Brevet FR2117726A1 — publié le 19720728

La présente invention se rapporte à un système hydraulique servant à transmettre à la surface des signaux représentatifs de mesures effectuées au fond d'un puits. Lors du forage d'un puits il est fort utile de connaître 5 de nombreux paramètres caractéristiques des terrains traversés et des conditions de travail de l'outil, ces informations servant généralement à la connaissance et à l'ajustement des conditions de forage. La transmission de ces informations du fond du puits à la surface est habituellement réalisée au moyen de trains d'impulsions 10 hydrauliques produits au fond du puits dans le fluide de forage et transmis à la surface sans aucune perturbation pour la conduite ordinaire du forage. De nombreux inventeurs ont cherché à créer des dispositifs simples produisant des impulsions hydrauliques de fort niveau avec 15 une grande sécurité malgré les conditions d'environnement défavorables régnant au fond des puits. En particulier, les dispositifs à commande hydraulique ont retenu 11attention des chercheurs pour leur sécurité de fonctionnement et leur puissance massique élevée. Ainsi la demanderesse a décrit dans le brevet français numéro de 20 py 70 26213 un dispositif à commande hydraulique autonome plus particulièrement caractérisé par le circuit de fluide hydraulique comprenant une pompe refoulant du fluide sous pression par l'intermédiaire d'un organe de commande tel que distributeur à tiroir ou électrovanne sur l'un ou l'autre des deux côtés du piston d'un 25 vérin hydraulique à double effet relié mécaniquement à un organe de restriction du passage du fluide de forage. Ce dispositif, ainsi que d'autres réalisations antérieures comprenant des circuits hydrauliques à fluide de commande séparé, utilise un organe de commande actionné par des impulsions électri-30 ques liées aux signaux de mesure qui peut être un distributeur à tiroir commandé par une ou deux bobines ou une combinaison d'élec-trovannes. Ce type d'organe de commande des moyens de restriction du passage de fluide de forage présente de multiples inconvénients. 35 Son encombrement est souvent incompatible avec les dimensions réduites de l'espace disponible à l'intérieur des tiges de forage. La faiblesse de débit de fluide délivré pour une puissance électrique d'excitation donnée a pour conséquence une vitesse réduite du fonctionnement des organes de restriction, ce aui limite le nombre 40 d'informations transmises par unité de temps. Un autre inconvénient 70 44559 2117726 que présentent les formes de réalisation d'organes de commande connus réside dans le fait que l'amplitude des impulsions de pressions obtenue par la manoeuvre de l'organe de restriction connu varie avec le débit et la densité de la boue traversant ledit orga-5 ne et lorsque l'on désire obtenir des impulsions de niveau constant dans des puits forés avec des débits et des densités de boues variables, un système de correction devrait nécessairement être employé lors de chaque modification de la composition du fluide de forage. 10 Le but de la présente invention est de fournir un système hydraulique capable d'actionner l'organe de restriction rapidement Un autre but de l'invention est un système hydraulique asservi capable d'actionner l'organe de restriction avec des amplitudes prédéterminées et réglables indépendamment des conditions de circula-15 tion du fluide de forage. La présente invention a également foour but de réaliser une modulation de la totalité du débit de boue à des fréquences pouvant être choisies dans la gamme entre quelques dixièmes et quelques dizaines de hertz. Le dispositif selon la présente invention permet ainsi de transmettre facilement une quan 20 tité notable d'informations en utilisant des fréquences de modulation bien distinctes des fréquences indésirables habituellement produites par les pompes à. boue de forage. La présente invention a pour objet un dispositif à cornman de hydraulique servant à transmettre à la surface des signaux re-25 prësentatifs des mesures effectuées au fond du puits sous forme de modulations de pression créées par des restrictions périodiques de passage de fluide de forage comprenant des moyens de restriction du passage de fluide de forage, un organe de commande de restrictions du passage de fluide actionné par des signaux électriques 30 liées aux signaux de mesure, un circuit de fluide hydraulique par l'intermédiaire duquel ledit organe de commande actionne lesdits moyens de restriction du passage de fluide de forage, une turbine entraînée par le fluide de forage et une pompe.de pression de flui de hydraulique calés sur le même arbre, caractérisé en ce que l'or 35 gane de commande des restrictions périodiques du passage du fluide de forage est constitué par une servovalve, dont le débit de fluide hydraulique de commande est constamment proportionnel en grandeur et sens à l'intensité électrique traversant sa bobine. L'organe de restriction employé pour imprimer des impul-40 sions au fluide de forage et pour transmettre à la surface des si- 70 44559 2117726 gnaux sous forme de modulations de pressions peut être une vanne ou un pointeau relié mêcanioueraent à un récepteur hydraulique tel que vérin, moteur hydraulique à engrenage ou à pistons recevant un débit continu de fluide de commande. 5 Selon un mode de réalisation la servovalve actionne par l'intermédiaire d'un circuit de fluide de commande un vérin hydraulique à double effet auquel est relié mécaniquement un pointeau solidaire du piston dudit vérin coopérant avec un siëge fixe. Ce mode de réalisation est caractérisé par une limitation de la course du 10 vérin entre deux positions définies par deux butées mécaniques et correspondant à des ouvertures minimale et maximale de l'organe de restriction du courant de fluide de forage, l'ouverture maximale étant obtenue en faisant circuler dans la bobine de la servovalve un courant électrique correspondant à une vitesse de déplacement 15 élevée du vérin dans le sens d'ouverture du passage, l'ouverture minimale étant obtenue par inversion du sens du courant électrique. L'avantage obtenu réside dans la rapidité avec laquelle est actionné l'organe de restriction. Un tel dispositif utilisé au fond des puits en cours de forage pour transmettre des informations 20 vers la surface permet de transmettre des signaux sous forme de variations rapides de pression de 5 à 30 bars se succédant à des intervalles compris entre 1 et 30 secondes, chaque signal étant obtenu par une inversion du courant électrique traversant la bobine de la servovalve. 25 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'asser vissement d'une caractéristique du fonctionnement de l'organe de restriction à un signal électrique variant suivant une loi prééta^ blie est réalisé par la servovalve, à la bobine de laquelle on applique un courant représentant la grandeur différence de deux si-30 gnaux, l'un provenant du détecteur d'une caractéristique asservie de l'organe de restriction, l'autre provenant d'un générateur de signaux électriques liés aux signaux de mesure. Les caractéristiques du fonctionnement de l'organe de restriction peuvent être la position de cet organe ou la perte de char-35 ge qu'il crée dans le courant du fluide de forage qui le traverse. L'asservissement de la position instantanée de l'organe de restriction à des signaux électriques de commande lié de préférence aux signaux de mesure permet d'obtenir un fonctionnement de cet organe qui varie en fonction du temps suivant la même loi que sui-40 vent les variations des signaux électriques de commande. 70 44559 4 2117726 L'asservissement de la perte de charge instantanée â travers l'organe de restriction à des signaux électriques de commande liés de préférence aux signaux de mesure permet d'obtenir un fonctionnement de l'organe de restriction, notamment l'amplitude des 5 signaux transmis sous forme de modulations de pressions, indépendant du débit, de la nature et de la densité du fluide de forage utilisé ainsi que de la pression du fluide de commande. L'emploi de la servovalve réalisant l'asservissement du fonctionnement de l'organe de restriction permet l'utilisation 10 d'une vaste gamme de fréquences allant de quelques dixièmes à quelques dizaines de hertz, à chaque vitesse de déplacement de l'organe de restriction correspondant un ensemble de fréquences différent Le choix qu'il est permis d'opérer dans ces fréquences permet de transmettre facilement une quantité notable d'information en uti-15 lisant des fréquences de modulations bien distinctes de fréquences indésirables habituellement produites par les pompes de forages Le système hydraulique asservi selon l'invention permet la transmission des informations par le courant de fluide de forage au moyen de signaux représentés par des modulations continues ou 20 intermittentes de pression de fluide de forage sous formé de variations sinusoïdales de pression à des fréquences comprises entre 0,1 et 100 cycles par secondes. La tension électrique de commande nulle au repos par exemple est formée pendant l'émission des signaux par la superposition d'une tension alternative sinusoïdale de fréquence 25 comprise entre 0,1 et 100 cycles par seconde et d'une tension continue permettant par l'asservissement de l'organe de restriction à sa position ou à la perte de charge qu'il provoque, d'obtenir une perte de charge moyenne du courant de fluide de forage traversant ledit organe comprise entre 5 et 15 bars. 30 Les figures dont la description suit permettent d'illus trer quelques modes de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente une masse tige spéciale contenant le système hydraulique asservi pour la modulation du courant de boue. Extérieurement elle ne diffère pas des matériels habituelle-35 ment utilisés en forage. Elle possède en particulier des filetages extrêmes conformes à la norme API pour être assemblée sans difficultés en un point quelconque du train de sonde de préférence au voisinage de l'outil. La figure 2 représente le circuit êlectricrue d'asservisse-40 ment de la position du vérin hydraulique à un signal électrique de 70 44559 2117726 commande de forme quelconque. La figure 3 représente le circuit électrique d'asservissement de la perte de charge à travers l'organe de restriction à un signal électrique de commande de forme quelconque. 5 La masse tige spéciale 1 contenant le système hydraulique asservi représenté à la figure 1 comprend des extrémités 2 avec filetages normalisés pour l'assemblage dans le train de sonde, un alésage surdimensionné du côté de l'entrée femelle, compatible avec lesdits filetages et destiné à recevoir les équipements intérieurs 10 appuyés sur un épaulement 3• Les équipements intérieurs comprennent une vanne de modulation occupant entièrement la partie supérieure de l'alésage surdimensionné et forçant la totalité du fluide à circuler entre le siège fixe 12 et le pointeau mobile 13. L'invention ne se limite 15 pas à l'utilisation de ce type de vanne et d'autres types d'organes de restriction comme les vannes à boisseau ou les vannes équilibrées à sièges multiples peuvent servir à la modulation du courant de boue. Au-dessous de la vanne de modulation se trouve un tube 20 étanche 15 contenant le système hydraulique de commande de la vanne, les circuits électriques d'asservissement, les capteurs de mesure non représentés, les moyens autonomes de fourniture d'énergie électrique. La partie inférieure du tube 15 est solidaire de la turbi-25 ne 16 fournissant l'énergie à partir du courant de boue. L'espace annulaire laissé libre entre l'alésage de la masse tige 1 et le tube étanche 15 permet le passage du fluide de forage depuis la vanne de modulation 11 vers la turbine 16. Les aubages fixes 17 et mobiles 18 de la turbine 16 du type conventionnel sont serrés res-30 pectivement par les écrous 19 et 20 dans le corps de turbine 16 et sur l'arbre 14 qui présentent des êpaulements adéquats. Le fluide' de forage pénètre dans les aubages. fixes par une série de lumières 21 situées à la partie supérieure du corps de turbine 16 et sort axialement à la partie inférieure pour assurer normalement l'irri-35 gation de l'outil de forage. Les aubages mobiles 13 et l'arbre 14 sont suspendus à une butée 22 située à l'intérieur du tube étanche 15. Le passage de l'arbre du corps de turbine 16 vers 1'intérieur du tube étanche se fait à travers un dispositif d'étanchéité 23 crui peut être un presse étoupe de type conventionnel serré par un ëcrou 40 24. Le rôle de la butée 22 est également d'absorber la poussée hv- 70 44559 2117726 draulique axiale s'exerçant sur les aubages mobiles. L'avantage de l'emplacement intérieur de ladite butée réside dans la commodité de lubrification de la butée par le fluide de remplissage du tube étanche 15 qui peut être une huile minérale gardant de bonnes pro-5 priétés aux pressions et températures régnant au fond des puits. Un dispositif non représenté sur la figure permet d'appliquer la pression statique du fluide de forage aux fluides de remplissage et de contrôle situés à l'intérieur du tube étanche 15. Les différences de pressions de part et d'autre du dispo-10 sitif d'ëtanchéité 23 restent ainsi faibles, contribuant à la simplicité de réalisation et à la bonne tenue desdits dispositifs. L'arbre 14 entraîne un alternateur 5 de fourniture d'énergie électrique et un générateur de pression hydraulique régulée 7 non détaillé sur la'figure. 15 Le choix d'un générateur de pression hydraulique régulée ne présente aucune caractéristique critique. Selon le cas il peut comprendre une pompe a cylindre fixe, un régulateur et une réserve accumulant l'huile sous pression, ou encore une pompe â cylindre variable auto-régulatrice et une réserve sous pression. 20 L'invention ne se borne pas à l'utilisation du matériel cité car toutes autres pompes régulées et réserves d'huile sous pression assurant un débit instantané suffisant sous une pression constante afin d'obtenir une commande énergique de l'organe de restriction peuvent être valablement utilisées sans sortir du cadre 25 de la. présente invention, pourvu que leurs dimensions soient compatibles avec l'espace disponible à l'intérieur du tube étanche 15. Au-dessus du générateur de pression 7 se trouve la servovalve 50 qui a pour fonction de moduler le fluide dë commande délivré à pression constante par le générateur 7. Pour réaliser cette 30 fonction la servovalve 50 reçoit le fluide sous prèssion par la tuyauterie 49 et le renvoie sans prèssion au générateur par la tuyauterie 48. Du côté opposé la servovalve 50 est reliée aux deux faces du piston 56 par les tuyauteries 51 et 52. Ledit piston 56 est la partie essentielle d'un vérin à double effet relié mécanique-35 ment à l'organe de restriction. Le piston-56 se déplace dans un cylindre 55 et actionne une tige 57 solidaire du pointeau mobile 13 coopérant avec siëge fixe 12 à la modulation du courant de fluide de forage.. Le déplacement du piston 56 peut se faire indifféremment de bas en haut ou de haut en bas suivant que le fluide sous pression 40 est dirigé sur le côté montant par la tuyauterie 51 ou sur le côté 7 70 44559 2117726 descendant par la tuyauterie 52. Dans la partie supérieure du tube étanche 15 et répartis autour de la tige de commande 57 dans un compartiment 35 se trouvent les capteurs d'asservissement et les circuits électroniques de 5 régulation de l'énergie électrique et de commande de la servovalve 50. Dans certains cas les capteurs de mesure fournissant des signaux représentatifs des paramètres de fond en forage peuvent être également inclus dans cet esnace 35. Des canaux indépendants du circuit hydraulique sont ménagés dans le cylindre 55 et le générateur 7 10 pour permettre le passage des conducteurs électriques 58 et 6 reliant respectivement la servovalve 50 et l'alternateur 5 aux circuits contenus dans le compartiment 35. La servovalve 50 comporte une bobine ou enroulement de commande parcourue par un courant électrique délivré par les cir-15 cuits du compartiment 35. En l'absence de courant d'excitation aucune communication hydraulique n'est réalisée et le piston 56 ne peut se mouvoir. La particularité essentielle de la servovalve est de pouvoir réaliser toutes les fractions de communication comprises entre la fermeture complète et les communications directes de l'hui-20 le sous pression avec l'une ou l'autre face du piston de vérin 56 par l'application d'un courant électrique de sens et d'intensité appropriés à sa bobine de commande. Autrement dit, le débit de fluide d'une servovalve est constamment proportionnel en grandeur et sens à l'intensité électrique traversant sa bobine de commande. 25 Les capteurs d'asservissement sont des détecteurs d'une caractéristique quelconque du fonctionnement de 1'organe de restriction dont les applications sont représentées plus particulièrement sur les figures 2 et 3. L'asservissement en position représenté â la figure 2 uti-30 lise un détecteur des déplacements 33 dont la tige 32 est liée au déplacement du piston 56 de vérin. La position de*la tige 57 reliant le piston 56 au pointeau 13 est asservie à un signal électrique fixe ou variable suivant une fonction du temps de manière à produire une restriction fixe ou variable en fonction du temps. 35 Le fonctionnement suivant ce principe est schématisé sur la figure 2. Un capteur de déplacement 33 relié mécaniquement à la tige 57 fournit un signal électrique représentatif de la position du pointeau 13 suivant une loi continue et uniforme. Le codeur 59 40 fournit un signal électrique de référence ou de commande fixe ou 70 44559 2117726 variable suivant une loi de préférence liée à la mesure d'une grandeur au fond du puits et destiné à produire dans le courant de fluide de forage une variation de pression de forme prédéterminée. Ces deux signaux électriques sont comparés dans un détecteur d'erreur 5 60 qui est aussi un amplificateur. La différence des deux signaux est appliquée à la bobine de la servovalve par les conducteurs 58. Compte tenu du principe de fonctionnement de la servovalve le piston 56 va se mouvoir dans un sens qui tend à réduire la différence. Dans le cas où le signal de référence est fixe, le piston 56 prend 10 une position de repos dépendant uniquement de la valeur du signal électrique de référence, et indépendante de la pression de l'huile de commande, de la vitesse et du débit du fluide de forage, etc... Si le signal de référence varie en fonction du temps, la position du piston 56 varie également en fonction du temps suivant la même 15 loi. On réalise ainsi l'asservissement de la position du pointeau de la vanne de modulation du courant de fluide de forage à un signal de référence représentant par exemple les valeurs successives codées ou non d'une grandeur mesurée au fond du puits en forage. L'énergie électricrue nécessaire au fonctionnement des capteurs 20 de mesure et d'asservissement et des circuits électronicrues 59 et 60 est fournie à partir de l'alternateur 5 par un bloc d'alimentation électrique 31 également.contenu dans le compartiment 35. Une intéressante possibilité du dispositif hydraulique asservi est schématisé à la figure 3. On a vu à la figure 2 la pos-25 sibilité d'asservir la position du pointeau 13 de la vanne de modulation à un signal de référence fixe ou variable. Lorsque le débit ou la densité du fluide de forage varient il ne suffit pas de fixer la position du pointeau de vanne de modulation pour obtenir une différence de pression préétablie de part et d'autre de la restric-30 tion. En effet dans une restriction donnée la perte de charge varie avec la densité et est proportionnelle au carré du débit. Le dispositif schématisé à la figure 3 remédie à cet inconvénient et permet dans une certaine plage de débits d'obtenir une différence de pression due à la restriction constante quelque soit le débit, ou 3 5 variable suivant une loi de référence indépendante du débit du fluide de forage. Pour cela le capteur différentiel de pression 3 6 relié à la pression amont par la tuyauterie 38 et à la pression aval par la tuyauterie 37 fournit un signal électrique représentatif de la 40 différence de pression existant entre l'amont et l'aval de la res- 70 44559 2117726 triction ou encore de la perte de charge créée par la vanne de modulation . Le signal représentatif de la perte de charge est comparé à un signal de référence fourni par un dispositif de codage 59 dans 5 un amplificateur détecteur d'erreur 60. La différence des deux signaux est appliquée sous forme de signal électrique d'erreur, à la bobine de la servovalve 50 par les conducteurs 58. Dans le cas où le signal de référence est fixe, la perte de charge créée par la restriction va s'établir à un niveau 10 dépendant uniquement de la valeur du signal de référence, ledit niveau étant tel que le signal représentatif de la différence des pressions captées en amont et en aval de la restriction soit précisément égal au signal de référence. On a réalisé ainsi un asservissement de la différence de 15 pression créée par la vanne de modulation à un signal de référence donné quelque soient les conditions de viscosité densité ou débit du fluide de forage. Si l'on fait varier le signal de référence suivant une certaine fonction du temps liée aux mesures de paramètres de forage que l'on désire transmettre, on a aussi la possibilité 20 d'obtenir facilement dans la colonne de fluide de forage des variations de pression signaux de transmission suivant la même fonction du temps. En particulier il est possible par ce procédé d'obtenir une modulation à fréquence variable liée au paramètre à mesurer au fond du puits avec une bonne capacité de transmission de 25 l'information. 70 44559 2117726 REVENDICATIONS 1. Dispositif à commande hydraulique servant â transmettre à la surface des signaux représentatifs des mesures effectuées au fond du puits sous forme de modulations de pression créées par des 5 restrictions périodiques de passage de fluide de forage comprenant des moyens de restriction du passage de fluide de forage, un organe de commande de restriction du passage du fluide actionné par des signaux électriques liées aux signaux de mesure, un circuit de fluide hydraulique par l'intermédiaire duquel ledit 10 organe de commande actionne lesdits moyens de restriction 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 l'organe de commande des restrictions périodiques du passage du fluide de forage est 15 constitué par une servovalve dont le débit de fluide hyraulique de commande est constamment proportionnel en grandeur et sens à l'intensité électrique traversant sa Bobine. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe de restriction est constitué par un pointeau mobile coopérant avec 20 un siège fixe et solidaire d'un piston de vérin hydraulique à double effet, caractérisé par les butéeslimitant la course du vérin entre deux positions, dont l'une correspond à l'ouverture maximale de l'organe de restriction du passage obtenue par l'ac-tionnement de la servovalve au moyen d'un courant électriaue 25 lancé dans sa bobine et correspondant à une vitesse de déplacement élevée du vérin et l'autre position à l'ouverture minimale de l'organe de restriction de passage obtenue par 1'actionnement de la servovalve en inversant le courant électrique. 3. Dispositif à commande hydraulique selon la revendication 1 pour-30 vu des moyens d'asservissement d'une caractéristique du fonctionnement de l'organe de restriction à un signal électrique variant suivant une loi préétablie, caractérisé en ce que ces moyens comportent un détecteur d'une caractéristique asservie du fonctionnement de l'organe de restriction, un générateur de 35 signaux électriques liés aux signaux de mesure, un détecteur d'erreur ou comparateur effectuant la différence de deux signaux précités et produisant une grandeur différence et une bobine de commande de servovalve à laquelle est appliquée cette grandeur différence. 40 4. Dispositif à commande hydraulique selon la revendication 3 ca- 70 44559 2117726 ractêrisé en ce que le détecteur de caractéristique asservie du fonctionnement de l'organe de restriction est un détecteur de position dudit organe. Dispositif â commande hydraulique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le détecteur de caractéristique asservie du fonctionnement de l'organe de restriction est ui capteur de pression différentielle mesurant la perte de charge en amont et en aval dudit organe.