Brevet FR2398875A1 — publié le 19790223

La présente invention concerne un outil permettant de carotter tout en forant et plus particulierement un entralnement dans cet outil permettant de carotter tout en forant, qui utilise une valve tournante motorisée positionnée dans le fluide de forage pour produire un signal sous forme d'onde de pression représentatif de l'état de la carotte. Il y a longtemps que l'on a reconnu qu'il était souhaitable de disposer d'un systeme qui soit capable de mesurer au fond les paramètres de forage et/ou les caractéristi- ques de la formation et de les transmettre a la surface tandis que l'on effectue le forage effectif d'un puits dans le sol. Plusieurs vels systèmes ont été proposes et on sty réfère commu nément comme a des systèmes "carot'age tout en forant". Dans les systèmes ae carottage tout en forant, l'un des principaux problèmes qui se présentent est de trouver le circuit et les communications nécessaires pour télémétrer l'information depuis sa positon au fond et pour obtenir qu'elle parvienne & la surface en bon état de compréhension. Dans ce but, on a proposé de télémétreur l'information désirée au moyen d'un signal sous forme d'une onde de pression acoustique produite dans et transmise a travers le circuit de boue en mouvement normalement associé aux opérations de forage d'un puits Le signal sous forme d'onde de pression qui est représentatif de l'état au fond est produit dans la boue au fond près du trépan par un moyen de production d'un signal et l'onde voyage jusqu'au haut du trou a travers la boue pour parvenir a un appareil de traitement du signal en surface. Un système de carottage tout en forant utilisant ce principe de télémétrie est exposé et entièrement décrit dans le brevet US 3.309.656 au nom de John K. Godbey, émis le 14 Mars 1967. Dans le têlémétrage, au fond, d'une information au moyen d'un signal sous forme d'onde de pression acoustique portée par la boue comme mentionné ci-dessus, une considération importante est de savoir comment l'information est effectivement encodée pour constituer le signal sous forme d'onde continue. Un système pour encoder l'information sous forme d'un tel signal est expose et entièrement décrit dans le brevet U.S. 3.789.355 au nom de B.J. Patton, Emis le 29 Janvier 1974. Ce système comporte une valve tournante entraînée a vitesse constante pour produire dans le courant de boue un signal de pression continu verrouillé en phase.Un moteur électrique qui entraîne la valve par l'in termédiaire d'un entraînement répond à un signal représentant un élément de l'information mesurée au fond pour produire un décalage de phase dans la signal de pression en accélérant ou en ralentissant la rotation de la valve. Le rotor et le stator qui forment la valve tournante utilisée dans de tels systèmes de carottage tout en forant agissent naturellement comme une turbine à boue dans le courant de boue et par conséquent sont sujets à produire des couples hydrauliques qui sont fonction à la fois des paramètres de la boue et de la conception de la valve.Il s' ensuit que le moteur d'entraînement de la valve doit être capable de donner un couple maximum énal a la somme de rl) les couples produits par suite de pertes par frottement dans l'appareil de carottage tout en forant au fond ; (2) le couple hydraulique produit par la valve tournante ; et (3) les couples necessaires pour maintenir la vitesse de la valve et accélérer et décélérer la valve pour donner les decalages nEcessaires de phase.Là où la valve tournante est conçue pour ne donner que peu ou pas de couple hydraulique aux conditions nominales de la boue, comme c'est normalement le cas dans les systèmes décrits dans le brevet U.S. 3.789.355, l'entraînement entre le moteur et la valve comprend normalement une transmission à réduction de vitesse qui présente une haute efficacité pour transmettre le couple dans les deux directions, c1 est-à-dire depuis le moteur vers la valve et depuis la valve vers le moteur. Un tel entraînement est décrit dans le brevet U.S. 3.705.603 au non de D.E. Hawk, délivré le 12 Décembre 1972. Theoriquerent toutefois, il est plutôt désirable de concevoir les caractéristiques de la turbine que constitue la valve de telle sorte que la valve elle-meme produise un couple hydraulique suffisant dans les conditions nominales de la boue pour entraîner la valve à la vitesse nécessaire pour produire le signal de pression constante désiré. Ceci en effet dFchaxge le moteur et laisse substantiellement la totalité de la puissance du moteur disponible pour que l'accélération et la décélération de la valve produise les décalages de phase désirés du signal de pression constante. INalheureusement toutefois, si la valve est conçue pour donner le couple hydraulique nécessaire pour perri.ettre le meilleur mode de fonctionner.ent du moteur, elle est également la cause des variations importantes dans ledit couple hydraulique lorsque -les conditions de la boue se modifient. Avec une transmission par réduction de vitesse du type indiqué dans le brevet U.S. 3.705.603, ces variations de couple peuvent etre à 1 1origine de charges dynamiques substantielles sur le moteur qui, à leur tour doivent être compensées par le moteur.Par conséquent1 si la valve tournante est conçue pour produire un couple positif pour faciliter l'entraînement de la valve, il est souhaitable d1 éviter que ce couple positif ne puisse être transféré en retour au moteur à travers l'entraînement. L'invention fournit un appareil de carottage tout en forant où un moteur et une valve tournante, produisant un signal, sont couplés par l'intermédiaire d'un entraînement qui comporte une transmission de réduction de vitesse à efficacité asymétrique, qui isole effectivement le moteur des couples hydrauliques produits par le débit de boue à travers la valve. En décrivant la transmission comme étant d'une efficacité asymétrique, on entend que la transmission tranfère le couple d'une extrémité à l'autre, c'est-à-dire de l'entrée à la sortie avec une efficacité plus grande qu'elle ne le fait dans le sens opposé, par exemple de la sortie vers l'entrée. La transmission dans le présent entrainement va transférer le couple depuis le moteur jusqu't la valve avec une efficacité relativement bonne, c'est-à-dire 50 8, mais ne transférera pas substantiellement de couple depuis la valve vers le moteur, c'est-a-dire efficacité Q %, isolant effectivement par 1à le moteur des couples hydrauliques produits par la valve. Avec l'entraînement à efficacité asymétrique, la valve tournante du présent appareil de carottage tout en forant peut être conçue de sorte que le débit de boue à travers la valve, dans les conditions nominales, entrain la valve à la vitesse desirée, laissant donc au moteur de l'appareil le soin de n'entraîner quB lui-même et d'effectuer les changements nécessaires dans la vitesse de la valve pour encoder l'information dans le signal produit. Du fait que le couple créé par la valve ne va pas être transmis, par l'entraînement à efficacité asymdtrique au moteur, tout changement dans les paramètres de la boue à partir desdites conditions nominales ne va pas causer de surcharges dynamiques au moteur. De par sa structure, le présent appareil de carottage tout en forant comprend un bâti adapté pour être monté à l'extrémité in5-rrieure d'un train de tiges --- d'un système de forage du sol. Un moyen de production d'un signal ctest- -dire une valve tournante avec un rotor et un stator à fentes est placée sur le bâti de telle façon que au moins une partie du fluide de forage qui débite a travers lele C de va va passer à travers la valve. Un moteur dans le bâti entraîne le rotor de la valve par l'intermediaire d'un entraînement. Au moins un transducteur de carottage est associé à 1'appareil pour explorer certaines conditions souhaitées au fond et produire un signal qui en est représentatif.Ce signal est appliqué au moteur par l'intermédiaire d'un circuit de commande dans le bâti pour commander le fonctionnement du rotor et par 1à, encoder l'information recueillie en un signal émis par la valve. L'entraînement comporte une transmission avec un carter. Un arbre d'entrée tourillonne dans le carter et est accouplé à une extrémité de l'arbre d'entraînement du moteur. Fixé à l'autre extrémité de l'arbre d'entrée et substantiellement perpendiculaire à celui-ci, se trouve un engrenage conique qui à son tour entralne -deux couronnes coniques diamétralement opposées dont les axes sont fixes au carter et qui sont perpendiculaires à l'axe de l'arbre d'entrée. Chaque couronne conique présente sur sa surface interne un engrenage en forme de filet hélicoïdal complet. Un arbre de sortie qui est couple à une extrémité du rotor de la valve tourillonne dans le carter et présente à son autre extrémité un engrenage menant qui est entraîné par les engrenages en filet hélicoïdal sur les couronnes coniques respectives.Non seulement, cette transmission fournit la réduction désirée de vitesse entre le moteur et la valve mais elle fonctionne également tout-à-fait de la même façon qu'une disposition par vis sans fin en ce que un couple appli- que à l'arbre d'entrée va entraîneur efficacement l'arbre de sortie mais qu'un couple appliqué à 11 arbre de sortie ne va pas entraîner l'arbre d'entrée. Ceci permet a la valve d'être conçue pour fournir un couple hydraulique positif sous les conditions nominales de la boue mais évite que le couple hydraulique ne soit transmis au moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in vention seront mieux compris à la lecture de la descriptson qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexes, sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en élévation; partiellement en coupe, d'un appareil de carottage tout en forant en accord avec l'invention - la figure 2 est une vue détaillée en coune de la transmission dans l1entraînement de l'invention - la figure 3 est une vue en coupe prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2 t et - la figure 4 est une vue en coupe prise le long de la ligne 4-4 de la figure 3. Comme il est bien connu dans cet art, un appareil de forage du sol (non représenté) comporte normalement un train -- de tiges, c'est-a-dire un train -- de forage qui porte à son extrémité inférieure un trépan de forage. Le train de forage peut être entraînée en rotation par des moyens moteurs en surface ou bien le trépan de forage peut être entraîné par des moyens noteurs au fond, par exemple le turboforage, pour effectuer le forage d'un puits. Le fluide de forage ou boue est pompé jusqu'en bas de la colonne de forage, ressort a travers des ouvertures dans le trépan et remonte à la surface par la couronne annulaire forée entre la colonne de forage et la paroi du puits que l'on fore.L'invention concerne un appareil qui est placé au fond de la colonne de forage pour explorer et télémétrer au fond l'information vers la surface pendant les opérations de forage au moyen d'une onde de pression acoustique produite dans la boue de forage, En se reportant plus particulierement aux dessins, la figure 1 présente un appareil 10 de carottage tout en forant, avec un bâti 11 placé à l'intérieur de la tige de forage 12. Comme il est bien connu dans cet art, la tige 12 est filetée à ses deux extrémités de sorte qu'on neut la relier et former ainsi un élément du train de tige de forage dans un appareil de forage du sol. Située 3 l'extrémité inférieure du bâti 11 se trouve une turbine à boue 13 qui est entrainéepar la boue de fora ge dans ce qu'elle s 'écoule dans la tige 12 pendant les opérations de forage.La turbine 13 à son tour entraîne la gSnGratrice électrique 14 qui fournit la puissance électrique nécessaire pour le fonctionnement de l'appareil 10. L'énergie électrique en provenance de la génératric 14 est transmise, par l'intermé- diaire de l'appareil de commande 15, au moteur 16 qui à son tour entraille le rotor 17 du dispositif de production des signaux c' est-a-dire par exemple la valve 18, par l'intermédiaire de l'entralnem.ent 20. Le rotor 17 présente des fentes 17a qui, lorsqu'elles ne sont pas alignées avec les fentes 19a du stator 19, font que le débit de boue de forage à travers la valve 18 est au moins partiellement interrompu. Cette ouverture et fermeture de la valve 18 fait qu'un signal constitué d'une onde de pression acoustique est produit dans la boue de forage. La vitesse à laquelle le rotor 17 tourne détermine certaines caractéristiques, par exemple la fréquence et la situation de phase de l'onde de pression acoustique que l'on produit. Au moins un transducteur capable de mesurer une condition désirée au fond et de convertir ladite mesure en un signal électrique correspondant est placé au fond sur ou près de l'appareil 10. Comme représenté, le transducteur 40, par exemple une jauge de contrainte, est placée sur la tige de forage 12 pour mesurer la poussée sur le trépan au fond. Le signal émis par le transducteur 40 est appliqué à l'unité de commande 15 à partir de laquelle il est encodé en le signal produit par la valve 18. Une méthode pour encoder l'information dans l'onde de pression acoustique, y compris les détails de l'unité de commande 15, est décrite et exposée dans le brevet U.S. de l'inventeur 3.789.355 délivré le 29 janvier 1974. Dans des outils de carottage tout en forant du type exposé dans.le brevet U.S. 3.789.355, la valve de production des signaux est de préférence conçue pour ne pas fournir de couple hydraulique aux conditions nominales de la boue. Le moteur fournit toute l'énergie à la fois (1) pour faire tourner la valve à vitesse constante pour produire une onde de pression ddfinie et (2) pour accélérer et ralentir la valve pour effectuer les décalages nécessaires de phase pour coder l'information sous forme du signal. Un entraînement rEduc- teur de vitesse, à haute efficacité, du type exposé dans le brevet U.S. 3.705.603, délivré le 12 Décembre 1972 est normalement utilisé dans de tels outils pour relier le moteur à la valve. Ce type d'entraînement transmet le couple depuis l'entrée vers la sortie et depuis la sortie vers l'entrée avec substantiellement la même haute efficacité de sorte que tout couple hydraulique produit par la valve est naturellement transmis au moteur par l'intermédiaire de l'entraînement et peut causer une charge dynamique du moteur sous certaines conditions 'l'entraînement 20 de l'invention comporte une transmission à réduction de vitesse d'efficacité asymetrique 21 '(figure 2) qui accouple l'arbre d'entraînement 16a du moteur 16 à l'arbre de rotor 17b de la valve 13 pour permettre au couple d'être efficacement transmis depuis le moteur 16 vers le rotor 17 mais qui , également, isole effectivement le moteur 16 du couple hydraulique produit par la valve 18.Ceci permet à la valve 18 d'être conçue de sorte que ses caractéristiques de turbine produisent un couple hydraulique suffisant sous les conditions nominales de la boue pour entraîner en rotation le rotor 17 à une vitesse constante désirée pour produire une onde de pression constante a verrouillage de phase dans la boue puisque le couple produit par la valve n'affecte pas le moteur même si les condi- tions de la boue changent. Ceci, efectivement, décharge le moteur 16 pendant le fonctionnement normal et permet d'utiliser sa pleine puissance pour obtenir l'accélération et la déc & éra- tion nécessaires du rotor 17 nécessitées pour les décalages désirés de phase dans les signaux produits. Comme indiqué sur les figures 2-4 r la transmis~ sion 21 comporte un carter 21 a avec un arbre d'entrée 22 qui tourillonne par une extrémité dans les roulements 23. L'arbre d'entrée 22 est adapté pour être relié a une extrémité à l'arbre d'entraînement 16a du moteur 16 et pour porter à son autre ex trématé le pignon conique d'entraînement 24. Le pignon conique d'entraînement 24 engrène avec et entraîne deux couronnes dentées coniques diamétralement opposées 25, 26 qui tourillonnent respectivement sur'les axes 27, 28 par les paliers 29, 30 respectivement.Les couronnes coniques 25, 26 présentent des engrenages 31, 32 en forme de filet hélocoidal, formé dans ou fixé à leur surface interne, respectivement, qui engrènent avec et entraînement la roue menée 33 de l'arbre de sortie 34. Ltarbre de sortie 34 est adapté pour être relié a l'arbre de rotor 17b. En fonctionnement, le moteur 16 entraîne l'arbre d'entrée 22. Un embrayage de sécurité (non représenté) tel que décrit dans le brevet U.S. 3.705.603 est de préférence installé entre l'arbre 4'entraInement 16a et l'arbre d'entrée 22 pour pro téger le moteur et l'entraînement dans le cas où la valve 18 gripperait. L'arbre d'entrée 22, par l'intermédiaire du pignon d'entraînement 24 fait tourner les deux couronnes dentées coniques 25, 26, obligeant par là les engrenages a filet hélicoïdal 31 32 respectivement d entraîner l'arbre de sortie 34 par l'interlnediaire de la roue menée 33.Les engrenages à filets 31, 32 agissent de la même façon qu'un engrenage à vis sans fin en ce sens que si les engrenages 31, 32 sont entraînés en rotation, ils entraînent la roue menée 33 avec un bon rendement, par exemple 50 *. Toutefois, un couple appliqué à la roue menée 33 n'entraîne pas en rotation les engrenages à filet heticoldal 31, 32. Comme on le voit à partir de la description cidessus, l'invention fournit un appareil de carottage tout en forant qui, lorsqu'on utilise le codage par un décalage de phase pour transmettre l'information du fond, présente les propriétés suivantes en ce qui concerne le couple moteur. Dans le mode en verrouillage de phase, en fonctionner.lent å vitesse constante, un couple hydraulique excessif produit par la valve 18 est dissipé dans l'entraînement 20 de sorte que le moteur 16 fournit la puissance nécessaire pour son propre entraînement et agit comme "frein à rendement infini" à l'égard de tout couple hydraulique en excès. Dans le mode à décalage de phase, le moteur 16 doit accelérer et décé lerer.Pendant l'acoelération, le couple hydraulique facilite l'accélération du rotor 17 du côté sortie de l1entraînement 20 mais ne peut pas être transférée en retour par l'intermédiaire de l'entraînement 20.En conséquence le moteur 16 doit fournir toute la puissance nécessaire pour son propre entraînement et sa propre accélération. Dans le cas typique ot le couple hydraulique donne au rotor 17 une accélération inférieure à celles que le moteur se donne àlui-même, alors le moteur 16 va transférer le couple par l'intermediaire de l'entrainement 20 avec un bon rendement, par exemple 50 %. Les propriétés d'accélération nette sont très bonnes.Dans le mode décélération, les couples hydraulique et d'inertie du côté sortie de l'entraînement 20 sont dissipés dans la transmission 21, mais rien ntest ajouté ni soustrait au. couple moteur. Le moteur 16 fournit la puissance pour sa propre décélération. Le résultat final est que l'on obtient une très bonne régulation durant le mode à verrouillage de phase et que durant le mode à décalage de phase, toute la puissance du moteur est utilisée pour I'accélérer et le décelérer lui-même, fournissant ainsi des décalages de phase rapides. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'etre décrits, uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Outil pour carottage tout en forant caractérisé en ce qu'il comprend un bâti adapté pour être placé dans un train de tige d'un appareil de forage du sol où un fluide de forage qui passe par le train de tige circule autour dudit bâti ; une valve tournante placée sur ledit bâti de sorte que au moins une partie du fluide de forage passant nar le train de tige circule å travers ladite valve, ladite valve ayant un arbre qui tourillonne sur ledit bâti; un moteur dans ledit bâti ayant un arbre d'entraînement et une caractéristique de fonctionnement déterminée par une condition mesurée ci fond par ledit outil ; et un entraînement reliant ledit arbre d'entraîne- ment dudit moteur audit arbre de ladite valve tournante, ledit entraînement comprenant des moyens pour transmettre le couple dudit arbre d'entrainement dudit moteur audit arbre de ladite valve tournante et pour interdire la transmission du couple dudit arbre de ladite valve tournante audit arbre d'entraînement dudit moteur. 2. Outil de carottage tout en forant selon la revendication 1,caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission de couple comprennent une transmission à rendement asymétrique comprenant un carter un arbre d'entrée qui tourillonne dans ledit carter et est relie audit arbre d'entraînement dudit moteur un arbre de sortie qui tourillonne dans ledit carter et est relié audit arbre de ladite valve tournante ; et des engrenages pour relier ledit arbre d'entrée audit arbre de sortie pour transmettre le couple depuis ledit arbre d' entrée vers ledit arbre de sortie et pour interdire la transition du couple depuis ledit arbre de sortie vers ledit arbre d'entrée. 3. Appareil de carottage tout en forant selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits engrenages compren nent un engrenage menant fixé audit arbre d'entrée au moins une couronne dentée tourillonnant sur un axe dudit carter perpendiculaire à l'axe dudit engrenage menant, ladite autnoins une couronne dentée entant entraînée par ledit engrenage menant un engrenage à filet hélicoïdal porté par ladite au moins une couronne dentée ; et une roue menée fixée audit arbre de sortie et étant menée par ledit engrenage à filet hdlicoidal. 4. Appareil de carottage tout en forant selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits engrenages comprennent -------- plus d'une couronne dentée tourillonnant sur des axes respectifs sur ledit carter, chacune desdites couronnes dentées comprenant un engrenage à filet hélicoïdal qui engrène avec ladite roue menée sur ledit arbre de sortie.