Procédé et appareil pour la détermination de paramètres de direction d'un puits exploré en continu

Abstract

 Ce procédé et cet appareil utilisent les signaux de mesure d'un accéléromètre et d'un magnétomètre à trois axes sensibles logés dans une sonde explorant le puits.
La sonde est continûment déplacée dans le puits pendant la mesure. Dans le cas le plus courant, le signal de l'accéléromètre est préfiltré, puis combiné au signal du magnétomètre pour le débarrasser de l'altération qu'il subit en raison du déplacement de la sonde dans le puits, puis soumis à un filtrage passe-bas très sélectif, et enfin à nouveau combiné au signal du magnétomètre pour la détermination de paramètres de direction du puits.
Ce procédé et cet appareil permettent une exploration rapide du puits et améliorent la qualité des mesures.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la détermination de paramètres de direction d'un puits en fonction de la profondeur, et plus particulièrement un procédé et un appareil qui utilisent les signaux de mesure d'un accéléromètre et d'un magnétomètre à trois axes sensibles logés dans·une sonde explorant le puits. La sonde est continûment déplacée dans le puits pendant la mesure. Dans le cas le plus courant, le signal de l'accéléromètre est préfiltré, puis combiné au signal du magnétomètre pour le débarrasser de l'altération qu'il subit en raison du déplacement de la sonde dans le puits, puis soumis à un filtrage passe-bas très sélectif, et enfin à nouveau combiné au signal du magnétomètre pour la détermination de paramètres de direction du puits.

[0002] L'écorce terrestre est constituée de couches de natures, d'épaisseurs et d'inclinaisons diverses, et il est depuis longtemps apparu que toute information concernant les couches successives, et en particulier leur inclinaison, présentait un intérêt certain dans des domaines tels que celui de la recherche pétrolière. Cependant, de telles informations sur l'inclinaison des couches n'étant pas directement accessibles dans l'état actuel de la technique, on a classiquement recours à des sondes, que l'on déplace dans un puits traversant ces couches, et qui fournissent des informations sur leur orientation par rapport aux couches traversées par le puits.

[0003] On comprend aisément que ces informations représentatives d'une orientation de nature relative soient insuffisantes et qu'il soit par conséquent nécessaire, pour connaître l'orientation des couches, de déterminer l'orientation topographique tridimensionnelle du puits et la position prise par la sonde dans le puits à la profondeur d'investigation.

[0004] Il est aussi bien connu, dans les techniques d'aviation, que l'orientation topographique tridimensionnelle d'un avion ou d'une fusée peut être déterminée en utilisant les signaux de mesure d'un accéléromètre et d'un magnétometre à trois axes sensibles. Ces signaux sont immédiatement utilisables quand l'avion vole à une vitesse constante et qu'il a une trajectoire régulière. Quand il y a des perturbations ou des accélérations soudaines, les signaux de l'accéléromètre et du magnétomètre perdent généralement leur intérêt dans cette détermination d'orientation.

[0005] C'est dans ce cadre très général que s'inscrivent le procédé décrit dans le brevet des Etats Unis n° 3 862 499 délivré à C.E. Isham et al, ainsi que celui de la présente invention, qui vise à la détermination de paramètres représentatifs de l'orientation topographique du puits et, bien que de façon facultative, à la détermination de la position prise par la sonde dans le puits.

[0006] Selon le procédé connu, la sonde est descendue dans le puits et stabilisée à une certaine profondeur. Les signaux d'un accéléromètre et d'un magnétomètre montés dans la sonde sont relevés alors que la sonde est fixe dans le puits en l'absence de toute perturbation. Ces signaux à composantes stationnaires sont combinés pour obtenir deux paramètres de direction du puits, à savoir l'angle de déviation, défini comme l'angle formé entre l'axe longitudinal du puits et la verticale, et l'azimut, défini comme l'angle formé entre deux plans verticaux dont l'un contient l'axe longitudinal du puits et l'autre la direction du nord. Puis la sonde est déplacée dans le puits et stabilisée à une autre profondeur. De nouveaux signaux sont produits lorsque la sonde est fixe, et sont combinés pour obtenir de nouvelles valeurs de l'angle de déviation et de l'azimut.

[0007] Ce procédé, en dépit de ce qu'il permet d'obtenir une précision satisfaisante sur les paramètres mesurés a chaque station de la sonde, présente plusieurs limitations, et notamment les deux inconvénients importants ci-dessous.

[0008] Le premier, immédiat, est que la nécessité de stabiliser la sonde pour chaque mesure occasionne une augmentation préjudiciable de la durée de l'exploration du puits.

[0009] Le second est que l'orientation du puits entre deux mesures étant physiquement inobservable, toute variation de l'orientation, qui apparaît et disparaît entre deux mesures successives, augmente de façon critique l'erreur sur la localisation des points du puits situés au-dessous de cette variation d'orientation.

[0010] Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un procédé de détermination de paramètres d'un puits qui soit plus rapide que le procédé connu précédemment décrit.

[0011] La présente invention a également pour but de proposer un procédé permettant de déterminer physiquement des variations de l'orientation du puits en tout point d'une portion longitudinale explorée de ce puits.

[0012] Le procédé de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que les phases consistant à produire lesdits signaux d'accélération et de repérage et à déplacer la sonde sont simultanées et sensiblement continues, en ce que ladite phase de détermination des paramètres de direction est scindée en une étape de stabilisation virtuelle par laquelle on élimine les effets du déplacement de la sonde, dans les composantes de l'un des signaux, constituant un signal à stabiliser, au moyen des composantes de l'autre signal, constituant un signal stabilisateur, et en une étape finale de combinaison des composantes desdits signaux, ladite phase de détermination des paramètres comprenant une opération intermédiaire de filtrage passe-bas portant au moins sur des composantes stabilisées dudit signal à stabiliser et par laquelle on élimine de ces composantes les variations de fréquence supérieure à la fréquence maximale des variations imputables à l'accélération de la pesanteur.

[0013] De préférence, ladite phase de détermination des paramètres de direction comprend en outre une étape préliminaire à ladite étape de stabilisation virtuelle, comportant une opération de préfiltrage des composantes du signal d'accélération, par laquelle on atténue sensiblement, dans ces composantes, les variations de signal présentant une fréquence supérieure à la plus grande fréquence possible du mouvement de rotation de la sonde autour de son axe longitudinal.

[0014] De façon simple, on utilise respectivement, pour produire lesdits signaux d'accélération et de repérage, un accéléromètre et un indicateur de direction, cet accéléromètre et cet indicateur de direction ayant chacun un premier et un second axe sensibles transversaux, perpendiculaires entre eux et à l'axe longitudinal de la sonde, et un troisième axe sensible, de direction longitudinale et confondu avec l'axe de la sonde, lesdits signaux comprenant chacun deux composantes axiales transversales et unè composante axiale longitudinale et ledit indicateur de direction étant par exemple un magnétomètre donnant dans le repère de ses trois axes .sensibles la direction du vecteur de champ magnétique terrestre.

[0015] L'étape préliminaire de la phase de détermination des paramètres de direction comprend la détermination d'une composante diagonale transversale du signal stabilisateur à partir des composantes axiales transversales de ce signal et l'élimination des effets de rotation, au moyen des composantes axiales et diagonale transversales de ce même signal, dans les composantes axiales transversales du signal a stabiliser pour en obtenir des composantes stabilisées en rotation, correspondant à une position de référence de la sonde autour de son axe longitudinal.

[0016] L'étape préliminaire comprend les opérations consistant à : déterminer une composante diagonale transversale du signal de repérage à partir des composantes axiales transversales de ce signal ; déterminer à partir de cette composantes diagonale transversale et de la composante axiale longitudinale de ce même signal de repérage le signe de la différence entre un premier angle, formé entre ledit vecteur de direction fixe et l'axe longitudinal de la sonde, et un angle limite de valeur prédéterminée ; définir les signaux stabilisateur et à stabiliser, respectivement par les signaux de repérage et d'accélération lorsque le signe de ladite différence est positif, et par les signaux d'accélération et de repérage lorsque ce signe est négatif; et déterminer une composante diagonale transversale du signal stabilisateur à partir de ses composantes axiales transversales lorsque ce signal stabilisateur est défini par ledit signal d'accélération.

[0017] L'étape finale de combinaison des composantes desdit signaux comprend une opération préliminaire de normation consistant à déterminer au moins une norme, une composante longitudinale normée, et une composante diagonale transversale normée du signal d'accélération.

[0018] L'étape finale de combinaison des composantes des signaux comprend une opération de détermination d'un premier desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison de composantes diagonale transversale et axiale longitudinale, filtrées et normées, dudit signal d'accélération, ce premier paramètre représentant l'angle formé entre la verticale et. l'axe longitudinal de la sonde.

[0019] Cette étape finale de combinaison de composantes des signaux comprend aussi une opération de détermination d'un second desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison des trois composantes axiales normées et stabilisées dudit signal à stabiliser, et des composantes longitudinale et diagonale transversale normées dudit signal stabilisateur, ce second paramètre représentant l'angle formé entre la trace horizontale du plan vertical passant par l'axe longitudinal de la sonde et la projection horizontale dudit vecteur de direction fixe différen1e ie la verticale.

[0020] Lorsque le signe de la différence déterminé au cours de ladite étape préliminaire est positif, ladite étape finale comprend une opération de réintroduction des effets de rotation de la sonde, fournissant à partir des deux composantes axiales transversales stabilisées du signal d'accélération et des composantes transversales diagonale et axiales du signal de repérage, deux composantes axiales transversales du signal d'accélération qui ne sont à nouveau plus stabilisées par rapport à ladite position de référence de la sonde autour de son axe longitudinal.

[0021] L'étape finale de combinaison des composantes des signaux comprend avantageusement une opération de détermination d'un troisième desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison des trois composantes axiales non stabilisées dudit signal d'accélération et des trois composantes axiales non stabilisées dudit signal de repérage, ce troisième paramètre représentant l'angle formé entre la projection horizontale dudit vecteur de direction fixe différente de la verticale et la projection horizontale d'un vecteur perpendiculaire à l'axe longitudinal et joignant cet axe à un point fixe de la sonde.

[0022] En outre cette étape finale de combinaison des composantes des signaux peut aussi comprendre une opération de détermination d'un quatrième desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison des deux composantes axiales transversales non stabilisées-du signal d'accélération, ce quatrième paramètre représentant l'angle dièdre formé entre un plan vertical contenant l'axe longitudinal de la sonde et un plan contenant l'axe de la sonde et passant par ledit point fixe de la sonde.

[0023] De préférence l'étape finale de combinaison des composantes des signaux comprend, après l'opération de détermination du premier paramètre de direction, une opération de comparaison de ce paramètre à une valeur minimale prédéterminée et, lorsque le premier paramètre est inférieur à cette valeur minimale, une opération consistant à forcer à la valeur zéro les seconds et/ou quatrième paramètres.

[0024] Dans des conditions courantes d'exploration du puits, il est avantageux que le filtrage passe-bas élimine, par une atténuation croissant rapidement à partir de 3 dB, les variations de signal présentant une fréquence supérieure à 8.10 2 Hz et que le préfiltrage consiste en une atténuation, croissante à partir de 3 dB, des variations de signal présentant une fréquence supérieure à 2,5 Hz.

[0025] Un mode particulier de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé, sur lequel :

- La figure 1 est une vue schématique représentant, en coupe, un puits exploré par une sonde ;

- La figure 2 est un diagramme fonctionnel (flov-chart) représentant les. principales opérations de la phase de détermination de valeurs de paramètres dans le procédé de l'invention ;

- Les figures 3a et 3b sont des représentations schématiques de circuits multifilaires pour la circulation et le traitement des composantes des signaux d'accélération et de repérage dans la phase de détermination des paramètres, et sur lesquelles chaque conducteur est assigné à une seule composante d'un des deux signaux ces figures sont raccordées par les faisceaux de conducteurs φ₁et φ₂;

- La figure 4 est un diagramme représentant les caractéristiques du filtre de préfiltrage ;

- La figure 5 est un diagramme représentant les caractéristiques du filtre passe-bas.

[0026] Comme il a précédemment été indiqué, le procédé de l'invention vise à la détermination de différents paramètres, liés à l'orientation topographique prise par un puits 1 à une profondeur donnée.

[0027] A cette fin, on dispose d'une sonde allongée 2 que l'on descend initialement dans le puits 1 au moyen d'un câble 3 solidaire la sonde et enroulé sur un treuil 4.

[0028] Entre le treuil et le bord supérieur du puits, le câble passé sur une roue de mesure 5 reliée à un compteur 6 enregistrant les rotations de la roue 5. La profondeur à laquelle la sonde se trouve dans le puits, qui est évidemment fonction de la longueur du câble déroulée du treuil, peut, de façon connue, être déduite de l'indication du compteur6.

[0029] La sonde 2 comporte des arceaux de centrage 7 lui permettant de toujours adopter dans le puits une position dans laquelle son axe longitudinal 2 a est, sur:la longueur de cette sonde au moins, sensiblement confondu avec l'axe longitudinal 1 a du puits,l'orientation de l'axe de la sonde s'assimilant ainsi à l'orientation du puits à la profondeur d'exploration.

[0030] A l'intérieur de la sonde sont logés un accélérométre 8 et un magnétomètre 9 fermement solidaires de la sonde.

[0031] L'accéléromètre fournit un signal à trois composantes axiales dont les amplitudes représentent les longueurs des projections, sur trois axes sensibles respectifs, du vecteur associé à l'ensemble des accélérations que subit la sonde, et le magnétomètre fournit un signal à trois composantes axiales dont les amplitudes représentent les longueurs des projections, sur trois axes sensibles respectifs, du vecteur associé au champ magnétique traversant la sonde, c'est-À-dire en pratique au champ magnétique terrestre.

[0032] Toutefois, le magnétomètre 9 pourrait être remplacé par un gyroscope délivrant un signal à trois composantes constituant une information de repérage de la sonde par rapport à la direction caractéristique du gyroscope, ou par tout autre indicateur de direction, pourvu d'une part que la direction du vecteur représentéepar le signal que fournirait cet indicateur soit fixe et connue et d'autre part qu'elle soit différente de la verticale.

[0033] Les axes sensibles de l'accéléromètre et du magnétomètre forment un trièdre rectangle fixe par rapport à la sonde, l'accéléromètre et le magnétomètre ayant un premier axe sensible dans. la direction longitudinale de la sonde et deux axes sensibles transversaux.

[0034] La sonde ayant été descendue dans le puits à une profondeur connue est remontée à l'aide du treuil et du câble à une vitesse sensiblement constante tandis que l'accéléromètre et le magnétomètre produisent leurs signaux respectifs, qui sont transmis vers la surface par le câble 3, et récupérés en surface en corrélation avec le signal du compteur 6.

[0035] En raison notamment des irrégularités de la paroi du puits et de l'élesticité du câble 3, la sonde 2 est soumise à des accélérations qui, outre l'accélération de la pesanteur, comprennent l'accélération due au mouvement de la sonde 2 dans le puits. En effet, d'une part la sonde subit des mouvements transversaux et des chocs contre la paroi et d'autre part, en dépit du fait que le câble est réenroulé à vitesse sensiblement constante, la sonde avance dans la direction longitudinale par progressions saccadées en un mouvement dit de "yo-yo". En outre, la sonde subit généralement un mouvement supplémentaire de rotation autour de son axe longitudinal.

[0036] Si lon peut considérer les composantes du signal de repérage, issu du magnétomètre, comme sensiblement indépendantes des mouvements brusques de la sonde, par contre les composantes du signal d'accélération, issu de l'accéléromètre, sont, dans une très large mesure, représentatives de ces mouvements parasites d'amplitude limitée, qui le perturbent de façon critique.

[0037] Aussi la phase de détermination des paramètes de direction du puits à partir des signaux de l'accéléromètre et du magnétomètre suppose-t-elle différentes étapes et opérations visant notamment à récupérer de ces signaux les informations qu'ils auraient directement fournies s'ils avaient été produits alors que la sonde était au repos etn'avait subi aucune rotation autour de son axe longitudinal.

[0038] Dans la description qui est faite ci-dessous de ces différentes étapes et opérations, les définitions suivantes seront utiltsées :

- S désigne un signal quelconque de nature vectorielle, de composantes axiales S_x, S_y et S_z;

- S désigne la norme partielle ou composante diagonale de ce signal

- S_xyz désigne la norme :

du signal S ;

- S_ζo et S_ζ désignent une même composante axiale du signal S, respectivement avant et après une opération modifiant cette composante ; _ζo et ζ peuvent respectivement adopter les significations suivantes : x_o et x; ^y0 et y ; z_o et ^z ; x_oy_o et xy ;

- S_ζ désigne une composante normée si

- ^γS et ^µS désignent respectivement les signaux d'accélération et de repérage, de nature vectorielle, respectivement issus de l'accéléromètre et du magnétomètre et ayant les composantes axiales respectives ^γS_x, γS_y, γS_z et ^µS_x, ^µS_y et ^µS_z;

- ^aS et ^pS (a = actif p = passif) désignent respectivement un signal stabilisateur et un signal à stabiliser, la nature de la stabilisation étant expliquée en détail ultérieurement.

[0039] En se référant à la figure 2, qui représente la phase de détermination des valeurs des paramètres, on voit que cette phase comprend une étape préliminaire ETO, une étape de stabilisation virtuelle ET1, comportant elle-même une opération D₁ ou D₂ d'élimination des effets de rotation, et une étape finale ET2 de combinaison des composantes traitées des signaux YS et ^µS,l'étape ET1 et l'étape finale ET2 étant séparées par une opération intermédiaire OIF de filtrage passe-bas F₂ 13 ou F2 47.

[0040] L'étape préliminaire ETO comprend, outre d'éventuelles opérations I 13 et I 46 d'inversion du signe des composantes des signaux ^Y_S et ^µS, des opérations de préfiltrage F₁ du signal ^YS, de retard R₁ du signal ^µS, de normation N₁ du signal ^µS, de choix avec test "T= 0 ?" et, éventuellement de normation N₃ du signal ^YS.

[0041] Les opérations I 13 et 1 46 consistent à changer le signe des composantes des signaux ^YS et ^µS et ne sont nécessaires que lorsque l'étape ETO porte sur les signaux directement fournis par l'accéléromètre_'et le magnétomètre comme représentatifs de vecteurs de directions opposéesà celles des vecteurs d'accélération d'une part et de champ magnétique terrestre d'autre part.

[0042] Les opérations de préfiltrage F₁ et de retard R₁ seront expliquées en détail ultérieurement.

[0043] Outre l'obtention de composantes préfiltrées du signal d'accélération, l'étape préliminaire ETO a deux finalités essentielles. En effet, comme cela a été précédemment mentionné, les composantes des signaux d'accélération et de repérage sont généralement porteuses d'une information provenant d'un phénomène parasite, à savoir la rotation de la sonde autour de son axe. Pour éliminer les effets de cette rotation sur les valeurs des composantes axiales transversales de l'un des signaux ci-après dénommé "signal à stabiliser", on a recours, dans l'étape ultérieure de stabilisation virtuelle ET1, à l'utilisation des composantes axiales transversales et d'une composante transversale, dite diagonale, de l'autre signal,ci-après dénommé "signal stabilisateur". Or, suivant l'orientation topographique de l'axe longitudinal de la..sonde, il peut être préférable, soit d'utiliser les composantes du signal du magnétomètre pour corriger les composantes du signal de l'accéléromètre, soit, inversement, d'utiliser les composantes du signal de l'accéléromètre pour corriger les composantes du signal du magnétomètre. L'étape préliminaire ETO apparaît donc avoir notamment pour fonction d'une part de permettre de déterminer lequel des deux signaux ^YS et ^µS doit jouer le rôle de signal à stabiliser ^pS, l'autre signal devant évidemment jouer le rôle de signal stabilisateur ^aS, et d'autre part de fournir, pour les besoins de l'étape de stabilisation virtuelle ET1, la composante transversale diagonale du signal stabilisateur, c'est-à-dire ^aS selon la notation précédemment introduite.

[0044] L'opération de détermination de ^aS, est incluse dans le bloc N₃ ou dans le bloc N₁ selon, respectivement, que le rôle de S est tenu par le signal ^YS ou par le signal ^µS. Cependant, comme le choix avec test "T₁ = 0 ?" suppose, ainsi qu'il apparaîtra ci-dessous, l'utilisation de la composante diagonale de l'un des deux signaux, et très préférablement de ^µS, on détermine d'abord ^µS_xy au cours de l'opération N₁, on utilise ensuite ^µS_xy pour conduire le test "T₁ = 0 ?" qui permet de décider lequel des deux signaux doit jouer le rôle de sigral stabilisa - t_eur a _S et on détermine ^aS_xy = ^YS_xy au cours de l'opération N₃ si le test "T_l = 0 ?" a conduit à assigner à S le rôle de signal stabilisa- teur S.

[0045] La description détaillée des différentes opérations de toute la phase de détermination des paramètres se réfère généralement ci-après aux figures 3a et 3b sur lesquelles sont représentées des lignes de circulation matérielle ou virtuelle d'information, affectées chacune, con- _tra_irement au cas de la figure 2, à une seule composante ou norme de signal.

[0046] Aux blocs I 13, 1 46 ; F₁ ; R₁, R₂.14, R₂.59; F₂.13 et F₂.47 de la figure 2 correspondent respectivement les inverseurs I₁ à I₁₃ et I₄ à I6, les filtres de préfiltrage F₁.1 à F₁.3, les cellules-tampons R₁.1 à R₁.5, R₂.1 à R₂.4 et R₂.5 à R₂.9 et les filtres F₂.1 à F₂.3 et F₂.4 à F₂.7 des figures 3a et 3b.

[0047] Les blocs N₁ à N₄, D₁ et D₂, E₁, DEV 1, DEV 2, RB 1 et RB 3 AZI1.1 et AZI1.2, AZIM1 et AZIM3 sont à considérer comme des opérations sur la figure 2, et comme des générateurs de fonctions, propres à effectuer ces opérations, sur les figures 3a et 3b.

[0048] Sur les figures 3a et 3b, les notations des composantes des signaux ne tiennent pas compte, pour des raisons de simplification, de ce que ces composantes gardent évidemment, à tous les niveaux, la mémoire des traitements qui leur ont été appliqués dans les blocs qu'elles ont traversés.. antérieurement.

[0049] Les composantes axiales ^YS_xo, ^YS_yo, S et ^µS_xo, ^µS_yo,et ^µS de sortie de l'accéléromètre et du magnétomètre, disponibles au début de la phase de détermination des valeurs de paramètres, peuvent être considérées comme ayant chacune sur chacun des intervalles de temps élémentaires At, une amplitude constante.

[0050] Les composantes axiales du magnétomètre, de signe éventuellement corrigé par les inverseurs I₄; I₅ et I6, sont appliquées au générateur de fonction N₁, qui délivre à sa sortie la norme ^µS_xyz, les composantes axiales normées ^µS_x= ^µS_xo / ^µS_xyz, ^µS_y= ^µS_yo / ^µS_xyz, ^µS_z= ^µS_zo / ^µS_xyz. et la composante diagonale transversale normée

[0051] Les composantes axiales de l'accéléromètre, de signe éventuellement corrigé par les inverseurs I₁, I₂ et I₃, sont appliquées aux fil- t_res de préfiltrage identiques F₁.1 à F₁.3·

[0052] Si _ζo représente x_o, y_o ou z pour une composante avant filtrage, si ζ représente x, y, z pour une composante après filtrage, si k et ℓ représentent des nombres entiers et si YS_ζ,iΔt représente l'amplitude de la composante ζ du signal ^YS au cours du i^lème intervalle de temps Δt, le caractéristique des filtres F₁.1 à F₁.3 est de délivrer pour tout ℓ, un signal de sortie tel que :

avec. a_k = 0,54 - 0,46 cos

[0053] La caractéristique de ces filtres F₁ est représentée sur la figure 4 qui porte, en abscisse, la fréquence et, en ordonnée, l'atténuation, dans le cas où la valeur de chaque composante du sigrial ^YS de l'accéléromètre est échantillonnée toutes les 8,3 millisecondes (Δt = 8,3 ms). De nouvelles composantes filtrées apparaissent donc tous les 15.5Δt, soit environ toutes les 1/7,5 secondes. Le rôle des filtres F₁ est d'atténuer très sensiblement, dans les composantes filtrées, les variations de signal présentant une fréquence supérieure à la fréquence maximale possible du mouvement de rotation de la sonde autour de son axe. On voit sur la figure 4 que les fréquénces supérieures à 2,5 Hz subissent une atténuation supérieure à 3 dB.

[0054] Comme l'apparition de la composante filtrée^YS_ζ,15.5Δt suppose l'apparition antérieure de la composante non filtrée ^YS_{ζo, (15}._5)(ℓ+1)Δt le signal de sortie du filtre F₁ présente un certain retard par rapport au signal d'entrée. Comme il convient évidemment d'utiliser ensemble les composantes des signaux de l'accéléromètre et du magnétomètre relatives à une même profondeur instantanée de la sonde dans le puits, les composantes ^µS_x, ^µS_y, µS_z, ^µS_xy et la norme ^µS_xyz du signal de repérage, issu du magnétomètre, subissent dans les cellules R₁.1 à R₁.5 un retard équivalent à celui que provoque le filtrage F₁ sur les composantes du signal d'accélération.

[0055] Le diviseur DV, auquel sont appliquées ensuite les composantes µS_z et ^µS_xy, effectue le rapport ^µS_xy / ^µS_z, qui représente la tangente de l'angle a formé entre la direction du vecteur de champ magnétique terrestre et celle de l'axe de la sonde. L'information ^µS_xy / ^µS_z est ensuite appliquée au comparateur COMP 1 quip compare à une limite de valeur prédéterminée L₁. Si la quantité

est positive ou nulle, la sortie du comparateur COMP 1 se met dans l'état T₁ = 0 (cas général), et, si u est négatif, dans l'état T₁ = 1(cas particulier, le moins fréquent), T₁ étant par exemple défini par la fonction explicite T₁=1- INT 2 u |u| où "INT" désigne la fonction "partie entière de". Ainsi, pour la valeur, généralement appropriée, de 5.10^-2 pour L1, la sortie T₁ ducomparateur COMP 1 sera désactivée si l'angle

est supérieur ou égal à 3° (cas général).

[0056] 

T₁ de le sortie du comparateur COMP 1 permet d'opérer un aiguillage, symboliquement réalisé par deux relais MT₁ et MT1. Le relais KT₁ ferme ses contacts lorsque T₁ = 1 - T₁ est égal à 1 et le relais MT₁ ferme ses contacts lorsque T₁ est égal à 1. Lorsque T₁ est nul,(cas général), c'est-à-dire lorsque T₁ est égal à 1 (fig.3a) le signal ^µS du magnétomètre est utilisé comme signal stabilisateur ^aS et le signal ^YS de l'accéléromètre comme signal à stabiliser ^pS, ce qui signifie que le signal du magnétométre est utilisé pour corriger le signal de l'accéléromètre des effets de rotation de la sonde. Inversement lorsque T₁ est égal à 1 (cas particulier), c'est-à-dire lorsque T₁ est nul, le signal stabilisateur ^aS est le signal ^YS de l'accéléromètre, qui sert à corriger le signal ^µS du magnétomètre, constituant le signal à stabiliser ^pS.

[0057] De façon plus concise, les relais MT₁ et MT -réalisent la dé'finition :

pour les deux valeurs de T₁.

[0058] Dans le. cas=T₁= ¹ (cas particulier), les composantes ^YS _xo et ^YS_xy provenant de F₁.1 et F,.2 sont combinées en N₃ pour obtenir la com-posante transversale diagonale

[0059] L'étape ET1 de stabilisation virtuelle consiste essentiellement à corriger les composantes axiales transversales dusignal à stabiliser, en éliminant dans ces composantes les effets de la rotation de la sonde, au moyen des composantes transversales diagonale et axiales du signal stabilisateur, dans les blocs D₁ ou D₂;pour des composantes ^pS_xo, ^pS_yo, ^aS_x, ^aS_y, ^aS_xy d'entréè.D₁ et D₂ fournissent en sortie les nouvelles composantes ^pS_x et ^pS_y telles que :

^pS_xo et ^pS_yo proviennent de F₁.1 et F₁.2 si T₁ = 0 (cas général) et de R₁.1 et R₁.2 si T₁ = 1 (cas particulier) ; ^aS_x et ^aS_y proviennent de

R₁.1 et R₁.2 si T₁= 0 (cas général) et de F₁.1 et F 2 si T_l = 1 (cas particulier) et ^aS_xy provient de N₁ par R₁.4 lorsque T₁= 0 (cas général), et de N lorsque T₁= 1 (cas particulier). Les composantes ^pS _x et ^pS stabilisées sont sensiblement celles qui auraient été obtenues en y absence de rotation de la sonde autour de son axe longitudinal. Les composantes ^pS_x et ^pS_y provenant des blocs D₁ ou D₂, la composante axiale longitudinale S du signal de l'accéléromètre (définissant ^pS _z si T₁= 0 et ^aS₂ si T₁= 1), et, si T₁ =1 (cas particulier), la composante diagonale ^aS_xy du signal stabilisateur, subissent ensuite, dans les blocs F₂.1 à F₂.7 un filtrage passe-bas dont la caractéristique est donnée par

avec b_k = 0,54 - 0,46 cos

[0060] La caractéristique de ces filtres F₂ est représentée sur la figure-5 qui porte, en abscisse,la fréquence et en ordonnée,l'amplitude transmise, dans le cas où la valeur de chaque composante devant être filtrée est échantillonnée toutes les 1/7,5 secondes (Δt = 1/7,5 s). De nouvelles composantes filtrées apparaissent donc tous les 31.5Δt, soit environ toutes les 4.2 secondes.

[0061] Le rôle des filtres F₂ est d'éliminer, des composantes filtrées, les variations de l'amplitude présentant une fréquence supérieure à la fréquence maximale des variations d'amplitude qui sont imputables à l'accélération de la pesanteur et qui dérivent essentiellement des variations de l'angle formé entre la verticale et l'axe longitudinal de la sonde. On voit sur la figure 5 que les fréquences supérieures à 8.10^-2 Hz subissent une atténuation supérieure à 3 dB et très rapidement croissante.

[0062] Comme l'apparition d'une composante filtrée S_ξ,(31.5)ℓΔt ^sup- pose l'apparition antérieure de la composante non ^filtree S_ξo, (31.5Xℓ+1)Δt les composantes à la sortie des filtres F2.1 à F2.7 subissent un retard de 31.5 Δt. Pour éliminer les incidences de ce. retard, les composantes non filtrées subissent des retards équivalents dans les cellules tampons R₂.1 à R₂.9.

[0063] Après le filtrage passe-bas, les composantes du signal de l'accéléromètre sont normées. Lorsque T₁ = 0 (cas général), les composantes de ^γS = ^pS sont normées en N₂, qui fournit la norme ^γS_xyz = ^pS_xyz et les composantes normées diagonale ^γS_xy = ^pS_xy et axiales γS_x = ^pS_x, ^γS_y =^pS_y et ^γS_z = ^pS_z. Lorsque _T1 = 1 (cas particulier), les composantes de ^γS = ^aS sont normées en N₄, qui fournit la norme ^γS_xyz = ^aS_xyz et les composantes normées longitudinale ^γS_z = ^aS_z et diagonale ^γS_xy = ^aS_xy.

[0064] En outre, lorsque T₁ = 0 (cas général), de nouvelles compo- _santes transversales ^γS_x = ^pS_x et ^γS_y = ^pS_y du signal de l'accéléromètre sont obtenues dans E₁, à la sortie de N₂, en utilisant les composantes transversales ^aS_x = ^µS_x, ^aS_y = ^µS_y et ^aS_xy = ^µS_xy du signal de repérage issu du magnétomètre. Cette opération E₁ constitue l'opération inverse de l'opération D précédemment mentionnée et a pour effet de réintroduire, dans les composantes du signal de l'accéléromètre, l'information relative à la rotation de la sonde autour de son axe longitudinal.

[0065] Si ^γS_xo et ^γS_yo sont les composantes de ^γS à la sortie de N₂ et ^µS_x, ^µS_y, ^µS_xy les composantes transversales de ^µS à la sortie de R₂.1, R₂.2 et R_2.4, les nouvelles composantes de ^γS à la sortie de E₁ sont :

[0066] Il convient ici de faire remarquer que ces composantes ^γS_x et ^γS_y ne sont pas du tout identiques ni proportionnelles aux composantes du signal de sortie de l'accéléromètre. Si, en effet, ces nouvelles composantes ^YS_x et ^γS y contiennent à nouveau l'information relative à la rotation de la sonde autour de son axe longitudinal par rapport à une position de référence, par contre elles sont débarassées des informations perturbatrices provenant des chocs de la sonde contre la paroi du puits.

[0067] L'étape finale ET2 de combinaison des composantes des signaux d'accélération et de repérage aboutit, par différentes opérations décrites ci-après, à la détermination de différents paramètres représentatifs de l'orientation topographique du puits et de la position de la sonde dans le puits par rapport à une position de référence correspondant à un calage de la sonde pour les mouvements de rotation autour de son axe longitudinal.

[0068] Les composantes transversale diagonale γS_xy et longitudinale ^YS_z du signal de l'accéléromètre, normées en N₂ ou en N₄, sont combinées pour obtenir la valeur d'un premier paramètre, DEV, représentant l'angle β formé entre la verticale et l'axe longitudinal de la sonde.

[0069] Si T₁ = 0 (cas général), le paramètre DEV est obtenu en DEV 1 qui fournit l'information de même nom DEV 1, et si T₁ = 1, DEV est obtenu en DEV 2, fournissant l'information DEV 2. Les générateurs de fonctions DEV 1 et DEV 2 sont identiques et fournissent l'information défi- nie par

[0070] Dans le cas T₁ = 0 (cas général), l'information DEV 1 est, dans le comparateur COMP 2, comparée à un angle L2 de valeur prédéterminée, par exemple égale à 0.5° ; en fonction du résultat de cette comparaison, on multiplie par 0 ou 1 la valeur de deux autres informations RB1 et AZIM 1, qui seront définies ultérieurement. Ceci est, de façon schématique, représenté par la possibilité, pour le comparateur COMP 2, de commander deux relais MT₂.1 et MT₂.2 fermés ou commutés à la masse. Le comparateur COMP 2 et les relais MT₂.1 et MT₂.2 sont équivalents à un test "T2 = 0?" dans lequel T₂ est une fonction à valeur 1 si l'angle v défini par .v = DEV 1 - L2 est positif ou nul et à valeur nulle si-v est négatif. La fonction T₂ peut par exemple prendre la forme explicite : T₂ = INT 2^v-|v| où INT désigne la fonction "partie entière de". Pour définir les informations RB1 et AZIM 1, précédemment évoquées, il est avantageux de définir deux fonctions, H et J, de deux variables N et D, telles que :

et

Autrement dit, J(N,D) est égal à : Arctg

+ π si D est négatif, et à Arctg

si D est positif, 2π étant ajoutés si Arctg

est négatif.

[0071] Les deux composantes transversales axiales du signal à stabiliser ^pS_x, ^pS_y, débarassées des effets de rotation de la sonde et filtrées, provenant de N₂ lorsque T₁ = 0 (cas général) et de F₂.6 et F₂.7 lorsque T₁ = 1, la composante longitudinale normée ^pS_z de ce même signal, provenant de N₂ lorsque T₁ = 0 (cas général) et de R₂.9 lorsque T₁ = 1, et les composantes diagonale et longitudinale S _xy et S _z du vecteur stabilisateur, provenant de R₂.4 et R₂.3 lorsque T₁ = 0 (cas général) et de N₄ lorsque T₁ = 1, sont combinées pour obtenir la valeur d'un second paramètre, AZIM, représentant l'angleζ formé entre la trace horizontale du plan vertical passant par l'axe longitudinal de la sonde et la projection horizontale du vecteur de champ magnétique terrestre.

[0072] Pour T₁ = 0 (cas général),le bloc AZIM 1 réalise la fonction élaborant l'information de même nom, AZIM 1, précédemment évoquée et définie par :

AZIM 1 = J(N,D) avec

Après le test "T₂ = 0 ?", l'information AZIM 1 devient AZIM 2 telle que AZIM 2 = T₂.AZIM 1.

Pour T₁ = 1, le bloc AZIM 3 réalise la fonction élaborant l'information AZIM 3, définie par :

AZIM 3 = J(N,D) avec

Le paramètre AZIM est donc égal à AZIM 2 si T₁ = 0 (cas général) et à AZIM 3 si T₁ = ¹.

[0073] Les trois composantes axiales ^γS_x, ^γS_y et ^γS_z du signal de l'accéléromètre, contenant les effets de rotation de la sonde, c'est-à-dire provenant, lorsque T₁ = 0 (cas général) de F₁ en ce qui.concerne ^γS_x et ^γS_y et de N₂ pour ^γS_z, et, lorsque T_l = 1, de R₂.5 et R₂.6 en ce qui concerne ^γS_x et YS , et de N₄ pour ^γS_z, et les trois composantes axiales ^µS_x, ^µS_y et ^µS_z du signal du magnétomètre , contenant également les effets de rotation de la sonde, c'est-à-dire provenant, lorsque T₁ = 0 (cas général), de R2.1, R₂.2 et R₂.3 et, lorsque T₁ = 1, de R₂.7, R₂.8 et R₂.9, sont combinées pour obtenir la valeur d'un troisième paramètre, AZI 1, représentant l'angle δ formé entre la projection horizontale du vecteur de champ magnétique terrestre et la projection horizontale d'un vecteur perpendiculaire à l'axe longitudinal de la sonde et joignant cet axe à un point fixe P de la sonde, distant de ce même axe. Cette combinaison est faite, lorsque T₁ = O (cas général) par AZI1.1 qui fournit l'information AZI1.1 telle que AZI1.1 = J(N,D) avec

et

Lorsque T₁ = 1, la combinaison des six composantes axiales des signaux est réalisée par AZI1.2, de la même façon, c'est-à-dire avec les mêmes expressions pour N et D. Le paramètre AZI 1 est donc égal à AZI1.1 si T₁ = 0 et à AZI1.2 si T₁ = 1.

[0074] Les deux composantes axiales transversales ^YS _x et ^γS_y du signal de l'accéléromètre, contenant les effets de rotation de la sonde, c'est-à-dire provenant de El lorsque T_l = 0 (cas général) et de R₂.5 et R₂.6 lorsque T₁ = 1, sont combinées respectivement en RB1 et RB3 pour.obtenir la valeur d'un quatrième paramètre, RB, représentant l'angle maximalθ, ou angle dièdre, formé entre un plan vertical contenant l'axe longitudinal de la sonde et un plan contenant l'axe de la sonde et passant par le point fixe P de celle-ci. Les informations RB1 et RB3 s'expriment par la même combinaison de composantes, à savoir J(N,D) avec N = ^γS_y et D = - ^γS_x. Après le test "T₂ = 0 ?", l'information RB1 devient RB2 telle que RB2 = T₂.RB1. Le paramètre RB est donc égal à RB2 si T₁ = O et à RB3 si T₁ = 1.

[0075] Sur la figure 3b, le relais à doubles contacts T₁T₁, commandé par le comparateur COMP 1, représente de façon schématique le raccordement de la phase de détermination de la valeur des paramètres à une opération d'affichage AFF de ces paramètres. Ainsi ce relais T₁T₁ permet d'obtenir, à la fin de la phase de détermination, les paramètres DEV, AZIM, AZI1 et RB qui, sous une forme explicite, s'expriment par :

[0076] Il est toutefois possible, et éventuellement avantageux, de déterminer au cours de l'étape finale ET2, la valeur d'autres paramètres tels que Sin i, i étant l'angle d'inclinaison du vecteur de champ magné- .tique terrestre. Cette possibilité est illustrée sur la figure 3b (cas T₁ = 1). Le paramètre Sin i est donné par :

[0077] D'autre part, l'affichage de grandeurs telles que la norme ^µS_xyz du signal du magnétomètre, et la norme ^γS_xyz du signal de l'accéléromètre, après filtrage passe-bas, permet d'exercer un contrôle sur la signification réelle des valeurs obtenues pour les différents paramètres.

[0078] Comme il est dit précédemment, la valeur de Ll doit être choisie assez faible. de préférence inférieure ou égale à 5.10^-2 (5.10^-2= tg 3°). En effet, le signal ^YS de l'accéléromètre étant très perturbé par les accélérations subies par le sonde en raison de son nouvement, il est avantageux de restreindre au maximum l'utilisation du signal S de l'accéléromètre en tant que signal stabilisateur ^aS pour débarasser le signal de magnétomètre des effets de rotation de la sonde, donc de restreindre au maximum les cas T₁ = 1.

[0079] Bien que, dans le procédé de l'invention, la phase de détermination de la valeur des paramètres puisse, en utilisant les indications précédentes, être mise en oeuvre selon des modalités diverses, et par exemple au moyen d'un dispositif matériel conçu spécialement à cette fin et répondant au schéma des figures 3a et 3b, il est apparu que la voie la plus adaptée consistait à recourir à un traitement automatique de données au moyen d'un ordinateur. Dans une telle composante, les blocs des figures 2, 3a et 3b représentent des sous-programmes, à l'exception des comparateurs de la figure 3a qui représentent des tests, et des relais des figures 3a et 3b, qui représentent des branchements conditionnels.

Revendications

1. Procédé de détermination d'au moins deux paramètres de direction d'un puits en fonction de la profondeur, comprenant les phases consistant à : produire un signal d'accélération à trois composantes représentant un ensemble d'accélérations subies par une sonde qui est déplacée dans le puits et détectées suivant trois axes de référence liés à cette sonde ; produire un signal de repérage à trois composantes représentant un vecteur de direction fixe différente de la verticale, rapporté auxdits trois axes de référence ; déterminer lesdits paramètres de direction par une combinaison des composantes desdits signaux, caractérisé en ce que les phases consistant à produire lesdits signaux d'accélération et de repérage et le déplacement de la sonde sont simultanées et sensiblement continues, en ce que ladite phase de détermination des paramètres de direction est scindée en une étape de stabilisation virtuelle par laquelle on élimine les effets du déplacement de la sonde dans les composantes de l'un desdits signaux, constituant un signal à stabiliser, au moyen des composantes de l'autre signal, constituant un signal stabilisateur.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite phase de détermination des paramètres comprend en outre une opération intermédiaire de filtrage passe-bas, portant au moins sur des composantes stabilisées dudit signal à stabiliser et par laquelle on élimine de ces composantes les variations de fréquence supérieure à la fréquence maximale des variations imputables à l'accélération de la pesanteur.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite phase de détermination des paramètres de direction comprend en outre une étape préliminaire à ladite étape de stabilisation virtuelle, comportant une opération de préfiltrage des composantes du signal d'accélération, par laquelle on atténue sensiblement, dans ces composantes, les variations de signal présentant une fréquence supérieure à la plus grande fréquence possible du mouvement de rotation de la sonde autour de son axe longitudinal.

4. Procédé suivant la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que lesdits signaux d'accélération et de repérage sont rapportés à un premier et un second axe sensibles transversaux, perpendiculaires entre eux et à l'axe longitudinal de la sonde, et à un troisième axe sensible, de direction longitudinale et confondu avec l'axe de la sonde, lesdits signaux comprenant chacun deux composantes axiales transversales et une composante axiale longitudinale.

5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel la phase de détemination desdits paramètres de direction comprend une étape préliminaire à l'étape de stabilisation virtuelle, caractérisé en ce qu'on détermine, dans cette étape préliminaire, une composante diagonale transversale du signal stabilisateur à partir des composantes axiales transversales de ce signal, et en ce qu'on élimine lesdits effets de rotation, au moyen des composantes axiales et diagonale transversales de ce même signal, dans les composantes axiales transversales du signal à stabiliser, pour en obtenir des composantes stabilisées en rotation, correspondant a une position de référence de la sonde autour de son axe longitudinal.

6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape préliminaire comprend les opérations consistant à : déterminer une composante diagonale transversale du signal de repérage à partir des composantes axiales transversales de ce signal ; déterminer à partir de cette composante diagonale transversale et de la composante axiale longitudinale de ce même signal de repérage le signe de la différence entre un premier angle, formé entre ledit vecteur de direction fixe et l'axe longitudinal de la sonde, et un angle limite de valeur prédéterminée ; définir les signaux stabilisateur et à stabiliser, respectivement par les signaux de repérage et d'accélération lorsque le signe de ladite différence est positif, et par les signaux d'accélération et de repérage lorsque ce signe est négatif ; et déterminer une composante diagonale transversale du signal stabilisateur a partir de ses composantes axiales transversales lorsque ce signal stabilisateur est défini par ledit signal d'accélération.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite étape finale de combinaison des composantes des signaux comprend une opération de détermination d'un premier desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison de composantes diagonale transversale et axiale longitudinale, filtrées et normées, dudit signal d'accélération, ce premier paramètre représentant l'angle formé entre la verticale et l'axe longitudinal de la sonde.

8. Procédé suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite étape finale de combinaison de composantes des signaux comprend une opération de détermination d'un second desdits paramètres de direction, cette opération impliquant la combinaison des trois composantes axiales normées et stabilisées dudit signal à stabiliser et des composantes longitudinales et diagonale transversale normées dudit signal stabilisateur, ce second paramètre représentant l'angle formé entre la trace horizontale du plan vertical passant par l'axe longitudinal de la sonde et la projection horizontale dudit vecteur de direction fixe différente de la verticale.

9. Procédé suivant la revendication ou 5, caractérisé en ce que, lorsque le signe de la différence déterminé au cours de ladite étape préliminaire est positif, ladite étape finale comprend une opération de réintroduction des effets du déplacement de la sonde, fournissant, à partir des deux composantes axiales transversales stabilisées du signal d'accélération et des composantes transversales diagonale et axiales du signal de repérage, deux composantes axiales transversales du signal d'accélération qui ne sont à nouveau plus stabilisées par rapport à ladite position de référence de la sonde.

10. Procédé suivant la revendication'7, caractérisé en ce que ladite étape finale de combinaison comprend, après l'opération de .détermination du premier paramètre de direction, une opération de comparaison de ce paramètre à une valeur minimale prédéterminée et, lorsque le premier paramètre est inférieur à cette valeur minimale, une opération. consistant à forcer a la valeur zéro un second paramètre de direction, représentant l'angle formé entre la trace horizontale du plan vertical passant par l'axe longitudinal de la sonde, et la projection horizontale dudit vecteur de direction fixe différente de la verticale.

11. Appareil pour la détermination de paramètres de direction d'un puits, comprenant :

- une sonde,

- des moyens pour centraliser la sonde dans un puits,

- des premiers moyens, compris dans la sonde, pour produire des signaux représentant les accélérations subies par la sonde quand la sonde est déplacée dans le puits,

- des seconds moyens, compris dans la sonde, pour produire des signaux représentant un vecteur de direction fixe différente de la verticale, et

- des moyens pour déterminer lesdits paramètres de direction par un traitement et une combinaison desdits signaux,

caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement et de combinaison comprennent en outre des moyens additionnels pour le traitement et la combinaison des signaux afin'de déterminer les paramètres de direction, représentant la position de la sonde dans le puits a chaque profondeur, de façon que lesdits paramètres soient débarrassés des effets du déplacement de la sonde dans le puits.

12. Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens additionnels de traitement et de combinaison comprennent en outre :

- des moyens pour débarrasser les signaux produits par lesdits premiers moyens des effets du déplacement de la sonde, par une combinaison des composantes des signaux produits par lesdits premiers et seconds moyéns, et

- des. moyens pour déterminer lesdits paramètres de direction par une combinaison des composantes desdits signaux débarrassés des effets du déplacement de la sonde et des signaux produits par lesdits seconds moyens.

13. Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :

- des moyens pour effectuer le déplacement de la sonde dans le puits, et

- des moyens pour produire des mesures représentant le déplacement de la sonde dans le puits.

14. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :

- des moyens pour coordonner lesdites mesures de déplacement avec lesdits paramètres de direction.

Dessins