Brevet FR2532987A1 — publié le 19840316

La présente invention concerne une valve à asservisse- ment montée dans un train de tiges de forage. Plus précisément, elle a pour objet une valve destinée à produire des impulsions de pression dans le fluide de lavage qui s'écoule vers le bas dans le train de tiges de forage, traverse un trépan 'et reflue vers le haut à travers un espace annulaire, ladite valve étant formée d'-une zone d'étranglement principale, d'une zone de passage offrant peu de résistance disposée en parallèle à la zone d'étranglement et pouvant être fermée au moyen d'un obturateur pouvant s'appliquer contre un siège de valve, d'un piston guidé dans une chambre de pression et relié à l'obturateur ainsi que d'une zone d'étranglement auxiliaire ou d'asservissement pour produire une différence de pression pour l'actionnement du piston. De telles valves font partie d'un dispositif pour la télétransmission d'informations d'un puits de forage vers la surface du sol, le fluide de lavage qui s'écoule à travers le train de tiges de forage servant de milieu de transmis- sion. Une valve du type précité est déjà décrite dans la demande de brevet allemand publiée OS 25 20 753 Cette valve comporte un obturateur principal qui, par déplacement axial, peut être amené contre un siège de valve pour obturer un passage principal pour le fluide de lavage L'obturateur principal se transforme vers l'aval en une jupe cylindrique qui enferme un corps de valve fixe pourvu d'un passage central et forme une chambre entre la face d'about interne de l'obturateur principal et le corps de valve Cette chambre est raccordée à un tuyau de prise de pression qui est monté, orienté vers l'amont, sur l'obturateur principal et traverse une première zone d'étranglement auxiliaire. Vers l'aval, la chambre s'ouvre, derrière une deuxième zone d'étranglement auxiliaire se trouvant dans le canal de lavage, dans une zone du canal de lavage située davantage vers l'aval Le raccordement allant de la chambre dans le canal de lavage peut être fermé au moyen d'un obturateur auxiliaire ou d'asservissement Lorsque l'obturateur auxi- liaire est fermé, la pression différentielle qui se produit 2 2532987 entre la chambre et la surface externe de l'obturateur principal et qui est due à la perte de charge dans la première zone d'étranglement auxiliaire, provoque la ferme- ture de l'obturateur principal, alors que lorsque l'obtura- teur auxiliaire est ouvert, la pression différentielle inversée due à la perte de charge se produisant dans la deuxième zone d'étranglement auxiliaire provoque l'ouverture de l'obturateur principal. Dans cette valve connue, l'obturateur principal, le tuyau de prise de pression, le corps de valve et l'obtura- teur auxiliaire sont disposés au centre du train de tiges de forage, tandis que le passage principal pour le fluide de lavage est dévié vers l'extérieur et entoure le montage de valve comme un espace annulaire Les appareils de mesure descendus dans le canal de lavage ne peuvent pas franchir le montage de valve De tels appareils de mesure sont utilisés, par exemple, pour, dans le cas d'un train de tiges de forage bloqué, rechercher le point de blocage et l'assemblage vissé libre surjacent le plus proche afin de desserrer cet assemblage au moyen d'une charge explosive en exerçant une précontrainte produisant un couple de rotation orienté dans le sens d'ouverture. Cependant, une telle valve avec les autres parties associées du dispositif pour la transmission de données et les masses-tiges en matière antimagnétique nécessaires pour la détermination de la direction magnétique représentent un équipement si précieux que, dans le cas d'un blocage du train de tiges de forage, cela vaut la peine de le sauver A cet effet, il faut cependant, pour autant que le point de blocage se trouve en dessous de la partie du train de tiges de forage qui reçoit le dispositif pour la transmission de données, que le dernier assemblage vissé libre soit accessible. L'invention a pour but d'agencer une valve du type précité, d'une manière telle qu'elle puisse être traversée par des appareils pouvant être introduits dans le canal de lavage et qu'elle puisse être actionnée de manière sûre par le dispositif de commande qui, à la suite de cette exigence, est davantage confiné Ce but est réalisé en ce sens que, 3 2532987 dans la valve selon l'invention, la zone d'étranglement auxiliaire, l'obturateur et la zone d'étranglement principa- le présentent chacun un passage rectiligne formant un axe commun, les surfaces de l'obturateur et du siège qui sont orientées l'une vers l'autre établissent un trajet garantissant un écoulement continu, adapté à la couche limite de l'écoulement du fluide de lavage et en substance exempt de décollement, et l'obturateur est pourvu d'un dispositif pour compenser les forces d'écoulement dynami- ques. Le passage en ligne directe à travers la distance d'étranglement auxiliaire, l'obturateur et la distance d'étranglement principale, permet de faire passer des appareils de mesure au travers de la valve indépendamment de la position de l'obturateur principal La configuration des surfaces formées par l'obturateur et le siège de valve assure, selon l'allure de la couche limite du fluide de lavage, un écoulement en substance exempt de décollement et contribue à la stabilisation des forces agissant sur la valve pendant sa course de fermeture ou d'ouverture Le risque d'un battement de la valve est ainsi évité Pour compenser les forces d'écoulement dynamiques qui s'exercent par suite de la vitesse d'écoulement accrue dans la zone comprise entre l'obturateur et le siège de valve et qui créent une tendance à la fermeture de l'obturateur, il est prévu un dispositif de compensation qui oppose des forces dirigées dans le sens opposé aux forces d'écoulement dynamiques Les forces d'actionnement à appliquer de l'extérieur peuvent ainsi se situer dans un ordre de -30 grandeur tel qu'elles puissent être maîtrisées par le dispositif d'actionnement confiné et monté coaxialement autour du passage libre. D'autres particularités ressortent des sous-revendica- tions Plusieurs formes d'exécution seront décrites ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés dans lesquels la Fig 1 illustre une valve pouvant être actionnée dans les deux sens en position d'ouverture; la Fig 2 illustre la même valve en position de fermeture; la Fig 3 est une vue fragmentaire montrant l'obturateur et le siège de valve; la Fig 4 illustre une valve pouvant être actionnée dans un sens et pourvue d'un ressort de rappel; la Fig 5 illustre une valve pouvant être actionnée dans les deux sens, qui utilise le niveau de pression s'établissant dans l'espace annulaire pour le rappel, et la Fig 6 illustre une valve pouvant être actionnée dans les deux sens, comme sur les Fig 1 et 2, comportant un tube à gorges annulaires comme zone d'étranglement principale. La valve montée dans un segment d'un train de tiges de forage 6 comporte un corps de valve 7 dans lequel un obturateur 8 est monté mobile dans le sens longitudinal L'obturateur 8 peut être amené contre un siège de valve 9 par un déplacement orienté vers le bas En dessous du siège de valve 9 est prévue la zone d'étranglement principale ayant la forme d'un resser- rement 10 qui s'ouvre dans le canal de lavage 11 Un espace annulaire 12 d'une section plus grande que celle du resserrement 10 s'étend parallèlement à ce resser- rement 10 Cet espace annulaire sert de zone de passage offrant peu de résistance et s'ouvre en dessous du resserrement 10 également dans le canal de lavage 11. L'obturateur 8 est entouré par une chambre de pression 13 dans laquelle est guidé un piston 14 monté sur l'obturateur 8 et relié à celui-ci Dans les parties supérieure et inférieure de la chambre de pression 13 s'ouvrent des canaux d'agent sous pression 15, 16 qui sont raccordés par l'intermédiaire d'une valve auxi- liaire 17 actionnée par un électro-aimant ou par moteur à l'entrée 18 du corps de valve 7 ayant la forme d'une buse et servant de zone d'étranglement auxiliaire Un canal d'admission d'agent sous pression 22 est raccordé une région 1 du canal de lavage 11 à niveau de pression Pl élevé, orientée vers l'amont, tandis qu'un canal d'évacuation d'agent sous pression 23 s'ouvre dans une région 2 dont la section transversale est réduite et dans laquelle règne, par conséquente un niveau de pression P 2 inférieur au niveau P 1 Dans la position représentée de la valve auxiliaire, la pres- sion qui règne dans la zone supérieure de la chambre de pression 13 est, de ce faite supérieure à celle qui règne dans sa zone inférieure et exerce sur le piston 14 (voir flèche) une force orientée vers l'aval. L'obturateur est donc sur le point d'effectuer un mouvement de fermeture. En dessous de l'obturateur se trouve une région 3 dans laquelle, lorsque la valve est ouverte, regne une pression P 3 qui n'est que légèrement diffé- rente de la pression P 2 Dans cette région, le liquide de lavage qui s'écoule se divise en une fraction importante, qui traverse l'espace annulaire 12 e et en une fraction peu importante, qui passe par le res- serrement 10. Dans une région 5 située en dessous du resser- rement 10 les flux passant par l'espace annulaire 12 et par le resserrement 10 se réunissent et s'écoulent ensuite ensemble dans le canal de lavage l Etant donné que le resserrement 10 est entouré par l'espace annulaire 12 offrant peu 'de résistance, la perte de charge qui se produit est faible de sorte que le niveau de pression P 5 dans la région 5 n'est que légèrement inférieur au niveau de pression P 3 dans la région 3 La 6 2532987 pression P 4 dans la région supérieure 4 de l'espace annulaire 12 se trouve aussi au même niveau Dans la position d'ouverture de l'obturateur, la perte de charge globale par l'intermédiaire de la valve corres- pond simplement à la perte de charge Pl-p 2 au passage de la zone d'étranglement auxiliaire L'obturateur ne subit, dans ce cas, aucune force axiale provoquée par l'écoulement. La position de fermeture de l'obturateur est représentée sur la Fig 2 Dans la région 3, le fluide de lavage ne se divise plus en deux fractions, mais la totalité du flux doit, au contraire, passer par le resserrement 10 En admettant que dans la position de fermeture ainsi que dans la position d'ouverture, les mêmes quantités de fluide de lavage traversent la valve par unité de temps, on obtient dans la région 5 du resserrement 10 chaque fois le même niveau de pression (P'S=P 5), tandis que dans la région 3, lorsque la valve est fermée, une augmentation de pression (P'3 > P 3) se produit P'2 est augmenté par rapport à P 2 de même que P'1 par rapport à P 1 dans la même mesure que P'3 par rapport à P 3. La perte de charge globale par l'intermédiaire de la valve se compose de la somme des pertes de charge P'1-P'2 et P'3-P'5- Lorsque l'obturateur s'est légèrement écarté de son siège de valve ou aussi dans le cas d'un écoule- ment de fuite, on observe une vitesse d'écoulement élevée dans l'interstice formé qui est provoquée par la pression différentielle P'3P'4 entre les régions 3 et 4 La pression P'4 dans la région 4 est, dans ce cas, égale à la pression P'5 dans la région 5 La diminution de pression résultant de la vitesse d'écoulement élevée produit des forces de réaction dirigées axialement l'une vers l'autre entre les faces d'about 19 et 20 de 7 2532987 l'obturateur 8 et le siège de valve 9 L'obturateur tend ainsi toujours à passer d'une position partiel- lement ouverte dans la position presque fermée Pour stabiliser les réactions apparaissant entre ces sur- faces d'about qui, lorsque la valve est fermée, forment un bord d'étanchéité, leur forme est adaptée à la couche limite qui s'établit lors de l'écoulement de traversée O Dans la zone de l'intersection radiale de l'obturateur 8 et du siège de valve 9, n'apparaît, dans ce cas, aucun phénomène de décollement qui pourrait provoquer, par exemple, un domaine de pression instable. Pour compenser la force de réaction agissant dans le sens de la fermeture, une saillie de l'obtura- tèur est pourvue d'une surface-21 orientée dans le sens de l'ouverture Cette surface peut aussi être conique, étant donné que seules importent les composantes radiales Entre cette surface 21 adjacente à la région 4 de l'espace annulaire 12 et ainsi sollicitée par la pression P 04 et la surface 19 orientée en sens inverse, adjacente à la région 3 et ainsi sollicitée par la pression P'3 D s'établit une force agissant dans le sens de l'ouverture qui est orientée dans un sens opposé à la force de fermeture et est à même de la compenser. Etant donné que la force de fermeture dépend de la vitesse d'écoulement dans l'interstice et que la force d'ouverture dépend de la différence de pression entre P'3 et P'4 et# en outre, qu'une relation de dépendance directe existe entre la différence de pression et la vitesse d'écoulement dans l'interstice, on obtient un large synchronisme entre les deux forces en fonction de la position de l'obturateurs ' La Fig 3 est une vue fragmentaire illustrant la manière selon laquelle les forces de compensation agissent sur l'obturateur. La représentation se limite aux forces pro- duites de manière dynamique Les forces statiques agissant sur les surfaces partielles 25 et 26 s'an- nulent mutuellement et ne sont, par conséquent, pas représentées. En prévoyant une sur ou une sous-compensation, on peut conférer à la valve des propriétés d'auto- ouverture ou d'autofermeture. La valve représentée sur la Fig 4 se distin- gue de celle représentée sur les Fig 1 et 2 du point de vue du sens d'actionnement possible La valve auxiliaire 17 raccorde simplement la partie supérieure de la chambre 13 au choix au niveau de pression plus élevé dans la région 1 ou au niveau de pression plus bas dans la région 2 La partie inférieure de la chambre 13 est continuellement en communication par un canal d'égalisation 31 avec l'intérieur de l'obturateur 8 dans lequel règne la pression P 2 Le retour de la valve à sa position initiale s'opère par l'intermé- diaire d'un ressort de rappel 24 au moment o la partie supérieure de la chambre 13 est en communication avec la région 2. La valve représentée sur la Fig 5 comporte un canal d'admission d'agent sous pression 22 qui établit une communication continue entre la partie supérieure de la chambre 13 et la région 1 et un canal d'évacua- tion d'agent sous pression 23 qui raccorde la même partie de la chambre 13 par l'intermédiaire d'une valve auxiliaire 17 à un espace annulaire 32 du train de tiges de forage La partie inférieure de la chambre 13 est raccordée, comme sur la Fig 4, par l'intermédiaire du canal d'égalisation 31 à l'intérieur de l'obturateur 8 Lorsque la valve auxiliaire 17 est fermée, la différence de pression Pl-P 2 entre les régions 1 et 2 agissant sur le piston 14 provoque une fermeture de 9 2532987 l'obturateur Lorsque la valve auxiliaire 17 est ouverte, un niveau intermédiaire P'32 s'établit dans la partie supérieure de la chambre 13 en raison du niveau de pression très bas P 32 dans l'espace annulaire 32, ce qui est provoqué par la perte de charge au passage du trépan de forage, le niveau P'32 étant nettement inférieur à celui de la région 2. La valve effectue, par conséquent, une opéra- tion d'ouverture par l'intermédiaire du piston 14 en raison de la différence de pression P'2-P'32 inversée. Si, pour atteindre la perte de charge néces- saire par l'intermédiaire de la valve, le resserrement devait présenter une section si petite que des appareils de mesure introduits dans le train de tiges de forage ne pourraient pas -franchir cette zone, on peut avantageusement choisir une solution telle que représentée sur la Fig 6 La zone d'étranglement principale est ici formée d'un tube à gorges annulaires 27 qui comprend plusieurs anneaux formant écran 28 disposés en cascade, Le diamètre intérieur ou libre des anneaux 28 correspond au diamètre de l'entrée 18 et de l'obturateur 8 Entre les anneaux 28 sont prévus des éléments d'espacement 29, l'ensemble de la cascade étant maintenu et centré dans un tube de support 30 Le- tube à gorges annulaires agit non pas par addition simple des pertes de charge au passage de chaque anneau individuel, mais par formation entre les anneaux de champs tourbillonnaires qui, dans le cas d'une optimi- sation du rapport de la profondeur T des gorges à la distance T des écrans , offre une résistance à l'écoule- ment maximale La valeur absolue peut alors être réglée par le choix correspondant de la longueur du tube à gorges annulaires. REVENDICATIONS 1. Valve à asservissement montée dans un train de tiges de forage pour produire des impulsions de pression dans le fluide de lavage qui s'écoule vers le bas dans le train de tiges de forage, traverse un trépan et reflue vers le haut à travers un espace annulaire, ladite valve étant formée d'une zone d'étranglement principale, d'une zone de passage offrant peu de résistance disposée en parallèle à la zone d'étranglement et pouvant être fermée au moyen d'un obturateur pouvant s'appliquer contre un siège de valve, d'un piston guidé dans une chambre de pression et relié à l'obturateur ainsi que d'une zone d'étranglement auxiliaire ou d'asservissement pour produire une différence de pression pour l'actionnement du piston, caractérisée en ce que la zone d'étranglement auxiliaire ( 18), l'obturateur ( 8) et la zone d'étranglement principale ( 10) présentent chacun un passage rectiligne formant un axe commun, les surfaces ( 19, ) de l'obturateur ( 8) et du siège ( 9) qui sont orientées l'une vers l'autre établissent un trajet garantissant un écoulement continu, adapté à la couche limite de l'écoule- ment du fluide de lavage et en substance exempt de décollement, et l'obturateur ( 8) est pourvu d'un dispositif ( 19, 21) pour compenser les forces d'écoulement dynamiques. 2 Valve suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'à titre -de dispositif pour compenser les forces d'écoulement dynamiques, sont prévues une composante de surface ( 19) orientée dans le sens de la fermeture, pouvant être sollicitée par la pression du fluide de lavage dans le passage central et une composante de surface ( 21) faisant saillie vers l'extérieur, orientée dans le sens de l'ouver- ture et pouvant être sollicité par la pression du fluide de lavage dans la l 2532987 zone de passage offrant peu de résistance. 3. Valve suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'obturateur ( 8) présente le même diamètre intérieur que la zone d'étranglement auxiliaire ( 18)o 4. Valve suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que l'obturateur ( 8) est entouré coaxialement par le piston ( 14) et par la chambre de pression ( 13) et le piston ( 14) est formé d'une saillie radiale à peu près médiane sur l'obtu- rateur ( 8). 5. Valve suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que les régions de la chambre de pression ( 13) disposées de part et d'autre du piston ( 14) peuvent être raccordées par l'intermédiaire de canâux d'agent sous pression ( 15, 16) au moyen d'une valve auxiliaire ( 17) soit à un canal d'admission d'agent sous pression ( 22) soit à un canal d'évacuation d'agent sous pression ( 23). 6 Valve suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une région de la chambre de pression ( 13) disposée d'un côté du piston ( 14) peut être raccordée par l'intermédiaire d'un canal d'agent sous pression ( 15) au moyen d'une valve auxi- liaire ( 17) soit à un canal d'admission d'agent sous pression ( 22) soit à un canal d'évacuation d'agent sous pression ( 23), une région disposée de l'autre côté du piston ( 14) est raccordée à un canal d'égalisation ( 31) et un ressort ( 24) est couplé à l'obturateur ( 8) pour produire une force de rappel. 7 o. Valve suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une région située d'un côté du piston ( 14) est raccordée non seulement à un canal d'admission d'agent sous -pression ( 22) mais, par l'intermédiaire d'une valve auxiliaire 12 2532987 ( 17), aussi à un canal d'évacuation d'agent sous pression ( 23) et une région située de l'autre côté du piston ( 14) est raccordée à un canal d'éga- lisation ( 31). 8. Valve suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le canal d'admission d'agent sous pression ( 22) est raccordé à une région ( 1) en amont de la zone d'étranglement auxiliaire ( 18) et le canal d'évacuation d'agent sous pression ( 23) ainsi que le canal d'égalisation ( 31) sont raccordés à une région ( 2) située en aval de la zone d'étranglement auxi- liaire ( 18). 9. Valve suivant la revendication 7, caracté- risée en ce que le canal d'admission d'agent sous pression ( 22) est raccordé à une région ( 1) située en amont de la zone d'étranglement auxiliaire ( 18), le canal d'égalisation ( 31) est raccordé à une région ( 2) en aval de la zone d'étranglement auxiliaire ( 18) et le canal d'évacuation d'agent sous pression ( 23) est raccordé à une région de l'espace annulaire du train de tiges de forage ( 32). Valve suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la zone d'étranglement principale a la forme d'un tube à gorges annulaires ( 27) présentant de préférence un diamètre intérieur ou libre égal à celui de la zone d'étran- glement auxiliaire ( 18) et de l'obturateur ( 8). 11. Valve suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le tube à gorges annulaires ( 27) est formé d'écrans annulaires ( 28) disposés en cascade. 12. Valve suivant la revendication 11, caractérisée en ce que les écrans annulaires ( 28) sont maintenus à l'aide d'organes d'espacement ( 29) dans un tube de support ( 30). 13 Valve suivant la revendication 12, 13 2532987 caractérisée en ce que, le diamètre intérieur ou libre des écrans annulaires ( 28) étant donné, le rapport entre la profondeur des gorges et l'écartement des écrans est choisi tel' que l'on obtienne une résistance à leécoulement maximale.