLiiaire rlrs clapets d'équilibrage
29, 31 rJLs qlJr la différonce dL pres6ion excLc1e la prrmière valeur-seuil
Po -
Inversement, lorsque la sonde est remontée vers la surface, la
dift`érence de pression ~ P entre la pression à l'intérieur des canalisa-
tions 1~, 19 et la pression stati.que ~r ne peut rxcéder la secondevaleur-seuil P1 car au-clelà il se produit un :transfert~d'huile vers le
cylindre 23 par l'interrnédiaire des soupapes de sécurité 30, 32.
37
n,. voi.~; q~llJ, ~ 0115 L~ t ~ U, 11'
blocagc dl3S bras .lin~i qlll' d'evcntucllc5 ~ railli-lnccs rJ~I sys~c""3 dc
manocuvre nr pcuvcnL drt~':r.i.orrr l'r'~qui.pument clr: In sondc.
Selon une variante du dispositif d~ancrage, non représentée,
on peut également disposer les bras d~ancrage de maniere que la sonde 1
soit placée dans l'axe du puits lorsqu'elle est immobilisée, le fonction-
nement des bras étant analogue au fonctionnement précéclemment décrit.
11
