1. DOMAINE DE L'INVENTION

Le domaine de l'invention est celui des canalisations destinées à transporter des substances (c'est-à-dire des liquides et gaz (fluides), boues, poudres, masses de petits solides, etc.) qui peuvent s'écouler, en particulier (mais non exclusivement) des canalisations appropriées pour être utilisées dans des environnements de fond de puits, tels que des canalisations souterraines utilisées dans l'industrie gazière et pétrolière (exploration et production).

Plus précisément, l'invention concerne une technique de réalisation d'une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps (courant alternatif par exemple) entre un équipement de surface et au moins un équipement de fond, la ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage électriquement conducteur et un tube de production électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage.

Cette technique trouve son champ d'application dans tous les domaines où un courant électrique variable (quelle que soit sa forme) est transmis dans une canalisation du type précité, entre autre et de manière non limitative pour assurer une transmission d'énergie le long de cette canalisation, communiquer le long de cette canalisation, ou encore dissiper de la chaleur dans la canalisation à partir de ce courant électrique.

La présente invention s'applique notamment, mais non exclusivement, dans le cas d'un puits déjà foré et en cours de production.

2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Dans la suite de la description, on a plus particulièrement cherché à décrire des problèmes existant dans le domaine des canalisations métalliques souterraines, notamment de forages et de puits dans l'écorce terrestre. Il va de soi que l'invention ne se limite pas à ce domaine d'application particulier mais qu'elle présente un intérêt dans n'importe quel contexte où l'on cherche à établir une communication entre un équipement de fond (aussi appelé équipement esclave) installé à poste fixe dans une canalisation et un équipement de surface (aussi appelé équipement maître) installé en surface.

La figure 1 représente à des fins d'illustration un exemple de puits en production.

Pour équiper un puits 1 pour la production d'effluents et notamment de fluides pétroliers, on y descend généralement un tube de cuvelage 11 (ou « casing » en anglais) en acier que l'on maintient en place par une injection de ciment dans l'espace annulaire 13 entre lui et le puits. On confine alors le puits en le coiffant d'une tête de puits 14 en acier au travers de laquelle on descend un tube de production 12 (ou « tubing » en anglais) en acier jusque dans la zone souterraine de gisement. Le tube de production 12 (tubing), dont le rôle est de remonter l'effluent jusqu'à la surface, passe à travers un organe de confinement 15 (ou « packer » en anglais) en acier ou élastomère qui assure l'étanchéité de la zone de gisement par rapport à l'espace annulaire 18 défini entre le tube de production 12 et le tube de cuvelage 11. Cet espace annulaire 18 est rempli d'une substance inerte telle que, par exemple, de l'eau, du gaz ou du gasoil gélifié. Le tube de production 12 est maintenu centré par rapport au tube de cuvelage, au moyen de l'organe de confinement 15 et d'une ou plusieurs bague(s) de centrage 16 (ou « clamps » en anglais) en métal ou en matériau composite. Comme illustré, le tube de production 12 porte un ou plusieurs boîtiers (ou coffrets) cylindriques 17, qui renferment chacun de façon connue des équipements de fond de puits tels que, par exemple, des capteurs de mesure, des vannes, des pompes, etc.

En matière de forage et de puits pétroliers, notamment, il est très important de pouvoir soit transmettre en surface depuis le fond du puits foré des paramètres appréhendés par les capteurs de mesure fournissant des indications utiles de tout ordre pour l'exploitation du gisement, par exemple, des mesures de pression, des informations sur la nature des fluides et solides rencontrés, des mesures de température, etc., soit de transmettre depuis la surface des ordres de commande aux appareillages et organes divers (vannes, opercules, pompes etc.) localisés en fond de puits.

Traditionnellement, on utilise des câbles électriques multi-lignes pour assurer l'alimentation électrique des équipements de fond de puits, la remontée des mesures et la transmission des ordres de commande générés par l'équipement maître en surface. Toutefois, la descente de câbles comportant des capteurs ou devant être connectés à des capteurs ou organes de commande situés en profondeur est une opération délicate et coûteuse et qui ne peut pas être effectuée dans tous les cas, notamment pas lorsque le puits foré est en exploitation ou lorsque des vannes ou organes de séparation ne peuvent être traversés par des câbles munis ou non de capteurs.

On connaît une technique de mesure consistant à transmettre des informations par des impulsions de pression (« Mud puise ») dans le canal de circulation de boue constitué par les tubes en cours de forage. Cette technique de modulation de boue s'est révélée très fiable mais très peu performante, et est limitée aux puits en cours de forage avec circulation de boue et non pas dans des puits en production ou en cours d'essais, par exemple.

On connaît également les systèmes de transmission dits électromagnétiques, dans lesquels il est proposé d'utiliser une portion du tube de cuvelage métallique (casing) comme un dispositif d'antenne d'émission-réception. Il s'agit en fait de faire circuler des courants électriques dans le sol à partir d'une source et de capter ce qu'il reste de ces courants à une certaine distance. Les performances de la transmission électromagnétique sont dépendantes de la résistivité électrique moyenne des formations géologiques environnantes au puits. Si la résistivité de certaines couches ne répond pas à certains critères, alors l'atténuation peut devenir trop importante le long du puits. Ceci peut se traduire par la réduction inacceptable du débit de données que l'on transmet ou l'impossibilité de communiquer sur le parcours souhaité.

Par ailleurs, dans ces systèmes de transmission électromagnétiques les capteurs de fond de puits sont généralement alimentés par une batterie. Pour accomplir les nouveaux progrès dans les performances de production que demande à présent l'industrie gazière et pétrolière, les puits doivent être équipés de très nombreux capteurs qu'il faut solliciter de plus en plus fréquemment et sur des durées très longues, comme par exemple plus de dix ans. Dans ces conditions, l'utilisation d'une batterie comme source d'alimentation n'est pas une solution fiable et durable dans le temps, voire même souvent est une solution impossible.

Une autre technique connue consiste à propager de l'information par vibrations acoustiques, soit dans l'effluent liquide, soit dans la structure métallique du tubing. Bien qu'utilisée couramment, cette technique ne permet que des communications à courte distance, l'atténuation et la distorsion des vibrations le long du tubing étant rapidement pénalisants. De plus, comme dans le cas des communications électromagnétiques, il est nécessaire de disposer en fond de puits d'énergie pour alimenter l'élément, avec tous les inconvénients déjà cités.

On connaît également des systèmes utilisant le couple tubing/casing comme conducteurs permettant de véhiculer des courants entre les deux extrémités de l'installation. Il est ainsi possible d'échanger des informations de manière bidirectionnelle entre le fond et la surface, tout en fournissant aux dispositifs de fond l'énergie qui leur est nécessaire à partir de la surface. Un des problèmes spécifiques à cette technique est que chaque extrémité de la complétion (i.e. installation) est en court- circuit. En effet, sur la partie supérieure de la complétion, la tête de puits 14 est une pièce métallique massive reliant électriquement tubing 12 et casing 11 (premier court- circuit). De même, en fond de complétion, la liaison électrique entre tubing 12 et casing 11 (second court-circuit) est réalisée par le packer 15, s'il est en métal, ou bien par un élément de court-circuit spécifique (réalisé par divers moyens simples et bien connus), si le packer 15 est en élastomère.

Une solution connue consiste à utiliser cette spécificité et à transmettre de l'information sous forme de courant circulant entre ces deux courts circuits, comme le montre la figure 2. Une bobine d'injection 5 est parcourue par un courant alternatif et induit dans le tubing 12 un courant électrique 7 qui circule dans l'assemblage tubing 12, casing 11 , tête de puits 14 et packer 15. Ce courant est capté par une bobine de fond 6 qui peut ainsi l'utiliser pour recevoir de l'information et/ou de l'énergie pour s'alimenter. Cette technique présente cependant de nombreuses difficultés, tout particulièrement dans la réalisation des transformateurs d'injection de courant et les transformateurs de collecte de ce courant.

Une autre technique très avantageuse consiste à utiliser une transmission en tension, mais suppose de pouvoir isoler les courts circuits précités. L'utilisation de matières isolantes 22, 23 pour l'élément de tubing 12, comme illustré sur la figure 3, est sensiblement impossible compte tenu des contraintes spécifiques d'une complétion. En effet, les efforts (pression, traction, flexion) supportés par un élément de tubing sont tels qu'il est impossible d'utiliser autre chose que de l'acier. Aucune matière électriquement isolante n'est fiable dans un tel environnement.

Une solution à ce problème est connue du document de brevet US2002/0036085, pour autant que l'on n'utilise que du courant alternatif dans le circuit électrique : réaliser une réactance inductive telle que le fonctionnement souhaité soit possible, en entourant un morceau du tubing métallique 12 par des éléments en matériau magnétique 20, 21 , comme le montre la figure 4. On conserve ainsi la capacité classique de l'acier à résister aux contraintes d'environnement mécanique, tout en s 'opposant à la circulation du courant alternatif, réduisant ainsi les effets des courts circuits terminaux. Cependant, cette solution connue n'expose qu'un principe général, qui en tant que tel ne permet pas de réaliser un système fonctionnel. En effet, les matériaux magnétiques présentent des caractéristiques pénalisantes dans l'environnement d'une complétion :

• la plupart des matériaux magnétiques disponibles possèdent des points de Curie difficilement compatibles avec la température de l'environnement, le point de Curie étant la température au-delà de laquelle un matériau magnétique perd ses propriétés magnétiques. De plus, si le système considéré est supposé fonctionner avec un niveau de puissance élevée, l'auto échauffement du matériau magnétique en présence de la dite puissance réduira encore la capacité à fonctionner dans l'environnement thermique ;

• il est connu du document de brevet US2002/0036085 (voir la figure 4b de ce document), pour réaliser les éléments en matériau magnétique, d'utiliser des anneaux concentriques et superposés, séparés entre eux par un matériau isolant. Chaque anneau est une feuille d'un matériau ferromagnétique, enroulée sur un seul tour. Il est proposé de superposer environ soixante anneaux concentriques. Une telle structure à anneaux concentriques et superposés est très difficile à mettre en œuvre technologiquement, rendant la solution peu pratique concrètement ;

• il est également connu, pour réaliser les éléments en matériau magnétique, d'utiliser des anneaux 50 empilés selon l'axe longitudinal du tubing 12, et découpés chacun dans une feuille de métal magnétique, comme montré sur la figure 5. Cette technique est cependant coûteuse car chaque feuille de matériau doit être la plus fine possible. En outre, cette solution est très limitée, car les courants de Foucault générés dans le matériau magnétique sont à l'origine d'une résistance de fuite en parallèle avec l'inductance souhaitée, rendant rapidement la solution caduque. Sur la figure 6 apparaît l'inductance « a » recherchée, mise en parallèle avec une résistance de pertes « b », dont l'origine est précisément ces courants de Foucault. Même l'utilisation de feuilles extrêmement fines, de quelques dizaines de microns, ne permet pas de résoudre le problème. Cela crée de très grandes limitations en fréquence de fonctionnement, en puissance utilisable, en température de fonctionnement et en capacité à réaliser un système de petite taille ;

• il est également connu d'utiliser des matériaux ferrite pour réaliser pour réaliser les éléments (anneaux) de matériau magnétique. Les matériaux ferrite ont l'avantage de ne pas présenter de courant de Foucault et de résoudre totalement le problème exposé ci-dessus. Ils présentent cependant des inconvénients majeurs. Premièrement, la réalisation des inductances requises nécessite d'énormes volumes de matériau ferrite, rendant la solution peu pratique concrètement. En effet, la permittivité magnétique des ferrites est assez faible et l'obtention de fortes valeurs d'inductance passe nécessairement par une augmentation du volume de matériau. Deuxièmement, les anneaux nécessaires passent obligatoirement par une réalisation sur mesure, les tailles standard de ces composants n'étant pas du tout compatibles avec les sections de tubing. Une telle réalisation est possible auprès de plusieurs spécialistes, mais est extrêmement coûteuse. En effet, la fabrication de ces anneaux se fait par frittage sous très forte pression et très forte température. Compte tenu de la taille nécessaire à l'équipement d'un tubing, les moyens à mettre en œuvre sont très conséquents. Cela cumulé au fort volume nécessaire de matériau magnétique conduit à une solution financièrement très pénalisante. Troisièmement, ces anneaux de ferrite sont très cassants et très peu tolérants aux chocs et vibrations, ce qui les rend difficilement aptes à travailler dans cet environnement.

En plus des aspects directement liés au choix du matériau pour la mise en œuvre des éléments (anneaux) de matériau magnétique 20, 21 , se pose le problème du passage d'un fil (ou câble) 25 contre l'élément de matériau magnétique 20 situé en partie haute du tubing 12. Les figures 4 et 5 illustrent le problème posé. Dans cet exemple, la ligne de transmission permet à un équipement de surface 29 de transmettre des données et/ou de l'énergie à un équipement de fond 17. Cette ligne de transmission comprend le casing 11 et le tubing 12, et plus précisément une portion du tubing dont les deux extrémités sont entourées par deux éléments en matériau magnétique 20, 21. Dans cet exemple, l'équipement de fond 17 est connecté d'une part au tubing 12 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi extérieure du tubing 12 et une lame métallique (non référencée) portée par la paroi intérieure de l'équipement de fond 17), et d'autre part au casing 11 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi intérieure du casing 11 et une lame métallique 26 portée par la paroi extérieure de l'équipement de fond 17).

L'équipement de surface 29 est connecté par un premier fil 24 à la tête de puits 14 et par un second fil 25 au tubing 12. Il est clair que le second fil 25 ne peut être connecté au tubing 12 qu'au-dessous de l'élément (anneaux) de matériau magnétique 20, ce qui conduit à faire passer le second fil 25 le long de l'élément (anneaux) 20. A ce niveau, plusieurs problèmes se posent :

• le champ magnétique 51 généré par le courant électrique circulant dans le fil 25 va pénétrer le matériau magnétique des anneaux de l'élément 20 par l'extérieur, et de ce fait le fil 25 va se voir affecter d'une inductance en série, s'opposant au passage du dit courant. Ceci est absolument non désiré et néfaste au fonctionnement du système ;

• ce champ magnétique 51 pénétrant le matériau magnétique va générer en son sein un flux, qui dans un dispositif de puissance, peut être très conséquent. Cela induit des pertes par hystérésis importantes, dissipant l'énergie en chaleur indésirable, potentiellement dangereuse pour le système. Ceci constitue une limitation importante du système et ce fil 25 est clairement un élément critique du système.

Une autre contrainte usuelle dans une complétion est de devoir faire circuler une ou plusieurs lignes de transmission d'énergie, hydraulique ou électrique (« power Unes » en anglais). Dans le cas hydraulique, les lignes véhiculent des fluides sous pression, par exemple de l'huile permettant par application d'une forte pression d'ouvrir les vannes de sécurité de la complétion et ainsi de commencer à produire. D'autres fluides sont des additifs chimiques que l'on rajoute à l'effluent pour modifier ses propriétés. Dans tous les cas, ces lignes sont constituées de tube d'acier de diamètre usuellement compris entre 0.5 à 0.25 pouces. Le passage de ces lignes pose un problème puisque si aucune précaution n'est prise, leur structure conductrice court-circuite les éléments (anneaux) de matériau magnétique 20, 21 et empêche le fonctionnement de la ligne de transmission.

3. OBJECTIFS DE L'INVENTION

Dans au moins un de ses modes de réalisation, l'invention vise à pallier ces différents inconvénients de l'art antérieur.

Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique de réalisation d'une ligne de transmission telle que discutée plus haut, permettant de fournir une solution au problème discuté ci-dessus du passage d'un fil (ou câble) le long d'un élément en matériau magnétique, sans dégradation du comportement magnétique ni pénalité pour le signal traversant le dit fil (ou câble).

Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de proposer une ligne de transmission qui peut être montée rapidement et facilement, avec les méthodes et les outils usuels de complétion.

Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une ligne de transmission de ce type dont le coût de fabrication reste limité.

4. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface et au moins un équipement de fond, ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage électriquement conducteur et un tube de production électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant : une portion du tube de cuvelage ou du tube de production ; et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production. Chaque élément en matériau magnétique est entouré d'une enveloppe protectrice et conductrice électriquement, assurant une continuité électrique entre deux points ou éléments de ladite ligne de transmission, situés de part et d'autre de l'élément de matériau magnétique entouré par ladite enveloppe protectrice.

Le principe général de l'invention consiste donc à utiliser une enveloppe assurant deux fonctions : une fonction de protection et une fonction de connexion électrique le long de l'élément en matériau magnétique (anneau(x)). On fournit de cette façon une solution au problème discuté plus haut (et illustré sur les figures 4 et 5) du passage d'un fil (ou câble) le long d'un élément en matériau magnétique, sans dégradation du comportement magnétique ni pénalité pour le signal traversant le dit fil (ou câble). L'utilisation d'une enveloppe protectrice et conductrice (préférentiellement un tube métallique) entourant l'élément en matériau magnétique est particulièrement avantageux pour effectuer cette connexion électrique en lieu et place d'un fil ou câble. En effet, en application de la loi d'ampère, il est connu qu'un cylindre creux parcouru par un courant électrique génère un champ magnétique à l'extérieur de son enveloppe, mais ne génère pas de champ magnétique à l'intérieur. Ainsi, l'enveloppe conductrice (tube conducteur par exemple), parcourue par un courant, ne produira aucun champ magnétique à l'intérieur de l'élément en matériau magnétique. Ainsi, ce courant ne sera pas affecté d'une quelconque inductance liée à l'élément en matériau magnétique, ce qui est extrêmement avantageux. De même, ce courant ne pourra pas induire de flux dans l'élément en matériau magnétique et ainsi provoquer une saturation magnétique, qui serait immédiatement génératrice de pertes thermiques. Cet arrangement particulier, avec une enveloppe protectrice et conductrice, assure donc le passage de courant le long de l'élément en matériau magnétique, sans aucun des inconvénients connus.

Selon une caractéristique particulière, chaque enveloppe protectrice et conductrice est un tube métallique.

Ainsi, l'enveloppe protectrice et conductrice est simple à réaliser et assure parfaitement les deux fonctions souhaitées : protection de l'élément en matériau magnétique (rouleau(x)) contre les agressions mécaniques extérieures, et connexion électrique le long de l'élément en matériau magnétique.

Selon une caractéristique particulière, chaque enveloppe protectrice et conductrice est maintenue en place, autour d'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, par des première et seconde bagues situées de part et d'autre de l'élément de matériau magnétique entouré par ladite enveloppe protectrice et conductrice. La première bague est électriquement isolante et permet de réaliser une isolation électrique entre une première extrémité de ladite enveloppe protectrice et conductrice et une première partie de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production située d'un premier côté dudit élément en matériau magnétique. La seconde bague est électriquement conductrice et permet de réaliser une liaison électrique entre une seconde extrémité de ladite enveloppe protectrice et conductrice et une deuxième partie de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production située d'un second côté dudit élément en matériau magnétique.

Selon une caractéristique particulière, pour l'enveloppe protectrice et conductrice qui entoure l'élément de matériau magnétique entourant lui-même l'extrémité de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production la plus proche de l'équipement de surface, un premier élément conducteur, relié électriquement à l'équipement de surface, est relié électriquement à ladite première extrémité de ladite enveloppe protectrice et conductrice.

Selon une caractéristique particulière, pour l'enveloppe protectrice et conductrice qui entoure l'élément de matériau magnétique entourant lui-même l'extrémité de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production la plus proche dudit au moins un équipement de fond, un second élément conducteur, relié électriquement audit au moins un équipement de fond, est relié électriquement à ladite première extrémité de ladite enveloppe protectrice et conductrice.

Selon une caractéristique particulière, pour chaque enveloppe protectrice et conductrice, les première et seconde bagues maintiennent en place également l'élément de matériau magnétique entouré par ladite enveloppe protectrice et conductrice.

Selon une caractéristique particulière, ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production comprend une pluralité d'éléments de tube successifs depuis un premier élément de tube jusqu'à un dernier élément de tube, chaque élément de tube étant muni à chaque extrémité d'une connexion destinée à coopérer avec une connexion d'un autre élément de tube adjacent. Le premier élément de tube forme l'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'un des deux éléments en matériau magnétique lui-même entouré de l'une des deux enveloppes protectrices et conductrices. Le dernier élément de tube forme l'autre des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'autre des deux éléments en matériau magnétique lui-même entouré de l'autre des deux enveloppes protectrices et conductrices.

Ainsi, pour mettre en œuvre la solution proposée, seuls les premier et dernier éléments de tube (de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production) nécessitent une adaptation par rapport aux éléments de tube standards.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un puits pour l'exploration ou la production gazière et/ou pétrolière et/ou géothermique, ce puits comprenant une ligne de transmission selon l'un quelconque des modes de réalisation ci- dessus.

5. LISTE DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 , déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production ;

la figure 2, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une première technique connue (fonctionnement en courant), avec utilisation d'une bobine d'injection et une bobine de fond ;

la figure 3, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une deuxième technique connue (fonctionnement en tension), avec utilisation de matières isolantes entourant les extrémités du tubing ;

la figure 4, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une troisième technique connue (fonctionnement en tension), avec utilisation d'éléments de matériau magnétique entourant les extrémités du tubing ;

la figure 5, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, montre une réalisation connue des éléments de matériau magnétique apparaissant sur la figure 4, ainsi que le passage de câble nécessaire et le champ magnétique généré par ce câble ;

la figure 6, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, montre le schéma électrique équivalent d'un élément (anneau) de matériau magnétique soumis à des courants de Foucault ;

la figure 7 représente un puits en production comprenant une ligne de transmission (fonctionnement en tension) selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;

la figure 8 montrant le principe de réalisation d'un rouleau de matériau magnétique (anneau élémentaire) selon l'invention, à partir d'un ruban (feuille) de métal ;

la figure 9 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté, selon un mode de réalisation particulier de l'invention (cette vue partielle montre un élément en matériau magnétique maintenu par des bagues) ;

la figure 10 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté, selon un mode de réalisation particulier de l'invention (par rapport à la vue partielle de la figure 9, cette vue complète montre en outre un tube métallique de protection et connexion électrique, un fil connecté à ce tube, et enfin des lignes de transmission d'énergie) ;

la figure 11 illustre plus précisément un exemple de réalisation du passage des lignes de transmission d'énergie, entre la paroi interne d'un élément de matériau magnétique de forme ovoïdale et la paroi externe d'un tube de production de forme circulaire.

6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.

La figure 7 représente un puits en production comprenant une ligne de transmission (fonctionnement en tension) selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

Le contexte est celui décrit plus haut avec la figure 4. On cherche à réaliser une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps (par exemple un courant alternatif) entre un équipement de surface 29 et au moins un équipement de fond 17. Cette ligne de transmission est mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage (casing) 11 électriquement conducteur et un tube de production (tubing) 12 électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage. Une portion de la ligne de transmission comprend une portion du tubing 12 et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de cette portion du tubing 12. Dans une variante, une portion de la ligne de transmission comprend une portion du casing 11 et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de cette portion du casing 11.

Dans le mode de réalisation de la figure 7, les différences avec la solution connue de la figure 4 portent sur :

• les éléments de matériau magnétiques 70, 71 , qui ne sont pas de même nature, comme détaillé par la suite ;

• la manière de connecter l'équipement de surface 29 avec le tubing 12 (fil 75 et tube conducteur 72) ;

• dans une variante, la manière de connecter l'équipement de fond 17 avec le tubing 12 (fil 74 et tube conducteur 73).

On présente maintenant en détail ces différences, dans le cas où les éléments en matériau magnétique entourent chacun une des extrémités d'une portion du tubing 12. Il est clair que cet enseignement peut aisément être transposé par l'homme du métier à la variante dans laquelle les éléments en matériau magnétique entourent chacun une des extrémités d'une portion du casing 11.

Tout d'abord, chacun des éléments de matériau magnétiques 70, 71 comprend au moins un rouleau de matériau magnétique composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours. Il n'y a pas de matériau électriquement isolant entre deux tours de la feuille de matériau magnétique. Chaque rouleau possède une cavité centrale dans laquelle passe une des extrémités de la portion précitée du tubing 12. En d'autres termes, le principe général consiste à réaliser chaque élément en matériau magnétique 70, 71 , sous la forme d'un rouleau, ou de plusieurs rouleaux adjacents. Sur la figure 7, on a référencé 76 un élément de tubing adapté, placé en partie haute du puits 1 , et 77 un élément de tubing adapté, placé en partie basse du puits 1. En pratique ces deux éléments de tubing adaptés 76, 77 peuvent être identiques. Un mode de réalisation particulier de ces éléments de tubing adapté est présenté ci-après en détail, en relation avec les figures 9 et 10.

Comme illustré sur la figure 8, chaque rouleau 81 est réalisé à partir d'un ruban (feuille) de matériau magnétique 80 aux propriétés magnétiques adaptées. Il s'agit par exemple d'une feuille de métal magnétique, et plus particulièrement une feuille d'acier magnétique nanocristallin. Partant de ce ruban, le rouleau 81 est constitué par enroulage, en continu et selon au moins deux tours, sur un mandrin de taille convenable. Cet enroulement est effectué jusqu'à obtenir l'épaisseur requise du rouleau. La cavité centrale 83 du rouleau est fonction de la forme du mandrin. Si le mandrin est de forme circulaire, le rouleau est un anneau. La première spire est immobilisée par tout moyen jugé adéquat comme le collage ou la soudure 82. De même pour la dernière spire.

Sur un plan de la réalisation pratique, une telle constitution sous forme de rouleau(x) 81 est très favorable, l'industrie produisant couramment des feuilles de métal magnétique de quelques dizaines de microns d'épaisseur, sous forme de bandes de grande longueur. Cette matière de base étant usuelle et d'un prix industriel, la réalisation des rouleaux reste une opération simple et peu coûteuse. Classiquement, l'industrie propose de telles bandes en largeur de 1 pouce, ce qui est tout à fait adapté au besoin.

La réalisation sous forme de rouleau(x) 81 permet une grande souplesse dans la constitution des éléments en matériau magnétique 70, 71. En effet, il est facile de leur donner l'épaisseur requise en adaptant le nombre de tours des rouleaux. Il est également facile de réaliser un rouleau de toute sorte de forme, en choisissant convenablement le mandrin autour duquel l'enroulement doit être réalisé. Des formes non circulaires sont tout à fait compatibles avec les machines d'enroulement existantes. Tout particulièrement, et de manière non limitative, il est possible de réaliser des rouleaux dont la cavité centrale possède une forme ovoïdale, dont l'utilisation est expliquée plus loin (pour le passage de lignes de transmission d'énergie).

Un autre avantage de la réalisation sous forme de rouleau(x) 81 est qu'elle permet d'utiliser des matériaux qui n'existent que sous forme de bande laminée, et de ne plus être limité à des matériaux massifs. Tout particulièrement, l'utilisation d'aciers nanocristallins est particulièrement favorable par les fortes permittivités qu'ils présentent, ainsi que par leurs faibles pertes par courant de Foucault. Des mesures précises montrent que ces matériaux, mis en œuvre sous forme de rouleau(x), sont aptes à travailler sans pertes gênantes jusqu'à plusieurs centaines de kHz. De plus, les très fortes perméabilités magnétiques disponibles permettent des réalisations pratiques compactes dans le contexte d'une complétion d'hydrocarbures.

Il est également intéressant de protéger les rouleaux de matériau magnétique 81 par tout type d'enrobage destiné à accroître leur robustesse mécanique, à les isoler électriquement entre eux et avec le tubing 90, ainsi que de tout autre élément de leur environnement. Classiquement cet enrobage peut par exemple être réalisé à partir de vernis, de revêtements époxy, ou d'élastomères de tous types. Nous obtenons ainsi des rouleaux 81 aux propriétés magnétiques requises avec la robustesse mécanique indispensable à la survie à l'environnement. De plus, diverses formes dans les revêtements peuvent être réalisées, facilitant la réalisation de l'objet complet.

La figure 9 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté 76 (cf. figure 7), selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Il comprend un élément de tubing standard 90 entouré d'un élément en matériau magnétique 70.

L'élément de tubing standard 90 répond aux sections standards et normalisées dans l'industrie. Chaque extrémité est munie des connexions 91 , 92 standardisées dans les métiers de la production pétrolière et gazière, comme des connexions API, VAMTOP ou autres. Ainsi, l'élément de tubing adapté 76 pourra être inséré et faire partie du tubing 12 de la complétion, comme tout autre élément de tubing de cette complétion, sans créer de contraintes particulières d'installation.

Les rouleaux 81 sont par exemple enfilés, par leur cavité centrale 83, à partir d'une extrémité de l'élément de tubing standard 90. Le nombre de rouleaux est déterminé par la valeur de l'inductance à réaliser, ainsi que par les caractéristiques du matériau magnétique utilisé. Classiquement, quelques dizaines de centimètres à quelques mètres sont des valeurs pratiquement utilisables.

Dans l'exemple purement illustratif de la figure 9, l'élément en matériau magnétique 70 comprend cinq rouleaux de matériau magnétique 81. En pratique, le nombre rouleaux 81 dépend de la largeur 1 des rubans 80 dans lesquels ils sont réalisés, ainsi que de la longueur L souhaitée pour l'élément en matériau magnétique 70.

Les rouleaux 81 peuvent être circulaires et être placés concentriquement autour de l'élément de tubing standard 90.

Il est également possible de faire passer, dans un espace de la cavité centrale des rouleaux 81 non occupé par l'élément de tubing standard 90, une ou plusieurs lignes de transmission d'énergie hydraulique ou électrique (power lines) 98, ou autres liaisons ayant à traverser. Ainsi, l'élément en matériau magnétique 70 englobe les lignes de transmission d'énergie pour permettre de neutraliser l'effet de court-circuit qu'elles provoquent. Les lignes de transmission d'énergie (« power lines ») entourées par l'élément en matériau magnétique constituent une inductance suffisamment élevée pour ne pas perturber la ligne de transmission.

Dans une implémentation particulière, les rouleaux 81 possèdent une cavité centrale 83 circulaire, et sont montés de manière décentrée autour de l'élément de tubing standard 90. En d'autres termes, on utilise des rouleaux magnétiques de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de l'élément de tubing standard 90, et on les décentre au montage. Le décentrage libère un espace de la cavité centrale des rouleaux 81 pour le passage des lignes de transmission d'énergie.

Dans une autre implémentation particulière, illustrée sur la figure 11, la cavité centrale 83 des rouleaux 81 possède une forme ovoïdale. L'élément de tubing standard 90 possède une section externe de forme circulaire. Les lignes de transmission d'énergie 98 passent dans l'espace restant entre la forme ovoïdale et la forme circulaire.

D'autres implémentations (arrangements mécaniques) sont possibles pour autant que les lignes de transmission d'énergie soient contenues dans la cavité centrale 83 des rouleaux magnétiques 81.

Comme illustré sur la figure 9, l'assemblage de rouleaux magnétiques 81 (formant l'élément en matériau magnétique 70) est maintenu par les bagues 94, 95 (ou tout autre moyen connu).

La première bague 94, placée sur la partie basse de l'élément de tubing standard 90, est réalisée en métal de manière à assurer une continuité électrique avec l'élément de tubing standard 90. Pour assurer la qualité de ce contact électrique, tout type de solution peut être adoptée, comme le serrage des pièces entre elles et le choix de métaux adaptés. De plus, cette première bague 94 doit être apte à supporter le poids des tous les rouleaux 81 situés au-dessus d'elle. Ainsi, la constitution en acier est-elle un élément extrêmement intéressant, par la résistance prouvée à ce type d'effort. Il est avantageux, bien que non indispensable d'utiliser le même type d'acier que celui constituant l'élément de tubing standard 90.

La seconde bague 95, placée sur la partie supérieure de l'élément de tubing standard 90, assure le maintien de l'autre extrémité de l'assemblage de rouleaux 81. Cette seconde bague 95 est réalisée dans une matière apte à supporter les efforts et l'environnement, mais également apte à assurer une isolation électrique de qualité. Etant placée sur la partie supérieure, cette seconde bague 95 ne subit pas d'effort mécanique important dans la complétion. Sa constitution en matière isolante n'est donc pas pénalisante sur un plan mécanique. Divers types de matériaux sont utilisables, mais le plus avantageux est d'utiliser des matières plastiques usinées, comme du PEEK par exemple.

Placé entre les bagues 94 et 95, et maintenues par celles-ci, se trouve une enveloppe protectrice et conductrice électriquement (préférentiellement un tube métallique cylindrique) 72 (73 pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse, sur la figure 7) englobant l'ensemble des rouleaux magnétiques 81. Sur la figure 10, ce tube 72 est partiellement omis afin que l'élément de matériau magnétique 70 soit visible. Ce tube 72 assure plusieurs fonctions.

La première est la fonction de protection des rouleaux magnétiques 81 contre les agressions mécaniques extérieures. Ainsi, ce tube 72 est par exemple constitué d'un épais métal apte à supporter durablement ces agressions. A titre d'exemple, il pourrait être fait dans le même acier que le tubing et avoir une épaisseur de 10 millimètres. En outre, le tube 72 contribue à la rigidité mécanique et à la robustesse globale de l'ensemble par les fixations au niveau des bagues 94 et 95. Ainsi constitué, l'assemblage est compact et robuste aux agressions extérieures.

La seconde fonction est de conduire l'électricité de la bague conductrice 94 jusqu'à la bague isolante 95. En d'autres termes, il assure une continuité électrique entre deux points ou éléments de la ligne de transmission, situés de part et d'autre de l'élément en matériau magnétique 70. Pour ce faire, le tube 72 est constitué de matière conductrice adaptée au courant à faire circuler. Pratiquement, la plupart des aciers sont aptes à assurer cette fonction.

L'utilisation d'un tube métallique 72 entourant l'élément magnétique 70 est particulièrement avantageux pour effectuer une connexion électrique en lieu et place d'un câble (cf. 4 et 5 décrivant l'art antérieur, avec le passage d'un fil 25 le long de l'élément en matériau magnétique). En effet, en application de la loi d'ampère, il est connu qu'un cylindre creux parcouru par un courant électrique génère un champ magnétique à l'extérieur de son enveloppe, mais ne génère pas de champ magnétique à l'intérieur. Ainsi, le tube conducteur 72, parcouru par un courant ne produira aucun champ magnétique à l'intérieur de l'élément en matériau magnétique 70. Ainsi, ce courant ne sera pas affecté d'une quelconque inductance liée aux rouleaux magnétiques 81 , ce qui est extrêmement avantageux. De même, ce courant ne pourra pas induire de flux dans les rouleaux magnétiques 81 et ainsi provoquer une saturation magnétique, qui serait immédiatement génératrice de pertes thermiques. Cet arrangement particulier assure donc le passage de courant le long de la fonction magnétique sans aucun des inconvénients connus.

Pour l'élément de tubing adapté 76 en partie haute, un élément conducteur (par exemple un fil ou un câble) 75 possède une extrémité reliée électriquement à l'extrémité du tube conducteur 72 située du côté de la bague isolante 95. Cet élément conducteur 75 possède une autre extrémité reliée électriquement à l'équipement de surface 29. Pour des raisons de robustesse, et pour éviter tout arrachage intempestif au cours de la mise en place ou durant la vie du produit, l'élément conducteur 75 est placé, au sein de l'élément de tubing adapté 76, contre la paroi extérieure de la partie de l'élément de tubing standard 90 non entourée par l'élément en matériau magnétique 70.

Pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse (cf. pointillés sur la figure 7), un élément conducteur (par exemple un fil ou un câble) 74 possède une extrémité reliée électriquement à l'extrémité du tube conducteur 73 située du côté de la bague isolante 95. Cet élément conducteur 74 possède une autre extrémité reliée électriquement à l'équipement de fond 17. Pour des raisons de robustesse, et pour éviter tout arrachage intempestif au cours de la mise en place ou durant la vie du produit, l'élément conducteur 74 est placé, au sein de l'élément de tubing adapté 77, contre la paroi extérieure de la partie de l'élément de tubing standard 90 non entourée par l'élément en matériau magnétique 71.

Dans une variante, pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse, le fil ou câble 74 est absent (ou bien présent mais non connecté) et le tube métallique 73 entourant l'élément magnétique 71 n'est pas utilisé pour la seconde fonction (conduire l'électricité). Dans cette variante, l'équipement de fond 17 est connecté d'une part au tubing 12 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi extérieure du tubing 12 et une lame métallique (non référencée) portée par la paroi intérieure de l'équipement de fond 17), et d'autre part au casing 11 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi intérieure du casing 11 et une lame métallique 26 portée par la paroi extérieure de l'équipement de fond 17).

Il est clair que de nombreux autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés.

Par exemple, bien qu'illustrée et discutée ci-dessus avec des tubes de section circulaire, la technique proposée s'applique également à des tiges incluses l'une dans l'autre, quelle que soit la section de chacune des tiges.

De même, bien qu'illustrée et discutée ci-dessus avec des éléments de matériau magnétique 70, 71 entourant un élément de tubing standard 90, la technique proposée s'applique également avec des éléments de matériau magnétique entourant un élément de casing standard. Notamment, la technique proposée s'applique aux différents cas, décrits dans le document de brevet US2002/0036085, d'utilisation d'éléments de matériau magnétiques dans une ligne de transmission au sein d'une canalisation.

Dans une variante de réalisation, la technique consistant à utiliser une enveloppe protectrice et conductrice électriquement (préférentiellement un tube métallique cylindrique) 72, 73 n'est pas combinée avec la technique consistant à utiliser des éléments en matériau magnétique 70, 71 réalisés sous forme de rouleau(x) 81. Dans cette variante, non optimale, on utilise par exemple des éléments en matériau magnétique tels que décrits dans le document de brevet US2002/0036085 (malgré les problèmes exposés plus haut).