Brevet FR2494340A1 — publié le 19820521

i La présente invention, concernant des forages, est plus spécifiquement relative à des appareils de si- gnalisation se trouvant L l'intérieur d'un trou de mine ou "puits" en cours de forage et elle est relative plus particulièrement à un transmetteur de signaux, fonction- nant au fond du trou, d'un système de télémétrie par pulsations de boue. On a proposé divers types de systèmes de me- sure au cours du forage (dits MWD) servant à effectuer des mesures à l'intérieur d'un trou de mine alors que le forage est en cours et à transmettre les résultats de la mesure à la surface. Néanmoins, à l'heure actuelle, un seul type d'un tel système a été un succès commercial et celui-là est le système de te1émttrie dit par pulsa- tions de boue. Dans ce système, le courant de boue qui passe le long du train de tiges jusqu'au trépan de forage, puis revient par l'espace annulaire compris entre le train de tiges et la paroi du trou dans le but de lubri- fier le train de tiges et d'évacuer les produits de fo- rage, est utilisé pour transmettre les grandeurs de la mesure à partir d'un instrument de mesure situé au fond du trou jusqu'à un récepteur et à un ordinateur à la surface. Ceci est effectué en modulant la pression de la boue au voisinage de l'instrument de mesure sous la commande du signal de sortie électrique fourni par l'ins- trument de mesure et en détectant les pulsations de boue résultantes à la surface au moyen d'un transducteur de pression. Les systèmes de télémétrie courants par pul- sations de boue utilisent un transmetteur de signal, fonctionnant au fond du trou, qui est incorporé dans la masse-tige. Par conséquent, ces systèmes offrent l'in- convénient qu'en cas de panne des instruments dans le transmetteur, il faille retirer tout le train de tiges pour pouvoir remplacer la partie défectueuse. De plus, la fabrication de la combinaison de la masse-tige et du transmetteur est très coûteuse. Un tel système comprend une turbine qui est entraînée par le courant de boue et qui entraîne un gé- nérateur électrique fournissant l'énergie d'alimentation à l'instrument de mesure. La turbine entraîne également une pompe hydraulique pour déplacer un organe de réglage de l'étranglement de façon à produire les pulsations de boue requises. Le déplacement de l'organe de réglage de l'étranglement est déterminé par le signal de sortie électrique de l'instrument de mesure. Néanmoins, il est extrêmement important que la boue ne pénètre aucune- ment dans le bottier contenant ----le générateur élec- trique et le mécanisme associé; en-conséquence un joint tournant entoure l'arbre qui couple la turbine au géné- rateur. Ce joint est de fabrication difficile et sujet à des défauts de fonctionnement qui peuvent entraîner la nécessité de retirer tout le train de tiges et de remplacer la masse-tige. L'invention a notamment pour objet de fournir un transmetteur de signaux émettant du fond du trou et de construction générale améliorée pour un système de télémétrie par pulsations de boue. Conformément à l'invention, on prévoit un trans- metteur de signaux du fond du forage pour un système de télémétrie par pulsations de boue, comprenant un étran- glement d'écoulement qui définit un orifice d'étrangle- ment pour la boue passant le long d'un train de tiges, un organe cde réglage de l'étranglement pouvant être dé- placé par rapport à l'orifice d'étranglement de façon à faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement, des moyens de commande pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement de façon à moduler la pression de la boue, et un turbogénérateur comprenant une roue à aubes disposée de façon à être entraînée par la boue passant le long du train de tiges j5 et un générateur électrique disposé dans un environnement exempt de boue à l'intérieur d'un bottier, la roue à aubes étant couplée magnétiquement au générateur élec- trique de façon à lui appliquer un couple d'entraînement. Une telle disposition est particulièrement convenable et commode parce que non seulement elle per- met de produire la puissance électrique requise pour faire fonctionner l'instrument de mesure et/ou d'autres dispositifs, mais également elle permet de maintenir le générateur dans un environnement non souillé par un flui- de à l'intérieur du bottier, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un joint tournant entre la roue à aubes et le générateur. De préférence, le turbogénérateur inclut un ensemble d'aimants tournant à l'intérieur du bottier qui est adapté à tourner avec la roue à aubes et qui est couplé au générateur et la roue à aubes comprend une bague électriquement conductrice qui entoure le bot- tier au voisinage de l'ensemble d'aimants tournant, de façon que lorsque la roue à aubes est amenée à tourner sous l'effet du courant de boue, des courants tourbil- lonnaires sont induits dans la bague électriquement con- ductrice par le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants et l'ensemble d'aimants est amené à tourner avec la roue à aubes en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants et le champ magnétique associé aux courants induits. La bague électriquement conductrice comprend de préférence un anneau en matériau tel que du cuivre ayant une con- ductivité électrique élevée à l'intérieur duquel des courants tourbillonnaires peuvent être induits, entouré par un anneau en matériau fortement magnétisable tel que l'acier, qui peut procurer un trajet de retour pour le flux magnétique. Suivant une autre solution possible la roue à aubes peut comprendre une bague magnétisable entourant le bottier au voisinage de l'ensemble d'aimants tournants, de sorte que lorsque la roue à aubes est amenée à tour- ner sous l'effet du courant de boue, l'ensemble d'aimants est amené à tourner avec la roue à aubes en raison de l'attraction magnétique entre l'ensemble d'aimants et la bague aimantée. La bague magnétisable est de préfé- rence une bague à hystérésis, c'est-à-dire un anneau en matériau ferromagnétique tel que de l'acier au cobalt à 35% présentant une force coercitive élevée et par con- séquent une boucle d'hystérésis de grande aire, car la grandeur du couple qui peut être transféré par la bague à l'ensemble d'aimants dépend de l'aire de la boucle d'hystérésis. De préférence, l'ensemble d'aimants est cons- titué par un assemblage d'aimants à terres rares, c'est- à-dire un ensemble d'aimants employant des aimants tels que ceux au samarium-cobalt, qui incorporent des éléments terres rares. Ces éléments ont une force coercitive très élevée, de sorte que même si on les utilise avec une conformation de boucle ouverte, les aimants peuvent être capables d'induire des courants tourbillonnaires appré- ciables dans la bague électriquement conductrice ou de saturer magnétiquement la bague magnétisable. En outre, il est presque impossible de démagnétiser de tels aimants. Afin que l'invention puisse être plus facile- ment comprise, on va décrire maintenant une forme pré- férée de transmetteur de signaux placé au fond du trou et conforme à l'invention, à titre d'exemple non limi- tatif, avec référence aux dessins ci-annexés, sur les- quels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie supérieure du transmetteur; la figure 2, une coupe longitudinale d'une partie centrale du transmetteur; la figure 3, une coupe longitudinale d'une partie inférieure du transmetteur; et la figure 4, une coupe longitudinale d'une partie de la portion inférieure, effectuée le long de la ligne IV-IV de-la figure 3. Le transmetteur de signaux 1 représenté, lors- qu'il est en service, est installé à l'intérieur d'une masse-tige non magnétique et couplé à un instruîent de mesure disposé dans un bottier à cet effet, étanche à la pression, qui est installé à l'intérieur de la masse- tige, immédiatement en dessous du transmetteur 1. La masse-tige est disposée à l'extrémité d'un train de ti- ges à l'intérieur d'un trou de mine en cours de forage et l'instrument de mesure peut servir à contrôler l'in- clinaison du trou de mine au voisinage du trépan au cours du forage par exemple. le transmetteur de signaux 1 sert à transmettre les résultats de la mesure à la surface sous la forme de pulsations de pression, en modulant la pres- sion de la boue qui passe le long du train de tiges vers le bas. Ce transmetteur 1 est constitué sous forme d'une unité séparée et installé à l'intérieur de la masse-tige de façon à pouvoir en être extrait, par exemple au cas d'une panne d'instrument, en insérant un câble et en le faisant descendre le long du train de tiges et en ap- pliquant le câble sur un col de repêchage du transmet- teur, par exemple au moyen d'un dispositif de saisie en soi connu à l'extrémité du câble et en tirant et en re- montant le transmetteur le long du train de tiges par l'extrémité du câble. En se référant aux figures 1 à 3, le transmet- teur 1 inclut un conduit 2 qui présente à son extrémité supérieure un étranglement d'écoulement annulaire 4 défi- nissant un orificec d'étranglement 6 pour la boue qui descend le long du train de tiges dans la direction de la flèche 8. A l'intérieur du conduit 2 il y a un boî- tier allongé 10 supportant à son extrémité supérieure, au voisinage de l'orifice d'étranglement 6, un organe de réglage 12 de l'étranglement qui peut se déplacer par rapport au bottier 10 dans la direction de l'axe du conduit 2 pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement 6. L'organe 12 est solidaire d'un arbre 14 passant dans le bottier 10, l'espace compris à l'intérieur du bottier 10 étant rem- pli d'huile hydraulique afin d'assurer un équilibre de pression hydrostatique et étant fermé de manière étanche à son extrémité supérieure par un diaphragme Viton 16 s 'avançant entre la paroi intérieure du bottier 10 et l'arbre 14. Le boîtier 10 est monté de façon rigide à l'intérieur du conduit 2 par trois ailes-supports supé- rieures 18 et trois ailes-supports inférieures 20 s'é- tendant dans le sens radial, entre le boîtier 10 et le conduit 2, de façon à offrir un intervalle annulaire entre le bottier 10 et le conduit 2 pour l'écoulement de la boue. Une roue à aubes 22, comportant une série d'au- bes 24, réparties à sa périphérie et inclinées d'un cer- tain angle par rapport à la direction d'écoulement de la boue, entoure le boîtier 10 et est supportée par un épaulement 26 du boîtier 10 au moyen d'un palier-butée 28 rempli de PTFE (polytétrafluoroéthylène). Les aubes 24 sont montées sur un corps 30 en acier magnétisable qui entoure une bague d'entraînement en cuivre 32. Un ensemble d'aimants à terres rares 34 est porté par un arbre annulaire 36 monté de façon à pouvoir tourner à l'intérieur du boîtier 10 au moyen de paliers tels que 38 et comprend six aimants 40 au samarium-cobalt (Sm-Co), répartis à la périphérie de l'arbre 36. Trois de ces aimants 40 ont leur pôle Nord disposé de façon à être orienté vers l'extérieur dans le sens radial et trois autres aimants 40, disposés de façon alternée avec les trois aimants précédents, ont leur pôle Sud dirigé vers l'extérieur dans le sens radial. Lorsque la roue à aubes 22 tourne dans le courant de boue, des courants tourbil- lonnaires sont induits dans la bague d'entraînement en cuivre 32 par le champ magnétique intense associé aux six aimants 40 au Sm-Co, le corps d'acier magnétisable fournissant des trajets de retour pour le flux magné- tique et l'ensemble d'aimants 34, et par suite l'arbre 36, seront amenés à tourner avec la roue à aubes 32 en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé aux aimants 40 et le champ magnétique associé aux courants tourbillonnaires induits dans la bague d'entrainement 32. L'arbre annulaire 36 entraine un rotor 42 de générateur électrique 44 fournissant l'énergie nécessai- re à l'instrument de mesure par l'intermédiaire d'une plaque à échappement 46 circulaire, montée de façon pi- votante à l'intérieur de l'arbre 36 par des broches pi- vota 47, et d'un bras d'entratnement de couple 48 (voir figure 4) attaché à la périphérie de la plaque 46 et disposé de façon à pouvoir rencontrer une broche d'en- traînement 50 attachée à la périphérie du rotor 42. De plus, l'arbre annulaire 36 entraIne une pompe hydrauli- que 52 par l'intermédiaire d'un plateau basculant biseau- té 54 et d'une plaque de poussée de piston associé 56 comportant un chemin de palier 57. La pompe hydraulique 52 comprend huit cylin- - dres 58, dirigés parallèlement à l'axe du bottier 10 et présentant un arrangement annulaire, et un piston plon- geur respectif 60 associé à chaque cylindre 58. L'extré- mité inférieure de chaque piston 60 est sollicitée de façon à être constamment en contact avec la plaque de poussée 56 par un ressort de rappel de piston respectif 62, de sorte que la rotation du plateau 54 avec l'arbre 36 amènera les pistons 60 à effectuer un mouvement de va-et- vient dans le sens axial à l'intérieur de leurs cylindres 58, les huit pistons 60 étant animés d'un mou- vement de va-et-vient cyclique, de sorte que lorsqu'un des pistons se trouve au sommet de sa course, le piston diamétralement opposé se trouvera au bas de sa course et vice-versa. De plus, la pompe 52 comprend un élément de valve tournant 64 monté sur des paliers 65 et prévu pour tourner au synchronisme avec le plateau 54 de ma- nière à appliquer le fluide de sortie de chaque cylindre 58 successivement sur un c8té d'un corps de piston 66 à double effet, disposé à l'intérieur d'un cylindre 68. Le corps à double effet 66 est accouplé à l'arbre 14 de l'organe d'étranglement 12 par un arbre de sortie 70, de sorte que l'organe de réglage d'étranglement 12 peut être déplacé par la pompe 52 pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement 6. Plus particulièrement, l'huile hydraulique remplissant le bo tier 10, qui alimente chacun des cy- lindres 58 à partir d'un c8té du corps à double effet 66, est forcée d'entrer par le piston associé 60 dans un perçage longitudinal respectif 72 ménagé dans un corps de valve 74 qui entoure l'élément de valve tournant 64, lors de la course montante du piston 60. Chacun des per- çages axiaux 72 est coupé dans le sens transversal par un perçage radial supérieur respectif 76 et par un per- çage radial inférieur respectif 78. L'élément de valve tournant 64 est pourvu d'un évidement périphérique su- périeur 80 débouchant à la périphérie de l'élément de valve 64, approximativement sur 1800 d'arc, et arrivant, en haut de l'élément de valve 64, dans la partie infé- rieure 82 du cylindre 68 en dessous du corps de piston 66, et aussi d'un évidement périphérique intérieur 84 (représenté sur la figure 2 en pointillé) débouchant à la périphérie de l'élément de valve 64 approximative- ment sur 1800 d'arc sur le c8té de l'élément de valve 64 opposé à l'évidement périphérique supérieur 80 et arrivant également, dans sa région supérieure, dans un évidement annulaire central 86 ménagé dans l'élément de valve 64. L'évidement annulaire central 86 est maintenu de façon permanente en communication pour le fluide avec un passage annulaire 88 entourant le cylindre 68 et le corps de valve 64 par des passages radiaux (non repré- sentés) passant au travers du corps de valve 74. Le pas- sage annulaire 88 fournit lui-même la communication pour le fluide avec la partie supérieure 90 du cylindre 68 au-dessus du corps de piston 66. Il y a deux phases de rotation possibles de l'élément tournant 64 par rapport à la rotation du bou- clier 54, à savoir une première phase de rotation dans laquelle l'évidement périphérique supérieur 80 communique avec les perçages radiaux supérieurs 76 lors de la course montante des pistons associés 60 et dans laquelle l'évi- dement périphérique inférieur 84 communique avec les perçages radiaux inférieurs 78 lors de la course descen- dante des pistons associés 60; et une deuxième phase de rotation dans laquelle l'évidement supérieur périphé- rique 80 communique avec les perçages radiaux supérieurs 76 lors de la course descendante des pistons associés et dans laquelle l'évidement périphérique inférieur 84 communique avec les perçages radiaux inférieurs 78 lors de la course montante despistons associés 60. Ainsi, pendant la première phase de rotation de l'élément de valve 64, l'entrée de la pompe 52 sera reliée à la partie supérieure 90 du cylindre 68 et la sortie de la pompe 52, à la partie inférieure 82 du cylindre 68, de sorte que le corps de piston 66 et par suite l'organe de ré- glage de l'étranglement 12 seront déplacés vers le haut. Inversement, au cours de la deuxième phase de rotation de l'élément de valve 64, l'entrée de la pompe 52 sera reliée à la partie inférieure 82 du cylindre 68 et la sortie de la pompe 52, à la partie supérieure 90 du cy- lindre 68, de sorte que le corps de piston 66 et l'organe de réglage d'étranglement 12 seront déplacés vers le bas. L'élément de valve tournant 64 est accouplé à un actuateur sensible au couple, comprenant une plaque d'entraînement circulaire 92 disposée en face de la pla- que à échappement 46, par un arbre d'entraînement 94 monté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur de l'ar- bre annulaire 36 grâce à des paliers 96. La plaque d'en- traînement 92 est pourvue > sa périphérie d'une broche entra née 98 qui est attaquée par une première broche d'échappement 100 dans une première position de rotation à la périphérie de la plaque à échappement 46, afin d'a- mener l'élément de valve 64 à être entrainé par l'arbre 35.6 dans la prcmière phase de rotation, ou bien par une deuxième broche d'échappement 102 (voir figure 4) qui est disposée en une deuxième position de rotation décalée de 1800 par rapport à la première position à la périphé- rie de la plaque à échappement 46, afin d'amener l'élément de valve 64 à être entraîné par l'arbre 36 dans la deu- xième phase de rotation. Comme on voit clairement sur la figure 4, qui est une coupe pratiquée le long de la ligne IV-IV de la figure 3, le boîtier 10 et le conduit 2 étant cependant omis, la plaque à échappement 46 est susceptible d'être inclinée autour d'un axc d'inclinaison défini par les broches pivots 47 entre une premièr_ position inclinée (représentée en trait plein sur la figure 4) et une deu- xième position inclinée (représentée en pointillé sur la figure 4). Un ressort de traction 104 sollicite la pla- que à échappement 46 dans sa première position d'incli- naison. Pour des charges électriques relativement fai- bles à la sortie du générateur 44, la plaque à échappe- ment 46 entraînera la plaque d'entraînement 92 dans la première phase de rotation au moyen de la première bro- che d'échappement 100 et entrainera également le rotor 42 du générateur 44 par l'intermédiaire du bras d'entraî- nement de couple 48. Néanmoins, si la charge du généra- teur augmente à un point tel que le couple requis pour entrainer le rotor 42 suffise à surmonter la sollicita- tion du ressort 104, le bras d'entra nement de couple 48 sera amené à incliner la plaque à échappement 46 dans une deuxième position inclinée contrairement à l'action du ressort 104. Ceci amènera la première broche d'échap- pement 100 à se dégager de la broche 2ntraînée 98 de la plaque d'entraînement 92 et la deuxième broche d'échap- pement 102 à rencontrer la broche entraînée 98 après que la plaque à échappement 46 ait tourné de 180 par rapport à la plaque d'entraînement 92. De ce fait, la plaque d'entraînement 92 sera entrainée, dans la deuxième phase de rotation, au moyen de la deuxième broche d'é- chappement 102 et l'alimentation de fluide hydraulique, provenant de la pompe 52, au corps de piston 66 à double effet sera inversée. Naturellement, si ultérieurement la charge du générateur diminue d'une quantité suffisan- te, le ressort 104 inclinera la plaque à échappement 46 en la ramenant dans sa première position inclinée et la plaque d'entra nement 92 sera à nouveau entratnée dans la première phase de rotation. On comprendra par conséquent que si les gran- deurs de la mesure provenant de l'instrument de mesure sont adaptées à faire varier de manière convenable la charge électrique du générateur 44, la phase de rotation de l'élément de valve tournant 64 et par suite la direc- tion de déplacement du corps de piston 66 à double effet varieront avec le signal de sortie de l'instrument de mesure. Ceci amènera à son tour l'organe d'étranglement 12 à se déplacer par rapport à l'orifice d'étranglement 6 pour moduler la pression du courant de boue vers le haut de l'orifice d'étranglement 6 et produira une série de pulsations de pression, correspondant aux résultats de la mesure, qui circuleront vers le haut dans le cou- rant de boue et pourront être détectées en surface par un transducteur de pression situé au voisinage de la sortie de la pompe produisant l'écoulement de la boue. Cette disposition permet par conséquent de transmettre des données sous forme numérique à la surface. REVENDICATI ONS 1. Transmetteur de signaux, fonctionnant au fond d'un trou de forage, pour système de télémétrie par pulsations de boue, comprenant un étranglement d'é- coulement qui définit un orifice d'étranglement pour la boue passant le long d'un train de tiges, un organe de réglage de l'étranglement déplaçable par rapport à l'orifice d'étranglement pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement, des moyens de commande pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement de façon à moduler la pression de la boue et un turbogénérateur comportant une roue à aubes disposée de façon à être entratnée par la boue passant le long du train de tiges et un générateur électrique disposé dans un environnement exempt de boue à l'inté- rieur d'un. boitier, ledit transmetteur étant caractérisé en ce que la roue à aubes (22) est magnétiquement cou- plée au générateur électrique (44) pour lui appliquer un couple d'entratnement. 2. Transmetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le turbogénérateur inclut un en- semble d'aimants rotatifs (34) à l'intérieur du bottier (10), adapté à tourner avec la roue à aubes (22) et couplé au générateur électrique (44). 3. Transmetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue à aubes (22) comprend une bague électriquement conductrice (32) qui entoure le bottier (10) au voisinage de l'ensemble d'aimants rota- tifs (34), de sorte que lorsque la roue à aubes (22) est amenée à tourner sous l'effet du courant de boue, des courants tourbillonnaires sont induits dans la bague (32) électriquement conductrice par le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants (34) et l'ensemble d'ai- mants (34) est amené à tourner avec la roue à aubes (22) en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants (34) et le champ magné- tique associé aux courants induits. 4. Transmetteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague électriquement conductri- ce comprend un anneau (32) en matériau à conductivité électrique élevée, entouré par un anneau (30) en maté- riau fortement magnétisable, qui procure un trajet de retour pour le flux magnétique. 5. Transmetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue à aubes (22) comprend une bague magnétisable entourant le bottier (10) au voisi- nage de l'ensemble d'aimants rotatifs (34) de façon que lorsque la bague (32) est amenée à tourner par l'effet du courant de boue, l'ensemble d'aimants (34) est amené à tourner avec la roue à aubes (22) en raison de l'at- traction magnétique entre l'ensemble d'aimants (34) et la bague aimantée. 6. Transmetteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague magnétisable est une ba- gue à hystérésis possédant une force coercitive élevée et par conséquent une boucle d'hystérésis de grande aire. 7. Transmetteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble d'aimants (34) comprend des aimants à terres rares (40). 8. Transmetteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les aimants à terres rares (40) sont des aimants au samarium-cobalt. 9. Transmetteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'ensemble d'aimants (34) comprend une multiplicité d'aimants (40), répartis à la périphérie d'un organe entrainé (36), dont des aimants (40) ont des p8les d'une polarité, faisant face vers l'extérieur dans le sens radial, qui alternent avec des aimants (40) ayant des pÈles de polarité oppo- sée, faisant face vers l'extérieur dans le sens radial. 10. Transmetteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande (66, 52, 92, 46) incluent une pompe hydraulique (52) pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement (12), cette pompe (52) étant disposée à l'intérieur du bottier (10), de façon à être entral- née par l'accouplement magnétique.