Brevet FR2137176A1 — publié le 19721229

17S79 1 2137176 La présente invention concerne un capteur ou transducteur pour fournir des signaux représentatifs de la vitesse de rotation d-:?i turbines souvent emploi éei> coircie moteurs de fond dans lo creu-serient des puits profonde. Généralement lorsque les terrains sont ^ compacts et liomogënes il est coirunodc d'utiliser pour le forage des outils diaraantés dont le durée utile bie.i supérieure à celle des putils à molettes permet d'trcoucraiser le temps des manoeuvres de changeaient d'outil souvent fort long aux grandes profondeurs. Un moyen commode d'entraîner en rotation les outils diaraantés est 10 l'utilisation du moteur de fond électrique ou hydraulique qui permet les vitesses plus élevées requises par ce type d'outil avec un 'rendement très amélioré par la suppression du frottement le long deu parois du puits inhérent au procédé habituel d'entraînement direct par les tiges. 15 Le moteur hydraulique ou turbine de forage est le pins souvent cicployé parce qu'il est entièrement compatible avec le matériel normal des chantiers de forage principalement les pompes et les tiges et ne nécessite pas l'adjonction de conducteurs électriques difficile à r?ainteair en bon état d'irfclernent. Dans ce type 20 de moteur la turbine avec ses aubages mobiles étant solidaire de l'outil, la boue ou liquide de forage est refoulée scsii.; pression â l'intérieur des tiges supportant la turbine et l'outil et entraîne en rotation les aubages mobiles avant de sortir au fond du puits par des lumières de l'outil. La boue entraînant les déblais riisul-25 tant du travail de creusement de l'outil est ensuite normalement remontée en circulant de bas en haut dans l'espace laissé librs entre les parois du puits nouvellement creusé et les tiges supportant la turbine et l'outil. Des tiges plus épaisses appelées fiasse-tiges sont souvent disposées entre la turbine et les tiges afin de 2Q permettre à ces dernières de rester toujours tendues en donnant cependant la possibilité d'appliquer à l'outil un poids nécessaire pour obtenir une vitesse de creusement acceptable. Un important inconvénient de l'utilisation des moteurs de fond est la difficulté de connaître la vit.-^sfse de rotation de l'ar-35 bre noteur. Le forage devient une opération difficile car de nombreux facteurs peuvent modifier la vitesse d~ 15outil, citons les variations de dureté du terrain foré, les fluctuations de débit des pompes à boue par exemple. Sans la connaissance de la vitesse ds rotation de l'outil, 40 il est impossible de savoir si une baisse de vitesse de creusement COPY * 71 17579 2 2137176 de ce dernier est due à une modification locale des caractéristiques du terrain foré ou à une diminution de vitesse de rotation de la turbine ou encore à une usure prématurée de l'outil lui-même. On connaît déjà plusieurs types de dispositifs de 5 mesure de la vitesse de rotation des moteurs de fond et de transmission à la surface des résultats de mesure fonctionnant suivant des principes soit électromagnétiques, soit hydrauliques. Les capteurs conçus suivant un principe électromagnétique sont généralement insensibles à l'usure mécanique pouvant affecter les parties 10 en contact avec le fluide de forage et ils fournissent un signal électrique mieux adapté à la commande de dispositifs de transmission fond-surface. Les dispositifs connus de mesure de vitesse de rotation de moteurs de fond présentent l'inconvénient de nécessiter 15 l'emploi d'éléments spécifiques d'un type de turbine et de ne pas être adaptables à des types de turbine différents présentant des diamètres variables ou fonctionnant avec des débits de boue différents . Le but de la présente invention est de fournir un 20 équipement amovible simple adaptable à tous les types de turbines de forage et utilisable en coopération avec un dispositif de transmission autonome de fond à la surface tel que décrits dans les brevets de la demanderesse numéros d'enregistrement 7 026 213 et 7 044 559 ou tout autre type de système autonome de fond ne néces-25 sitant pas de liaison matérielle particulière avec les installations de surface. Elle concerne plus particulièrement le capteur de vitesse de rotation de turbine de forage adapté à être logé à l'intérieur de la partie supérieure du corps de la turbine caractérisé 30 en ce qu'il est constitué par un ensemble adaptable à tous les types de turbines et connectable*à l'aide d'une fiche à un dispositif de transmission de signaux du fond vers la surface, lequel ensemble est composé d'un tube métallique contenant des conducteurs muni d'une pièce de centrage destinée à glisser librement à l'inté-rieur du corps de turbine, pourvu à sa partie supérieure d'une collerette adaptée à être logée dans le fond conique du filetage femelle du corps de la turbine destiné à l'assemblage dans le train de sonde et à être bloquée par vissage lors dudit assemblage, comportant à sa partie inférieure une portion coudée destinée à péné-40 trer à proximité "db la périphérie, de l'arbre de la turbine et ren- COPY ^ 71 17579 3 fermant un détecteur sensible aux variations du flux magnétique, et d'un inducteur mobile de variation de flux solidaire de l'extrémité supérieure de l'arbre de la turbine et destiné à coopérer avec ledit détecteur sensible aux variations de flux magnétique, lesdits 5 conducteurs électriques logés à l'intérieur du tube métallique étant branchés d'une part aux bornes dudit détecteur sensible aux variations du flux magnétique et d'autre part à une fiche mâle connectable à un dispositif de transmission de signaux du fond vers la surface. 10 La facilité de démontage du capteur en vue de son adaptation à différents modèles de turbines peut être obtenue selon un mode de réalisation préféré de l'invention, en rendant la fiche mâle connectable solidaire de la collerette au moyen d'un ou plusieurs bras, le passage entre ces bras servant à l'écoulement libre 15 du fluide de forage sous pression d'alimentation de la turbine. Selon une des variantes de réalisation le détecteur sensible-aux variations du flux magnétique est un interrupteur à lame souple, tandis que l'inducteur mobile est un barreau aimanté. Les passages périodiques du barreau à proximité de la lame souple 20 produisent les fermetures du relais, créant des impulsions qui sont directement aptes au comptage. Selon une autre variante le détecteur sensible aux variations du flux magnétique est un solénoïde enroulé autour d'un barreau aimanté, l'inducteur étant un simple ergot métallique modi-25 fiant périodiquement le flux fourni par le barreau. Les brèves impulsions électriques produites dans le solénoïde sont transmises aux dispositifs électroniques connus où elles sont mises en forme et comptées. Les dispositifs de transmission de signaux avec les-30 quels coopèrent les capteurs de vitesse selon 11 invention sont connus par l'homme de l'art et se trouvent notamment dans le commerce sous des désignations commerciales diverses. Les détails de construction du capteur selon l'invention apparaîtront plus particulièrement au cours de la description 35 des deux modes de réalisation préférentiels qui suivent, sans que soient exclus pour autant d'autres modes de réalisation comportant les caractéristiques de l'invention. La figure 1 représente la partie inférieure du train de tiges de forage dans le cas de l'utilisation d'une turbine. 40 La figure 2 représente le capteur de vitesse de ro- „ OOPY 71 17579 4 2137176 tation adaptable à la partie supérieure d'une turbine de forage comprenant un premier mode de réalisation du détecteur. La figure 3 représente un autre mode de réalisation du détecteur utilisé. 5 Sur la figure 1 l'outil 1 qui peut être du type con ventionnel à molettes, du type diamant ou tout autre type utilisable avec une turbine de forage creuse un puits 2 de diamètre constant . L'arbre 4 de la turbine 3 entraîne l'outil 1 et por-10 te une pluralité d'aubages moteurs 6, ainsi que des étages tourillons 8 et butées 9. Le corps de la turbine 3 reste fixe dans le puits 2 et contient une pluralité d'aubages directeurs 5 ainsi que des étages paliers 7 et butées 10. Les paliers 7 et butées 10 sont 15 revêtus d'élastomère pour assurer un bon fonctionnement dans la boue de forage malgré la présence de particules solides en suspension. Au-dessus de la turbine 3 se trouve le transmetteur 12 vissé au col de la turbine directement ou au moyen d'un court 20 raccord mâle 11 qui bloque en position le capteur de vitesse de turbine 13 objet de la présente invention. Tous les raccords reliait les masse-tiges 14, le transmetteur 12 et la turbine 3 sont d'un modèle courant, de préférence munis de filetages conformes à la norme américaine de l'A.P.I. Dans un mode de réalisation préféré, le 25 capteur 13 est embroché à l'intérieur de l'évidement du raccord 11 et pénètre par son extrémité inférieure dans la partie supérieure de la turbine 3 pour coopérer avec l'extrémité tournante de l'arbre 4 et fournir un signal représentatif de la vitesse de la turbine. Ledit signal de mesure est codé en vue de sa transmission dans des 30 circuits non représentés situés dans le transmetteur 12. Selon la figure 2 représentant plus précisément le capteur de vitesse de rotation de turbine, le corps de la turbine 2 se termine à sa partie supérieure à l'endroit du col par un filetage femelle 15 destiné à recevoir l'embout mâle d'un raccord 11 35 solidaire du transmetteur 12 pour l'assemblage dans le train de sonde. Suivant le modèle utilisé ou le constructeur de la machine, la forme de la partie supérieure de la turbine peut être cylindrique ou posséder un retreint de manutention. Dans tous les cas elle comprend un filetage femelle 15, muni d'un fond conique pour l'as-40semblage dans le train de sonde. Le capteur de vitesse de turbine 71 17579 5 2137176 13 prend appui dans le fond conique dudit filetage au moyen d'une collerette. La collerette 17 est portée par un moyeu 34 qui réunit par vissage le tube de connexion êtanche 21 et la fiche mâle de connexion 16. Ladite fiche mâle de connexion 16 est d'un modèle 5 embrochable dans la boue ou les liquides du type courant. Le moyeu 34 est solidaire de la collerette 17 par plusieurs bras 18 ménageant entre eux un passage suffisant pour le débit de boue sous pression alimentant la turbine. Le tube de connexion étanche 21 est muni de filetages 30 permettant de le raccorder au moyen d'une 10 pièce de centrage 19 à la portion de tube coudée 22. La longueur du tube 21 et le diamètre de la pièce de centrage 19 sont adaptés au type particulier de turbine utilisé. Le changement du modèle de turbine requiert généralement le changement de l'un, de l'autre ou des deux éléments 19 et 21. Cet échange est facilement réalisé en 15 retirant le capteur de la turbine par sa partie supérieure et en remplaçant ces éléments en fonction du diamètre et de la longueur désirés.• La portion de tube coudé 22 portée par la pièce de centrage 19 contient le détecteur excentré 20. Le détecteur 20 est 20 un relais à lame souple sensible à un flux magnétique extérieur fourni par exemple par un aimant 25 solidaire de l'arbre de la turbine. Dans ce but l'aimant 25 a la forme d'un barreau porté par un petit tube amagnétique 24 vissé sur la périphérie de l'écrou supérieur 23 solidaire de l'arbre 4 de la turbine. Le fonctionnement du 25 capteur est le suivant : A chaque tour de la turbine, l'aimant excite le relais détecteur 20 lorsqu'il passe dans son voisinage. Les contacts du relais sont reliés à la fiche mâle 16 par des conducteurs 26 passant à l'intérieur des tubes 22 et 21. Le signal ainsi obtenu 30 est transmis aux circuits électroniques appropriés du transmetteur 12 par l'intermédiaire de la fiche femelle 28 et du câble 29 solidaires du raccord 11. Le signal est codé à l'intérieur du transmetteur en vue de sa transmission. La mise en place du capteur selon l'invention est 35 aisée : la collerette 17 supportant du fait du raccordement au moyeu 34 du tube 21 et de la fiche 16 le poids de l'ensemble du capteur il suffit de connecter la fiche mâle 16 sur la fiche 28 solidaire du raccord 11, de la masse-tige et de visser ledit raccord dans le filetage femelle équipant la turbine. Pendant ce vis-40 sage, la collerette 17 supportant le poids de l'ensemble du capteur 71 17579 6 2137176 13 vient au contact du fond conique dudit filetage femelle. Le blocage en position de l'ensemble et notamment le positionnement du détecteur 20 par rapport à l'inducteur mobile de variation de flux 25 ou 33 s'obtient automatiquement lors du blocage du raccord 11. 5 La figure 3 représente un autre type de détecteur pouvant équiper le capteur de vitesse turbine décrit à la figure 2. Il s'agit d'un détecteur à variation de flux induit composé d'un aimant 31 portant un solénoïde 32 fonctionnant en coopération avec un ergot 33 solidaire de l'ëcrou 23. Le fonction-10 nement est le suivant : A chaque tour de l'arbre 4 l'ergot 33 passe à proximité de l'aimant 31 et y provoque une augmentation momentanée du flux magnétique induisant un courant dans le solénoïde 32. L'impulsion électrique ainsi produite est acheminée par les conducteurs et la fiche 16 vers les circuits appropriés du transmetteur 15 12. L'invention ne se borne pas à l'utilisation de ces types de détecteurs et l'on peut envisager sans sortir de son cadre d'utiliser des détecteurs à variation de capacité ou tout autre type de détecteur apte à fournir d'une façon répétée un ou plusieurs 20 signaux à chaque tour de l'arbre 4 de la turbine. 71 17579 7 2137176 REVENDICATIONS 1. Capteur de vitesse de rotation de turbine de forage adapté à être logé à l'intérieur de la partie supérieure du corps de la turbine caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble 5 adaptable à tous les types de turbines et connectable à l'aide d'une fiche à un dispositif de transmission de signaux du fond vers la surface ; lequel ensemble est composé d'un tube métallique contenant des conducteurs muni d'une pièce de centrage destinée à glisser librement à 1'intérieur du corps de turbine, 10 pourvu à sa partie supérieure d'une collerette adaptée à être logée dans le fond conique du filetage femelle du corps de la turbine destiné à l'assemblage dans le train de sonde et à être bloquée par vissage lors dudit assemblage, comportant à sa partie inférieure une portion coudée destinée à pénétrer à proximi-15 - té de la périphérie de l'arbre de la turbine et renfermant un détecteur sensible aux variations du flux magnétique, et d'un inducteur mobile de variation de flux solidaire de l'extrémité supérieure de l'arbre de la turbine et destiné à coopérer avec ledit détecteur sensible aux variations de flux magnétique, 20 lesdits conducteurs électriques logés à l'intérieur du tube métallique étant branchés d'une part aux bornes dudit détecteur sensible aux variations du flux magnétique et d'autre part à une fiche mâle connectable à un dispositif de transmission de signaux du fond vers la surface. 25 2. Capteur de vitesse de rotation de turbine de forage selon la revendication 1, dans lequel la fiche mâle connectable est rendue solidaire de 1-a collerette au moyen d'un ou plusieurs bras, le passage entre ces bras étant destiné à l'écoulement libre du fluide de forage sous pression d'alimentation de la turbine. 30 3• Capteur de vitesse de rotation de turbine de forage selon la revendication 1 dans lequel le détecteur sensible aux variations du flux magnétique est un interrupteur à lame souple, tandis que 1'inducteur mobile est un barreau aimanté. 4. Capteur de vitesse de rotation de turbine de forage selon la 35 revendication 1 dans lequel le détecteur sensible aux variations du flux magnétiquè est un solénoïde'enroulé autour d'un barreau aimanté, l'inducteur étant un simplë ergot métallique modifiant périodiquement le flux fourni par le barreau.