Brevet FR2175620A1 — publié le 19731026

L'invention se rapporte à des appareils de commande pour des dispositifs de forage du type utilisé par exemple dans le forage dirigé de puits de pétrole au moyen d'un outil de forage ou trépan monté à l'extrémité inférieure d'une tige de forage ou d'un train de tiges, et pouvant tourner autour d'un axe incliné sur 1'axe longitudinal de 1' extrémité inférieure de la tige. Les dispositifs de forage de ce type, actuellement en usage, ont une inclinaison fixe (appelée dans ce qui suit "angle de forage") par rapport à l'axe de la tige de forage, et le dispositif complet est, en fonctionnement, fixé rigidement à ltextrémité inférieure de la tige. Par conséquent, pour forer dans une direction différente, il est nécessaire soit de réorienter le forage en faisant tourner la tige, soit de retirer tout le train de tiges et de remplacer le dispositif par un autre ayant un angle de forage plus approprié.Il est difficile d'estimer l'angle dont tournera l'extrémité inférieure du train de tiges quand on fait tourner son extrémité supérieure d'un angle donné, et l'opération consistant à retirer fréquemment tout le train de tiges pour changer le dispositif représente une perte de temps considérable d'une installation de forage conteuse. le but de l'invention est de fournir un dispositif permettant d'éviter matériellement cette difficulté et cette perte de temps. Selon I' invention, un appareil de commande destiné à s'adapter à l'extrémité inférieure d'une tige de forage auprès d'un organe de forage pour commander un forage dirigé comprend un servomécanisme (appelé dans ce qui suit "servomécanisme d'angle") propre à modifier l'angle de forage, un autre servomécanisme (appelé dans ce qui suit "servomécanisme d'orientation") propre à faire tourner l'appareil de commande, ou au moins une portion de celui-ci accouplée en service à l'organe de forage, par rapport à l'axe de la tige de forage afin de réorienter le dispositif sans modifier l'angle de forage, et des moyens pour programmer et/ou commander les servomécanismes par des signaux provenant de la surface du sol. L'appareil de commande peut être prévu pour être fixé directement au dispositif d'entratnement de l'outil de forage, lequel dispositif d'entraSnement comprend normalement un moteur dit "à boue" qui tire son énergie du flux de boue de forage le long de la tige de forage. En variante, l'appareil de commande et l'organe de forage peuvent former un bloc, auquel cas il est prévu, selon l'invention, un dispositif de forage comprenant le dispositif d'entratnement de l'outil de forage et l'appareil de commande mentionné plus haut. L'appareil de commande peut comprendre un générateur d'énergie hydraulique ou d'énergie électrique, ou un générateur d'énergie hydraulique et d'énergie électrique, afin de fournir de l'énergie aux servomécanismes et aux circuits associés, ou bien être prévu pour être fixé à un tel générateur. De préférence, le générateur d'énergie électrique ou le générateur d'énergie hydraulique, ou les deux, sont entratnés par un moteur à boue distinct. En variante, en particulier quand l'appareil de commande est incorporé à un dispositif de forage comprenant l'organe de forage, le générateur peut être accouplé au moteur à boue qui entre l'outil de forage. Â 1'appareil de commande est de préférence incorporé un dispositif électronique comprenant des détecteurs rassemblés dans un bloc de détection pouriesurer les composantes du champ magnétique terrestre et/ou du champ de la pesanteur, et pour fournir des signaux combinant ces mesures d'une certaine manière définie par des signaux fixes mis en oeuvre dans l'appareil de commande ou par des instructions de forage émises à distance, ou encore par une combinaison des deux. Les bases mathématiques de la détermination de l'inclinaison et de la position angulaire du bloc de détection, à partir des indications des détecteurs, seront décrites plus loin. Des instructions de forage peuvent être données à 1'appareil de commande par préaffichage manuel de commandes électriques avant que l'ensemble des commandes de forage soit descendu dans le puits; elles peuvent aussi titre données à distance par des moyens de communication entre la surface et l'appareil de commande, qu'on laisse descendre le long de la tige de forage. Ces moyens seront appelés dans ce qui suit "porte-programme", et peuvent être prévus pour être réglés afin de commander des angles d'asservissement déterminés ou pour donner des instructions de tout ou rien", par exemple quand l'angle de forage peut titre modifié par l'angle d'asservissement de zéro à une limite prédéterminée, de 30 par exemple, mais ne peut pas être réglé à des positions intermédiaires en-dessous de cette limite.Des moyens peuvent être prévus pour assurer que, quand le porte-programme atteint le dispositif de forage, il se place avec précision, au point de vue angulaire, par rapport à un récepteur de programme incorporé à l'arrière de ce dispositif. Le récepteur de programme identifie la ou les commandes particulières contenues dans le porte-programme, et ces commandes peuvent & re définies par les positions angulaires de barreaux aimantés montés de façon réglable à l'extrémité avant du porte-programme et dont les positions réglées sont détectées par des détecteurs de flux magnétique ou par des dispositifs à effet Hall prévus dans le récepteur. Un dispositif de forage dirigé selon l'invention, monté l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage, est décrit ci-dessous, à titre d'exemple, en regard des dessins annexés La figure 1 montre schématiquement le dispositif fixé à une tige de forage et à un trépan. La figure 2 montre schématiquement le procédé d'alignement du porte-programme de ce dispositif par rapport à la tige de forage. La figure 3 est le schéma de principe d'un servomécanisme d'orientation de ce dispositif. Le dispositif 1 comprend six sections disposées en ligne dans l'axe du dispositif et à travers lesquelles passe la boue de forage, l'extrémité arrière de ce dispositif étant fixée rigidement à la dernière tige du train de tiges 2. Dans ce mode de réalisation, la section avant comprend un moteur à boue 8 qui entrasse le trépan 7 et est disposé immédiatement devant un servomécanisme d'angle 3 qui peut être actionné pour régler l'angle de forage à zéro, ou bien à une valeur fixe qui est, par exemple, 20. Comme l'angle de forage n' est pas réglable à une autre valeur, le servomécanisme est commandé par "tout ou rien" par un dispositif de programmation qui sera décrit ci-dessous. Le servomécanisme d'angle 3 est immédiatement suivi par un générateur électrique 4 entraîné par son propre moteur à boue, suivi à son tour par un dispositif de mesure électro nique 5 comprenant des éléments sensibles formant des détecteurs réunis dans un bloc de détection. Ce dispositif mesure les composantes du champ magnétique terrestre et du champ de la pesanteur et fournit des signaux pour commander un servomécanisme d'orientation 6 qui le suit, de façon que ce dernier soit maintenu à la position commandée par des signaux de programmation venant de la surface ou par des signaux préaffichés. Le servomécanisme d'orientation 6 commande l'orientation de l'extrémité avant du dispositif 1, et donc du trépan 7, par rapport à l'extrémité de fond du train de tiges 2. La section extrême arrière du dispositif comprend un récepteur de programme 9. il reçoit des commandes de programmation d'un porte-programme 11 qui établit une communication entre la surface et le forage. Les commandes d'angle ou de "tout ou rien" sont affichées dans le porte-programme 11 par le positionnement mécanique d'aimants tels que 10 (figure 2) situés à l'extrémité avant du porte-programme qu'on laisse ensuite descendre le long du train de tiges 2 et qui tombe librement par gravité jusqu'à ce qu'il atteigne le dispositif de forage 1. Une rainure 12 située à l'extrémité avant du porte-programme 11 s'engage et se met en place sur une broche 13 dépassant à l'intérieur de la tige de fond du train de tiges, de manière à orienter avec précision le porte-programme Il par rapport au récepteur 9.Ce dernier comprend un dispositif sensible au champ magnétique, qui identifie les composantes angulaires et les commandes de "tout ou rien" affichées dans le porte-programme 11. Les commandes de composantes angulaires sont utilisées pour commander le servomécanisme d'orientation 6, tandis que les commandes de "tout ou rien" sont utilisées pour commander le servomécanisme d'angle 3 et peuvent aussi être utilisées pour assurer que le porte-programme 11 est placé en position correcte dans le dispositif de forage 1. Le dispositif peut comprendre une vanne de by-pass pour la boue, qui est manoeuvrée au cas où le porte-programme n'est pas en place et qui agit pour by-passer le moteur à boue principal. Dans le mode de réalisation décrit, le dispositif 1 forme un bloc comprenant le moteur de forage 8 et l'appareil de commande 3, 4, 5, 6 et 9. Cependant, il convient de remarquer que l'appareil de commande peut être fabriqué et fourni sous la forme d'une unité séparée propre à être fixée au dispositif de forage, il convient de remarquer aussi que le dispositif décrit permet d'effectuer une commande directionnelle précise sans nécessiter une réorientation continuelle, le dispositif de mesure électronique assurant que le forage suit la direction commandée quel que soit le couple de torsion du train de tiges et quelle que soit la tendance du trépan à dévier. Le fait qu'il n'est pas nécessaire d'estimer l'angle de torsion de la tige est un très grand avantage, ainsi que la facilite de régler l'angle de forage à zéro sans rien sortir du puits. AntErieurementX pour passer du forage dirigé au forage vertical, il était nécessaire de retirer tout le train de tiges et d'adapter un nouveau dispositif de forage. En fait, avec le dispositif décrit, il n'est nécessaire de le retirer du puits que quand il faut remplacer le trépan. L'extrémité arrière du porte-programme 11 comprend un appendice 14 qui peut être saisi par une tete preneuse qu'on descend dans le train de tiges au bout d'une ligne, permettant ainsi de retirer le porte-programme pour reafficher des commandes. Pendant qu'il est retiré, on peut descendre un instrument de mesure qui donne des informations sur l'in- clinaison et la direction du forage. Les procédés atilisés actuellement pour orienter les forages comportent l'utilisation de moyens de détection (habituellement des photographies de dispositifs d'aimants flottants oscillants), la transmission des résultats à la surface (habituellement en transportant matériellement la photographie en surface, puis en l'exploitant), et enfin la remise en position du forage en faisant tourner l'extrémité supérieure de la tige de forage. Le développement des moyens de détection, permettant la transmission électrique de données d'orientation, ont permis d'orienter le forage de manière continue pendant son exécution, mais cela exige l'utilisation d'un système de transmission (habituellement un câble conducteur) et la commande est encore effectuée en faisant tourner l'extrémité supérieure de la tige de forage. Le servomécanisme d'orientation 6 du dispositif décrit utilise les signaux émanant des éléments de détection pour faire tourner le trépan par rapport à l'extrémité inférieure de la tige de forage 2. L'orientation continue pendant le forage est ainsi effectuée sans qu'il soit nécessaire de prévoir aucun type de liaison de transmission avec la surface. Le schéma de principe du servomécanisme d'orientation 6 est représenté sur la figure 3, et on va le décrire maintenant. Les signaux ou les combinaisons de signaux viennent des éléments, de détection et sont appliqués comme signaux d'entrée à un traducteur R. Ce traducteur peut fonctionner électromécaniquement ou électroniquement; dans les deux cas, il combine les signaux d'entrée de la manière suivante Si un signal d'entrée est el et si un second signal d'entrée est e2, le signal de sortie du traducteur est une fonction de el, e2 et d'un signal d'entrée a telle que signal de sortie P el sin a + e2 cos a Le signal de sortie du traducteur est appliqué à un amplificateur asservi dont le signal de sortie entraîne le servomoteur d'orientation. Ce moteur entratne un engrenage réducteur pour orienter le trépan.Pendant la rotation du moteur de forage, les éléments de détection tournent aussi et les signaux de sortie de ces éléments varient. Le moteur de forage continue à tourner jusqu'a ce que le signal de sortie du traducteur soit zéro. Si les signaux d'entrée du traducteur sont #1 et#2, définis par les équations (11) et (12) de l'ana- lyse mathématique donnée à la fin de la présente description, et si l'angle d'entrée du traducteur est i, le servomoteur orientera le forage de façon que #1 sin i + #2 cos i = 0 En remplaçant dans cette relation iN et #2 2 par les valeurs données par les équations (11) et (12), on trouve sin e eos lb sin i - - sin e sin cos = O relation dont la solution est = i Le servomécanisme d'orientation positionne donc le trépan à l'angle d'entrée De façon analogue, si les signaux d'entrée du traducteur sont #1 + ss#1 et #2 ss @2, en utilisant les équations (15) et (16) de l'analyse mathématique, on trouve que le servomécanisme d'orientation positionnera le forage à un angle d'entrée W L'angle d'entrée i ou # Bi du traducteur peut être préaffiché avant que le dispositif de forage soit descendu dans le puits, ou bien être injecté dans le servomécanisme au moyen du porte-programme. Les bases mathématiques des équations de commande utilisées dans les dispositifs de forage dirigé programmé sont données ci-dessous. 1. Définition des axes Le système d'axes désignés par l'indice "O" est fixé à la terre avec OX0 horizontal et dirigé vers le nord magnétique, OYo horizontal et dirigé vers l'est magnétique, OZo vertical et dirigé vers le haut. Les axes OXYZ, sans indice, sont fixes par rapport au corps de l'instrument de contrôle. 2. Définition des rotations En partant de OXYZ coïncidant avec OXoYoZo, on fait tourner OXYZ autour de l'axe OZ d'un angle yo , qui désigne l'ANGLE D'AZIMUT. En partant de cette nouvelle position, on fait tourner OXYZ d'un ANGLE DE PENTE e autour de l'axe OY. La rotation finale se fait à nouveau autour de l'axe OZ d'un angle qu'on appellera ALGIE DE DEVIÂTION. 3. Matrices de transformation des coordonnées D'aDrès les mathématiaues classiaues de transformation de coordonnées, la relation entre un vecteur dans le système de coordonnées liées à la terre et le même vecteur dans le système de coordonnées liées à l'instrument est : où [B] est une matrice d'ordre trois définie par les trois rotations de la manière suivante :: cos# - sin# 0 cos # 0 sin # cos - sin 0 [B] = #sin# cos# 0# #0 1 0# #sin cos 0 0 0 1 -sin # 0 cos # 0 0 1 (cos #cos#cos-sin#sin) (-cos#cos#sin-sin#cos) (cos#sin#) = #(sin#cos#cos+cos#sin) (-sin#cos#sin+cos#cos) (sin#sin#) (-sin e cos ) sin e sin cos # On a aussi =[B]-1 . Nota : pour les transformations conformes [B]-1 = [B]t où [B]-1 est l'inverse de [B] et [B]# est la transposée de [B]. Par conséquent 4. Le vecteur gravité dans les axes de l'instrument Si le vecteur gravité, dans les axes fixés à la terre est et si ce vecteur gravité, dans les axes fixés à l'instrument, est alors ce qui, après multiplication, donne @x = g sin#cos - (1) gy = -g sin e sin pl - (2) @z = = -g cos e - (3) Les mesures des composantes de la force gravitationnelle appliquée à une masse de l'instrument peuvent donner des quantités 5.Le vecteur champ terrestre dans les axes de l'instrument Si les composantes horizontale et verticale du champ terrestre sont Hh et Hv respectivement, le vecteur champ dans les axes fixés à la terre est Le vecteur champ, dans les axes de l'instrument, sera donc ce qui, après multiplication, donne Hx = Hhcos#cos#cos - Hhsin#sin + Hvsin#cos-(7) Hy = -Hhcos#cos#sin - Hhsin#cos - Hvsin#Sin-(8) Hz = Hhcos#sin# - Hvcos# Les équations (7) et (8) sont réarrangées comme suit Hx -HvsinEcos = Hhcos#cos#cos - Hhsin#sin-(9) Hy +Hvsin#sin = -Hhcos#cos#sin - Hhsin#cos-(10) Les mesures prises dans l'instrument donnent trois quantités 5'1' et # 3, où #1 &alpha; Hx #2 &alpha;Hy et #3 &alpha; Hz On tire des équations (1) et (6) #1 &alpha; sin # cos -(11) #2 &alpha; -sin # sin -(12) En substituant dans les équations (9) et (10), on trouve #1 + ss#1 &alpha; cos#cos # cos - sin#sin - (13) #2 + ss#2 &alpha; -cos # cos # sin - sin#cos - (14) où ss est une constante. Pour des valeurs relativement petites de e (200 > e > 0) les rotations 'fiet peuvent être considérées comme étant dans un même plan, et l'angle#+ est une bonne approximation de l'angle de OXO avec OX. Cet angle est défini comme l'ÂNGLE D'AZIMUT DE L'AXE DU CORPS Donc, pour # Les équations (13) et (14) peuvent s'écrire comme suit (en prenant cos Q = 1) 1 + ss#1 &alpha; cos#B - (15) 2 + ss#2 &alpha; - sin #B - (16). REVENDICATIOliS 1. Appareil de commande s'adaptant à l'extrémité inférieure d'une tige de forage auprès d'un organe de forage pour commander un forage dirigé, comprenant un premier servomécanisme pour modifier l'angle de forage, un autre servomécanisme pour orienter le premier servomécanisme par rapport à la tige de forage sans modifier l'angle de forage, et des moyens pour programmer les deux servomécanismes et/ou les commander par des signaux venant de la surface du sol. 2. Appareil de commande selon la revendication 1, propre & autre fixé à l'organe de forage. 3. Appareil de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens pour engendrer de l'énergie afin de la fournir aux servomécanismes et aux circuits associés. 4. Appareil de commande selon une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens électroniques pour mesurer les composantes du champ magnétique terrestre et/ou du champ de la pesanteur. 5. Appareil de commande selon la revendication 4, dans lequel ces moyens électroniques combinent les mesures du champ magnétique terrestre et dn champ de la pesanteur d'une manière qui est définie par des signaux préaffichés mis en oeuvre dans l'appareil de commande. 6. Appareil de commande selon la revendication 4, dans lequel les moyens électroniques combinent les mesures du champ magnétique terrestre et du champ de la pesanteur d'une manière qui est définie par des instructions de forage injectées dans l'appareil de commande. 7. Appareil de commande selon la revendication 6, dans lequel l'appareil de commande comprend des commandes électriques qui peuvent être préaffichées manuellement selon ces instructions de forage. 8. Appareil de commande selon la revendication 6, comprenant un porte-programme qui établit une communication entre la surface et l'appareil de commande pour la transmission des instructions de forage. 9. Appareil de commande selon la revendication 8, dans lequel un récepteur de programme dudit appareil identifie la ou les commandes particulières définies par les positions angulaires d'un ou plusieurs barreaux aimantés montés de façon réglable à l'extrémité avant du porte-programme et dont le réglage en position est détecté dans le récepteur de programme. 10. appareil de commande selon la revendication 9, dans lequel des moyens sont prévus pour assurer que quand le porte-programme atteint l'appareil de commande, il soit situé dans une position angulaire prédéterminée par rapport au récepteur de programme.