Brevet FR2096920A1 — publié le 19720303

' J0,6,r° La présente invention se rapporte à, un dispositif à commande hydraulique autonome servant à transmettre à la surface des signaux représentatifs de mesures effectuées au fond d'un puits. 5 Lors du forage d'un puits , il est fort utile de con naître de nombreux paramètres tels que la rësistivitë des couches traversées, la dureté de la roche , l'usure ou la déviation de l'outil, le couple et le poids appliqués à .l'outil, sa vitesse de rotation etc ..., sans arrêter les opérations. Ces informations 10 peuvent servir à la connaissance et à l'ajustement des conditions de forage. Ainsi la demanderesse a décrit dans les brevets français N° 1 587 350 et 1 590 327 des procédés servant à l'automatisation du forage grâce à l'utilisation mesurée des données recueillies au cours du forage par des capteurs qui transforment la 15 grandeur physique mesurée en une grandeur électrique. La transmission de ces informations du fond du puits à la surface présente des difficultés. L'utilisation des cables é-lectriques destinés à transmettre les signaux électriques résultant de la transformation des données recueillies par les capteurs 20 ou inclinomêtre est incompatible avec le forage rotary en raison de la difficulté considérable de la mise en oeuvre d'un cable continu dans une colonne de forage tronçonnable et de la gêne apportée dans les manoeuvres nécessaires pour remplacer les outils usés. Au contraire le courant de fluide de forage habituel-25 lement refoulé sous pression à l'intérieur des tiges supportant l'outil peut constituer uh milieu fluide apte à la transmission des informations au moyen de variations de pression crées au fond du puits , sans aucune perturbation pour la conduite ordinaire du forage. 30 Les chercheurs se sont appliqués jusqu'à nos jours à créer des dispositifs plus ou moins complexes destinés à produire dans le fluide de forage des trains d'impulsions hydrauliques représentatifs d'une mesure de grandeur physique effectuée au fond du puits pendant le forage. Une caractéristique commune à toutes 35 ces inventions est le manque de puissance de l'émetteur de fond qui a généralement rendu difficile la détection en surface des signaux au milieu du bruit de fond des pompes et a empêché la plupart d'entre elles de connaître un développement commercial. Le but de la présente invention est d'apporter une 40 solution à l'inconvénient signalé grâce à une utilisation appro- 70 2611:3 2 2096920 priée de la puissance élevée disponible dans le fluide hydraulique Elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif de commande hydraulique autonome servant à transmettre à la surface des signaux représentatifs de mesures effectuées au fond du puits sous 5 la forme d'impulsions de pressions créés par des restrictions périodiques de passage du fluide de forage comprenant un organe de commandes des restrictions périodiques du passage du fluide de forage actionné par les impulsions électriques liées aux signaux de mesure, un circuit de fluide hydraulique servant à actionner par 10 l'intermédiaire dudit organe de commande un vérin hydraulique à double effet lié mécaniquement à des moyens de restriction périodique du passage de fluide de forage, une turbine entraînée par le fluide de forage et une pompe de pression de fluide hydraulique calés sur le même arbre , caractérisé en ce que ladite pompe est 15 placée dans un circuit du fluide hydraulique comportant les conduites de refoulement du fluide sur l'un ou l'autre côté d',un vérin hydraulique à double effet auquel est relié mécaniquement un organe de restriction du passage du fluide de forage. L'invention est plus particulièrement caractérisée 20 par le circuit de fluide hydraulique comprenant ladite pompe refoulant du fluide sous pression par l'intermédiaire d'un organe de commande tel que distributeur à tiroir ou ëlectrovanne sur X'un ou l'autre des deux côtés du piston d'un vérin hydraulique à double effet relié mécaniquement à un organe de restriction du passage 25 du fluide de forage. Les avantages de l'invention résident ainsi d'une part dans l'association d'une turbine axiale de même type que les turbines de forage et d'une pompe de. pression de fluide hydraulique et d'autre part dans l'agencement particulier du circuit de 30 fluide hydraulique. . En effet, la turbine de forage fournit une grande puissance mécanique à partir du fluide de forage et sous un faible volume compatible avec le matériel généralement utilisé dans les puits de forage. Une pompe de prçssion pour huile hydraulique 35 est un puissant générateur hydraulique de faible poids et de volume restreint parfaitement adapté aux exigences du matériel de forage , également utilisé en construction aéronautique dans des conditions d'environnement défavorables. L'énergie transmise par une telle pompe sera utilisée pour la commande de l'organe de restric-40 tion dans des conditions de fonctionnement particulièrement sûres. â 70 26'. 13 3 2C96920 et avec un rendement élevé en association avec un vérin à double effet. L'application du vérin à double effet rend le fonctionnement de l'organe de restriction plus sûr que celui des rëali-5 sations précédentes, car l'énergie nécessaire pour son actionnemert provenant entièrement de la pompe de pression de fluide hydraulique son fonctionnement est pratiquement indépendant des contraintes imposées lors de l'utilisation directe dans le circuit de commande du fluide hydraulique de l'énergie de la boue, notamment dues à la 10 variation de sa pression et de sa composition. L'agencement du circuit de fluide hydraulique actionnant le vérin à double effet permet notamment de refouler le fluide sous pression, selon la position de l'organe de commande tel que électrovanne, soit du côté montant, soit du côté descen-15 dant du vérin commandant les moyens de restriction du passage du fluide de forage. Selon un mode de réalisation préféré à la pompe de pression est relié en dérivation un accumulateur de fluide hydraulique sous pression constitué d'un ou plusieurs pistons logés 20 dans des cylindres et recevant sur une face le fluide refoulé par la pompe, l'autre face étant en communication avec l'aspiration de la pompe et simultanément repoussée par un ou plusieurs ressorts précontraints. Un tel mode de réalisation peut comporter un limi-25 teur de pression de fluide constitué par un pointeau fermant une ouverture reliant le refoulement à l'aspiration de la pompe soumis à la pression de refoulèment de la pompe et sollicité en sens contraire par la poussée d'un ressort à tarage réglable , ledit limiteur permettant en cas de trop forte pression le passage di-30 rect de l'huile du côté refoulement de la pompe à son côté aspiration. La pression de l'aspiration dé la pompe peut être transmise à une paroi mobile par exemple sous forme d'un piston compensateur dont l'autre face est soumise à la pression du flui-35 de de forage afin de permettre la dilatation de l'huile et de compenser la variation apparente du volume total due au déplacement de la tige du vérin actionnant l'organe de restriction de passage. Le dispositif selon l'invention sera illustré à l'aide du mode représenté sur les figures, donné à titre d'exem-40 pie de réalisation sans limiter la portée de l'invention. 70 26213 4 2C9t920 La figure 1 représente une masse tige spéciale contenant la centrale hydraulique de fond avec la turbine fournissant l'énergie. Une telle masse tige possède des filetages extrêmes conformes à la norme API et peut être assemblée sans difficultés en un 5 point quelconque du train de sonde , de préférence immédiateitient au voisinage de l'outil de forage. La figure 2 représente les circuits hydrauliques de puissance nécessaires pour la manoeuvre des organes tels que soupapes, vannes, clapets ou pointeaux produisant une restriction 10 de la circulation de boue de forage. La masse-tige spéciale contenant la centrale hydraulique de fond représentée à la figure 1 comprend des extrémités 2 avec filetages normalisés pour l'assemblage dans le train de sonde , un alésage surdimensionné compatible avec lesdits fileta-15 ges et destiné à recevoir les équipements intérieurs et un épau-lement 11 pour l'appui desdits équipements. Les équipements intérieurs sont contenus dans un tube étanche 3 reliant la turbine 4 à l'organe de restriction ou vanne 5. L'espace annulaire laissé libre entre l'alésage de la 20 masse tige 1 et le tube étanche 3 permet le passage du fluide de forage depuis la vanne 5 vers la turbine 4. Les aubages fixes 7 et mobiles 8 de la turbine 4 du type conventionnel sont serrés respectivement par les écrous 9 et 10 dans le corps de turbine 4 sur l'arbre 6 qui présente un 25 épaulement adéquat. Le fluide de forage pénètre dans les aubages fixes par une série de lumières situées à la partie supérieure du corps 4 et sort axialement à la partie inférieure de la turbine pour assurer l'irrigation de l'outil de forage d'une façon convention-30 nelle. L'arbre 6 de la turbine calé au moyen de la butée 13 entraîne directement l'arbre 24 de la pompe de fluide de commande située à la partie inférieure du circuit hydraulique à travers un passage étanche 12 , et entraîne aussi dans certains cas 35 des moyens autonomes de fourniture d'énergie électrique par exemple un petit alternateur 14 . La partie médiane du tube 3 décrite en détail sur la figure 2 contient la centrale hydraulique de fond dont émerge la tige de commande 57 du pointeau 16 coopérant avec le siège 15 40 à la production des restrictions de passage de la colonne de boue. â 70 26213 5 2C960".0 L'invention ne se borne pas à l'utilisation d'un pointeau 16 coopérant avec un siège 15 car la manoeuvre hydraulique de la tige de vérin 57 permet d'actionner d'autres types de restrictions comme les vannes à boisseau ou les vannes équilibrées à sièges multi-5 pies. La figure 2 représente un mode de réalisation du dispositif hydraulique de puissance destiné à actionner la vanne de restriction. Le fonctionnement de ce dispositif apparaît clairement à l'examen de la figure 2 dans laquelle le tube étanche 3 10 renferme tous les éléments hydrauliques serrés entre un épaulement supérieur 65 et l'extrémité supérieure 61 du corps de turbine 4 vissé par ailleurs dans le tube 3. De bas en haut on trouve la pompe hydraulique 25, le corps de limiteur 30 renfermant la paroi mobile 31 , le corps d'accumulateur 41 , l'embase 53 du distributeur 15 à tiroir ou électrovanne représentés schêmatiquement en 50, le couvercle 54 et le vérin 55. Tous ces éléments ont une forme cylindrique qui s'adapte parfaitement à l'intérieur du tube 3 et possèdent sur leurs faces planes extrêmes des orifices de communication munis de dispositifs d'étanchéité tels que les joints toriques 20 63. Cette configuration permet la réalisation d'ensembles cylindriques monoblocs résistant parfaitement aux chocs et vibrations du forage et de diamètre restreint compatible avec des équipements de fonds habituels. Afin de réduire les forces dues aux vibrations ces éléments seront de préférence réalisés en alliages légers à ba-25 se d'aluminium , qui offre l'avantage d'une masse réduite et d'un bon coefficient de transfert de chaleur. L'usinage des logements de pièces diverses et le perçage des tuyauteries sont réalisés dans la masse des éléments, les orifices extérieurs des canalisations utilisés pour l'usinage étant ensuite obturés à l'aide des 30 bouchons 33 si le circuit hydraulique le nécessite. La pompe 25 est du type à engrenages 28 , supportés par les roulements 27 et avec dispositif d'étanchéité 26 de l'arbre 24 , mais naturellement l'invention ne se borne pas à l'utilisation de ce seul type de pompe.Ladite pompe aspire le fluide de 35 commande, par exemple l'huile dans la réserve 34 du corps de limiteur 30 directement reliée à la réserve 47 du corps d'accumulateur 41 par le conduit 64.La réserve 34 possède une paroi mobile sous forme d'un piston compensateur 31 dont l'autre face est en communication avec la pression du fluide de forage par l'orifice 35. 40 Le but de cette paroi mobile est de permettre la dilatation de 70 26">13 6 2C9;-9".0 l'huile ou autre fluide de commande et de compenser la diminution apparente de volume total due à la sortie de tige 57 du vérin. Immédiatement au-dessus de la réserve 34 se trouve le limiteur de pression réglable. La pompe 25 refouie le fluide 5 sous pression dans le conduit 32 et dans le siège 36 fermé par le pointeau 37 dudit limiteur. Lorsque la pression atteint une valeur prédéterminée la force de pression sur le pointeau 37 équilibre la force du ressort 38 bandé par la vis 39. Le pointeau tend alors à s'ouvrir pour permettre à une partie de ce fluide sous 10 pression de revenir au réservoir 34 . Une augmentation de débit de la pompe 25 due par exemple à une augmentation de la vitesse de turbine n'a pas pour conséquence une augmentation de pression grâce â cette dérivation du débit par le limiteur. Le fluide sous pression refoulé dans le conduit 15 32 traverse ensuite le filtre 40 destiné à retenir les impuretés qui pourraient nuire au fonctionnement du distributeur 50. Le fluide filtré est dirigé dans une réserve sous pression 48 par le conduit 44. Cette réserve sous pression est contenue dans l'accumulateur réalisé sous forme d'un bloc cy-' 2o lindre et se trouve au contact d'un ou plusieurs pistons 42 coulissant dans un bloc-cylindre 41 et soumis sur une face à la pression de refoulement de la pompe et sur l'autre face à la pression d'aspiration de ladite pompe augmentée de la force d'un ou plusieurs puissants ressorts 43 préalablement précontraints. La partie su-25 pêrieure de la réserve 48 est fermée par un bouchon étanche 45.La construction du bloc accumulateur est de même type que celle du bloc limiteur. En particulier les canaux 44 de fluide sous pression et 46 de retour de fluide ainsi que les cylindres et les canaux annexes sont usinés directement dans une masse métallique qui 30 peut être un alliage léger. d'aluminium. Au dessus de l'accumulateur sous pression se trouve une embase 53 sur laquelle est fixée l'organe de distribution représenté schématiquement en 50, qui peut être , soit un distri -buteur à tiroir , soit une électrovanne. 35 Le vérin de commande de l'organe de restriction est constitué d'un cylindre 55 et d'un piston 56 actionnant une tige 57. Le déplacement du piston 56 peut se faire indifféremment de bas en haut ou de haut en bas suivant que la pression du fluide est amenée au-dessous ou au-dessus du piston. Les conduits 51 et 52 40 relient les deux faces du piston au distributeur pour assurer 70 26213 7 209f910 cette fonction. Le distributeur est un organe commandé par un signal électrique pouvant agir sur deux bobines distinctes.Lorsque l'une des bobines est excitée,il réalise la communication entre le 5 fluide sous pression et une face du piston de vérin d'une part et entre le fluide aspiré par la pompe et l'autre face du piston d'autre part. Si l'on excite l'autre bobine les communications sont inversées et le piston peut se mouvoir dans l'autre sens. Si aucune bobine n'est excitée il n'y a pas de communication et le 10 piston ne peut se mouvoir. Le refoulement de la pompe 25 entraînée en continu par la turbine actionnée par le fluide de forage maintient la réserve 48 remplie de fluide de commande sous pression , qui en cas du dépassement du seuil de pression circule en dérivation grâce au 15 limiteur de pression 37 , dont le ressort à tarage réglé permet de fixer le seuil de pression. Les données par exemple relatives à la dureté de roche , recueillies à l'aide de capteurs non représentés situés à proximité de l'outil de forage, sont transformés en signaux élec-20 triques représentatifs de la grandeur mesurée. Ces signaux sont traités ou codés dans des circuits électroniques contenus dans les coffrets étanches 22 et alimentés en énergie électrique par des moyens autonomes de faibles puissance tels qu'un petit alternateur 14 entraîné également par 25 la turbine 4 . A l'issue de ce traitement ou codage on dispose d'impulsions électriques de faible puissance aptes à 1'actionnement de l'organe de commande du fluide hydraulique. Pour créer une impulsion hydraulique sous forme d'augmentation momentanée de la pression du fluide de forage les circuits contenus dans les cof-30 frets 22 délivrent une impulsion électrique de courte durée appliquée à la bobine de distributeur 50 commandant le déplacement du vérin vers la position provoquant une forte restriction suivie au bout d'un moment d'une deuxième impulsion électrique de courte durée appliquée à 1'autre bobine de distributeur 50 commandant le 35 retour du vérin à la position ne provoquant pas de restriction. Ces impulsions électriques codées ou non , sont transmises à l'aide de fils 58 traversant le bloc-cylindre 55 à l'organe de commande du fluide hydraulique par exemple aux bobines du distributeur 50. Le distributeur ouvre successivement l'accès du fluide à l'une et à 40 l'autre face du piston 56 du vérin 55. Le mouvement du piston com- », 70 26T.3 9 209:9^0 REVENDICATIONS I. Dispositif à commande hydraulique autonome servant à transmettre à la surface des signaux représentatifs des mesures effectuées au fond du puits sous la forme d'impulsions de pression 5 crées par des restrictions périodiques de passage du fluide de forage comprenant un organe de commande des restrictions périodiques du passage du.fluide dë foragè actionné par les impulsions électriques liées aux signaux de mesure un circuit de fluide hydraulique servant à actionner par l'intermédiaire 10 dudit organe de commande des moyens de restriction périodi que du passage du fluide de forage, une turbine entraînée par le fluide de forage et une pompe de pression de fluide hyraulique calés sur le même arbre, caractérisé en ce que la dite pompe est placée dans un circuit de fluide hydraulique 15 comportant les conduites de refoulement du fluide sur l'un ou l'autre côté d'un vérin hydraulique à double effet auquel est relié mécaniquement un organe de restriction du passage du fluide de forage. II. Dispositif à commande hydraulique selon la revendication I 20 caractérisé en ce que à la pompe de pression est relié en dérivation un accumulateur de fluide hydraulique sous pression constitué d'un ou plusieurs cylindres à l'intérieur desquels est logé un piston recevant sur une face le fluide refoulé par la pompe, l'autre face étant en communication avec 25 l'aspiration de la pompe et simultanément repoussée par un ou plusieurs ressorts précontraints. III.Dispositif selon la revendication I, caractérisé par un limiteur de pression de fluide constitué par un pointeau fermant une ouverture reliant le refoulement à l'aspiration de la 30 pompe, soumis à la pression de refoulement de la pompe et sol licité en sens contraire par la poussée d'un ressort à tarage réglable. IV. Dispositif selon la revendication II^caractérisé en ce que la pression de l'aspiration de la pompe de fluide hydraulique 35 est transmise à une paroi mobile dont l'autre face est soumise à la pression du fluide de forage. V. Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que l'organe de restriction de passage est un pointeau coopérant avec son siège et qui est solidaire du piston à double effet 40 du vérin.