Brevet FR2281487A1 — publié le 19760305

L'invention concerne les matériels de forage, notamment les dispositifs pour l'orientation d'un outil dans un forage. L'invention peut étre appliquée avec une efficacité maximale à l'exécution de forages horizontaux et obliques profonds et ultra-profonds, quand on désire obtenir une trajectoire prédéterminée avec une haute précision, la distance entre la bouche du forage et le point à atteindre devant être minimale. L'application du dispositif proposé est extrêmement efficace dans le cas de forage à l'électroforeuse, car la présence de conducteurs alllant à la turboforeuse permet de réaliser facilement la transmission des informations de mesure du front d'attaque à la bouche du forage. Actuellement, on connaît des dispositifs pour l'orientation de l'outil dans le forage, comprenant un clinomètre électronique avec des capteurs d'inclinaison, d'azimut et de position de l'outil, engagés dans le forage, et des appareils au jour enregistrant ces valeurs, ainsi qu'un servomécanisme avec le système moteur de la table de rotation de l'installation de forage, lequel est relié à l'outil par le train de tiges. L'outil comprend le trépan, le moteur de fond, les capteurs du clinomètre électronique et le déviateur de l'outil monté entre le moteur de fond et les capteurs. Les signaux des capteurs sont le plus souvent transmis aux appareils enregistreurs au jour du clinomètre électronique à l'aide d'une voie de liaison à fils. La détermination de l'angle de position de l'outil dans le forage, selon le désaccord entre les valeurs prescrites et mesurées de l'azimut et de l'inclinaison de l'axe du forage respectivement, ainsi que la mise de l'outil dans la position devant assurer la diminution de ce désaccord, sont effectuées à l'heure actuelle par l'opérateur. On connaît aussi des appareils qui facilitent en partie la tâche de l'opérateur en ce qui concerne l'orientation de l'outil. On connaSt, par exemple, un appareil comportant trois règles et deux rapporteurs. Ta première règle est solidaire d'un rapporteur auquel la seconde règle est accouplée par un axe. La troisième règle-est solidaire d'un rapporteur auxiliaire et accouplée par un axe au curseur de la première règle. Le curseur de la seconde règle est accouplé par un axe au curseur de la troisième règle. Les racles ont des échelles proportionnelles et les rapporteurs sont gradues de O à 1800 L'ordre d'exécution des opérations, par exemple pour changer l'azimut du forage en se servant de l'appareil, est le suivant. Sur la seconde règle on met le curseur en regard du chiffre correspondant à l'angle d'inclinaison du forage avant son commencement, et l'on serre ce curseur avec la vis. Sur la troisième règle on met le curseur en regard du chiffre correspondant à l'angle en degrés que doit avoir le forage après son achèvement dans l'intervalle donné.Sur le rapporteur solidaire de la première règle, par rotation de celle-ci, on affiche l'angle dont doit être changé l'azimut du forage. Après exécution de ces opérations, le curseur indiquera sur la première règle l'angle d'inclinaison de l'axe du forage à la fin du forage, et sur le rapporteur solidaire de la troisième règle on lira en face de l'index l'angle nécessaire d'orientation de l'outil. L'opérateur, en mettant en marche le servomécanisme, fait tourner l'outil de cet angle, en contrôlant simultanément l'exactitude de sa position à l'aide du capteur de position de l'outil du clinomètre électronique. La lecture de l'angle de rotation de l'outil dans le forage s'effectue par rapport aux points cardinaux ou au plan apsidal, qui est le plan vertical passant par la tangente à l'axe du forage au point de mesure. L'angle d'inclinaison du forage est déterminé comme étant l'angle entre la verticale et la tangente à l'axe du forage au point de mesure de cet angle. L'azimut est l'angle entre le méridien magnétique et le pla apsidal passant par le point où est mesuré l'azimut. Les angles indiqués sont mesurés à l'aide du cinomètre électronique. le clinomètre électronique est conçu pour fonctionner avec une électroforeuse faisant partie de l'outil. La transmission de l'information des capteurs du clinomètre électronique s'effectue par l'intermédiaire des conducteurs alimentant l'électroforeuse en courant. Dans le cas où le forage est exécuté avec une turboforeuse, pour raccorder le clinomètre électronique décrit on utilise un câble de carottage que l'on descend dans le train de tiges après l'achèvement de la descente de l'outil avec la turboforeuse au front d'attaque. les dispositifs connus pour l'orientation de l'outil dans le forage présentent des inconvénients notables, parmi lesquels il faut citer en premier lieu la précision insuffisante d'orientation de l'outil, conduisant à des écarts importants du forage par rapport à la trajectoire prescrite. De plus, la méthode de calcul de l'angle de position de l'outil pour le maintenir sur la trajectoire prescrite est trop compliquée et longue. les opérations indiquées, par lesquelles on effectue l'orientation de l'outil, sont réalisées plusieurs fois pendant le forage, ainsi qu'après chaque allongement du train de tiges. Il s'ensuit une diminution de la rapidité des interventions et de la précision des mesures, qui sont également tributaires des qualités subjectives de l'opérateur commendant le servomécanisme de l'outil. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués ci-dessus. On s'est donc proposé de créer un dispositif pour l'orientation d'un outil dans un forage, dans lequel le moyen commandant la position de l'outil dans le forage serait réalisé de façon que, pendant le forage, il y ait comparaison continue des valeurs mesurées et prescrites des angles caractérisant la position de l'outil, suivie de la conversion du résultat de la comparaison en signal électrique commandait le servomécanisme de l'outil pour son orientation suivant la trajectoire prescrite. La solution consiste en ce que, dans le dispositif pour l'orientation de l'outil dans le forage, comprenant un clinomètre électronique avec des capteurs d'inclinaison de l'axe du forage par rapport à la verticale, d'azimut du forage et de position de l'outil par rapport au plan vertical tangent à l'axe du forage au point de mesure, engagés dans le forage, et un moyen au jour pour la commande de la position de l'outil avec un servomécanisme commandé par les signaux desdits capteurs en fonction de l'écart des signaux de sortie par rapport aux valeurs prescrites, d'après l'invention le moyen de commande de la position de l'outil compprte trois circuits comparateurs, deux desquels sont raccordés, l'un au capteur et au consignateur d'azimut du forage, l'autre au capteur et au consignateur d'inclinaison du forage, l'un de ces circuits élaborant un signal sinusoïdal, et l'autre, un signal cosinusoidal, ayant chacun une amplitude proportisanelle à la différence entre les signaux du capteur et du consignateur respectifs, ces deux circuits étant raccordés à un sommateur algébrique qui est raccordé en commun avec leapteur de position de l'outil au troisième circuit comparateur dont la sortie est raccordée audit servomécanisme pour commander son fonctionnement ; grtce à un tel montage ltorientation de l'outil est modifiée jusqu'à ce que le signal à la sortie du troisième circuit comparateur devienne nul. le sommateur algébrique peut comporter un transformateur tournant sinus-cosinus monté de façon à déterminer l'hypoténuse et un angle d'après des cotés donnés d'un triangle, avec conversion de l'angle en signal électrique par un transducteur se présentant sous forme d'une résistance variable dont le curseur est lié au rotor du transformateur tournant. Le sommateur algébrique peut aussi entre constitué par deux transformateurs, ayant chacun leur primaire connecté à l'un des circuits comparant les valeurs prescrites et mesurées de l'inclinaison et de l'azimut du forage, les secondaires étant mis en série et connectés à un redresseur sensible à la phase, dont la tension de référence est en phase avec la tension appliquée au pr-isaire Fe l'un transi eurs. Les circuits comparant les valeurs pre-scrites et mesurées de l'inclinaison et de l'azimut du forage peuvent être réalisés sous la forme d'un amplificateur magnétique à sortie à fréquence double par rapport à la fréquence de la tension alimentant ses enroulements de travail, dont l'un est attaqué par la tension sinusoidale, et l'autre, par la tension cosinusoîdale. le dispositif faisant l'objet de l'invention permet de corriger la position de l'outil en continu pendant le forage, en assurant la réalisation du forage suivant la trajectoire prescrite. Ceci résulte du fait que toutes les opérations d'orientation de l'outil (comparaison des valeurs mesurées et prescrites de l'azimut du forage et des angles caractérisant la position de l'outil, et commande de outil), sont automatisées. L'emploi du dispositif proposé permet d'abaisser le prix de revient des trous de forage, réduit la durée du forage gracie à son exécution suivant une trajectoire optimale, c'està-dire par le plus court chemin possible de la bouche du forage au point à atteindre. Le dispositif permet la réalisation du forage le long de la couche productive, l'exécution de forages ramifiés horizontaux et de forages à fronts d'attaque multiples en vue d'augmenter leur débit, ainsi que l'exécution de forages spéciaux pour ltextinction de forages en feu. D'autres objectifs et avantages de l'invention sont mis en évidence dans la description détaillée ci-après d'un exemple de réalisaion non limitatif illustrée par le dessin unique annexé, dans lequel - la figure 1 représente le schéma synoptique d'un dispositif conforme à l'invention - la figure 2 représente le schéma électrique de l'un des circuits comparateurs - la figure 3 représente le shéma fonctionnel du sommateur algébrique. le dispositif proposé comprend un consignateur 1 (figure 1) d'azimut et un consignateur 2 d'inclinaison du forage, raccordés respectivement à des circuits comparateurs 3 et 4, auxquels sont connectés un capteur 5 d'azimut du forage d'un clinomètre électronique 6, et un capteur 7 d'inclinaison du forage. Un sommateur algébrique 8, connecté par ses entrées aux circuits comparateurs 3 et 4, est raccordé par sa sortie, conjointement avec la sortie du capteur 9 de position de l'outil 10, à un circuit comparateur 11 dont la sortie est raccordée à un servomécanisme 12. Le servom canisme 12 comprend le moteur électrique 13, la table de rotation t4 et le train de tiges 15. L'outil comprend un moteur de fond et un déviateur (non représentés sur le dessin). les cafteurs 5, 7 et 9 du clinomètre électronique 6 sont montés au-dessus du moteur de fond, à l'intérieur d'an tronçon amagnétique du train de tiges 15, dans un bottier étanche (non représenté sur le dessin), et fixés sur un cadre mobile avec des masselottes excentrées faisant office de référence verticale ; l'axe de rotation de ce cadre coïncide avec la ligne axiale du tronçon du train de tiges. Chacun des capteurs 5, 7 et 9 est réalisé sous la forme d'un transformateur tournant sinus-cosinus (non représenté sur le dessin) ; le rotor du transformateur tournant constituant le capteur 9 de position de l'outil 10 est calé coaxialement audit cadre, et son stator est solidaire du tronçon du train de tiges 15.Le stator du transformateur tournant constituant le capteur 7 d'inclinaison du forage est monté fixe sur le cadre, de telle façon que l'axe de rotation de son rotor, portant une masselotte excentrée, soit perpendiculaire à l'axe de rotation du cadre. Le capteur 5 d'azimut comporte une tige (aiguille) aimantée montée fixe sur l'arbre du rotor du transformateur tournant, perpendiculairement audit rotor, le stator dudit transformateur étant monté fixe sur un arbre accouplé à une masselotte excentrée, l'axe de cet arbre étant perpendiculaire à l'axe du cadre et à l'axe du rotor du transformateur tournant. Une telle conception des capteurs 5, 7 , 9 assure la correspondance des angles entre le rotor et le stator des transformateurs à l'azimut et à l'inclinaison du forage, ainsi qu a l'angle de position de l'outil 10.Ces angles sont mesurés par les capteurs 5, 7, 9 et transmis par les conducteurs d'alimentation de l'électroforeuse aux appareils enregistreurs au jour (non représ.;ntés sur le dessin) du clinomètre électronique 6. Les circuits comparateurs 3 et 4 sont constitués par un amplificateur magnétique (figure 2); réalisé suivant un montage à sortie à fréquence double de celle de la tension alimentant ses enroulements de travail. Les entrées 16 et 17 de l'amplificateur sont respectivement connectées, par l'intermédiaire de selfs 18 et 19, ê des enroulements 20 et 21 créant des champs en opposition. L'enroulement de travail 22 de l'amplificateur magnétique du circuit comparateur 3 est alimenté par une tension sinusoïdale, et l'enroulement de travail 22 du circuit comparateur 4 est alimenté par une tension cosinusoïdale. le signal de sortie à fréquence double, dont la valeur est proportionnelle au désaccord, est prélevé à l'enroulement de sortie 23 de l'amplificateur magnétique. Les selfs 18 et 19 jouent le r81e de filtres de fréquence double. Les signaux peuvent aussi tre comparés en amont de l'amplificateur magnétique, par exemple à l'aide d'un pont(non représenté sur le dessin) aux bras voisins duquel sont appliquéas en opposition les tensions de sortie du consignateur et du capteur d'inclinâison ou d'azimut du forage, la sortie du pont pouvant entre connectée à l'une des entrées 16 ou 17 de l'amplificateur magnétique. Le sommateur algébrique 8 sert à déterminer l'angle nécessaire d'orientation de l'outil 10. il est constitué par un transformateur tournant sinus-cosinus 24 (figure 3) monté de façon à déterminer l'hypoténuse et un angle d'après des côtés donnés d'un triangle. tun des enroulements - enroulement 25 du rotor du sommateur 8 est raccordé à,un moteur 27 par l'intermédiaire d'un amplificateur 26. L'arbre du moteur 27 est accouplé au rotor du transformateur 24 et aucurseur du potentiomètre circulaire 28, qui est utilisé en tant que transducteur convertissant les angles en signal électrique. Les enroulements d'entrée 29 et 30 du stator du transformateur 24 sont respectivement alimentés par une tension sinusoidale et une tension cosinusoidale. Selon la valeur de cette tension aux enroulements 29 et 30, le moteur 27 met le rotor du transformateur 24 dans une position telle que la tension à la sortie de l'enroulement 25 du rotor soit nulle. La rotation du rotor du transformateur 24 est suivie de la rotation du curseur du potentiomètre circulaire 28, auquel est prélevé un signal de sortie proportionnel à l'angle de rotation du rotor, signal qui est le signal de sortie du sommateur algébrique 8. Le sommateur algébrique 8 peut être constitué par deux transformateurs (non représentés sur le dessin), dont les primaires sont connectés aux circuits comparateurs 3 et 4, et dont les secondaires sont associés en série et connectés à un redresseur sensible à la phase, auquel est appliquée une tension de référence sinusoïdale de mimes fréquence et phase que la tension appliquée au primaire de l'un des transformateurs. le circuit comparateur 11 peut être un pont dont les bras voisins sont attaqués par les signaux à comparer en opposition, provenant du capteur 9 et du sommateur algébrique 8. Les consignateurs 1 et 2 sont des potentiomètres circulaires dont les échelles sont graduées en degrés. le dispositif fonctionne de la façon suivante. Pendant le forage, les tensions issues des consignateurs 1 et 2, qui sont respectivement directement proportionnelles aux valeurs prescrites de l'inclinaison et de l'azimut à une profondeur prédéterminée du forage, sont comparées par les circuits 3 et 4 aux tensions issues des capteurs 5 et 7, lesquelles sont proportionnelles à l'inclinaison et à l'azimut mesurés du forage. Le résultat de la comparaison effectuée par le circuit 3 est converti en tension sinusoidale, et celui de la comparaison effectuée par le circuit 4 est converti en tension cosinusoidale. Le sommateur algébrique 8 additionne ces deux tensions, et fournit à sa sortie une tension qui correspond à l'angle requis de changement d'orientation de l'outil 10. Le circuit comparateur t1 compare la tension issue du sommateur 8 à la tension issue du capteur 9, laquelle correspond à la position de l'outil 10 dans le forage, mesurée par le clinomètre 6. Le signal issu du circuit il attaque le servomécanisme 12 comportant le moteur électrique 13. Ce servomécanisme, en agissant par l'intermédiaire de la table de rotation 14 et du train de tiges 75, met l'outil 10 dans une position telle que le signal à la sortie du circuit 71 soit nul. L'oktention d'un signal nul à la sortie signifie que la position de l'outil 10 mesurée par le clinomètre 6 correspond à la tension issue du sommateur 8, ctest-à-dire que l'outil 10 est orienté à l'angle qui assurera le forage suivant la trajectoire prescrite. Pendant toute la durée du forage, le dispositif maintiendra automatiquement l'outil 10 dans la position nécessaire, assurant l'obtention de l'inclinaison et de l'azimut voulus du forage sur toute sa longueur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REE7'TDICATICLTS 1. Dispositif pour l'orientation d'un outil dans un forage, comprenant un clinomètre électronique avec des capteurs engagés dans le forage, dont un capteur d'inclinaison de l'axe du forage par rapport à la verticale, un capteur d'azimut du forage et un capteur de position de l'outil par rapport au plan vertical tangent à l'axe du forage au point de mesure, et un moyen au jour ou de surface pour la commande de la position de l'outil avec un servomécanisme commandé par les signaux desdits capteurs en fonction de l'écart de leurs signaux de sortie par rapport aux valeurs prescrites, caractérisé en ce que le moyen de commande de la position de l'outil de forage comporte trois circuits comparateurs, deux desquels sont raccordés, l'un au capteur et au consignateur d'azimut du forage, l'autre au capteur et au consignateur d'inclinaison du forage, l'un de ces circuits élaborant un signal sinusordal, et l'autre, un signal cosinusoïdal, l'amplitude de chacun de ces signaux étant proportionnelle à la différence entre les signaux du capteur et du consignateur respectifs, ces deux circuits étant raccordés à un sommateur algébrique qui est raccordé en commun avec le capteur de position de l'outil au troisième circuit comparateur, dont la sortie est raccordée audit servmécanisme pour commander son fonctionnement, ce qui assure la modification de l'orientation de l'outil jusqu'à ce que le signal à la sortie du troisième circuit comparateur devienne nul. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommateur algébrique comporte un transformateur tournant sinus-cosinus monté de façon à déterminer l'hypoténuse et l'angle d'après des cotés donnés d'un triangle, avec conversion de l'angle en signal électrique par un transducteur se présentant sous la forme d'une résistance variable dont le curseur est relié au rotor du transformateur tournant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommateur algébrique est constitué par deux transformateurs et un redresseur sensible à la phase, l'enroule- ment primaire de chacun desdits transformateurs étant connecté à l'un des circuits de comparaison des valeurs prescrites et mesurées de l'inclinaison et de l'azimut du forage, tandis que leurs enroulements secondaires sont raccordés en série et sont connectés au redresseur sensible à la phase, dont la tension de référence est en phase avec la tension appliquée à l'enroulement primaire de l'un des transformateurs. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les circuits de comparaison des valeurs prescrites et mesurées de l'inclinaison et de l'azimut du forage sont réalisés sous la forme d'unanplificateur magnétique à sortie à fréquence double de celle de la tension alimentant ses enroulements de travail, dont l'un est attaqué par la tension sinusoldale, et l'autre, par la tension cosinusoïdale.