Brevet FR2545534A1 — publié le 19841109

L'invention concerne un appareil de fond de sondage pouvant être incorporé dans le train de tiges tubulaire de forage pour transmettre un couplé au trépan et donner simultanément une indication du couple transmis. Dans le forage de puits souterrains, il est très souhaitable que l'opérateur se trouvant à la surface ait connaissance du couple approximatif transmis au trépan de forage en rotation ou à la colonne tubulaire Ce critère est demandé lorsque le trépan de forage-est entrainé par un moteur-placé dans le sondage ou par une colonne de forage en rotation. De plus, étant donné que la vitesse d'un moteur à turbine de fond de sondage est proportionnelle au couple produit, la connaissance du couple fournit, dans ce cas, l'information nécessaire concernant la vitesse du trépan. Par conception, le trépan à turbine peut atteindre des vitesses extrêmement élevées et, si ces vitesses ne sont pas limitées, elles peuvent conduire à une détérioration très rapide du trépan. Une mesure directe du couple d'un train de tiges de forage en fond de sondage est une opération difficile, non seulement en raison du fait que la mesure doit être effectuée à une distance comprise entre 1500 et 3000 mètres ou plus de la surface, mais également en raison des con- ditions ambiantes régnant autour d'un train de tiges de forage, ces conditions n'étant pas propices à l'utilisa- tion de dispositifs classiques de mesure de couple Les chocs et les coups auxquels le trépan de forage est soumis, accompagnés du fait que ce trépan est généralement immergé dans de la boue de forage, empêchent l'application d'un équipement classique de mesure de couple. L'invention concerne un dispositif de transmis- sion et d'indication de couple destiné à être utilisé avec des trépans de forage de puits-et à produire une indica- tion continue et fiable du couple transmis au trépan en fond de sondage, par toute source de force motrice rota- tive De plus, si le couple est connu, la-vitesse de rota- tion d'une turbine en fond de sondage peut être aisément 2 2545534 obtenue par interpolation L'invention a donc pour objet principal un dispositif d'indication de couple en fond de sondage destiné à un trépan de forage de puits, ce dis- positif produisant un signal, à la surface du puits, qui est proportionnel au couple transmis au trépan de forage par sa source de force motrice tournante, et ledit dis- positif indiquant avec précision, en alternance, la vitesse du trépan de forage lorsque la source de force motrice est un moteur à turbine placé en fond de sondage. Un dispositif de transmission et d'indication de couple selon l'invention comprend un corps annulaire qui reçoit télescopiquement une extrémité d'un mandrin. Un couple est transmis entre le corps annulaire et le mandrin par une liaison élastique qui permet un déplace- ment angulaire du corps par rapport au mandrin en fonction du couple transmis Des canaux d'écoulement d'un fluide moteur sous pression, par exemple une boue de forage, traversent l'alésage central du corps et un alésage central du mandrin Dans la forme préférée de réalisation, les extrémités axialement adjacentes de ces alésages centraux présentent des étranglements de manière que toute varia- tion angulaire de la position du mandrin par rapport au corps entraîne une variation de la section utile d'écoule- ment par les étranglements Ceci engendre dans le fluide moteur un signal de pression qui peut être détecté ou mesuré en fond de sondage ou indiqué par une variation de la pression du fluide à la surface du puits. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une coupe verticale du dispositif de transmission et d'indication de couple selon l'inven- tion; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1; 3 2545534 la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 1; la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 1; et la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 2, mais montrant l'effet d'une variation du couple sur la position des ouvertures d'étranglement d'écoulement. En référence au dessin, le dispositif 10 de transmission et d'indication de couple selon l'invention comprend un corps annulaire 20 qui est assemblé télescopi- quement avec un mandrin creux 30 Une partie extrême allongée 32 du mandrin 30 est insérée dans une extrémité du corps annulaire 20 dans lequel elle est montée de façon à pouvoir exécuter un déplacement angulaire au moyen de paliers combinés classiques radial et axial 40 et 42 Le palier supérieur 40 est disposé entre une butée annulaire 22 faisant saillie vers l'intérieur du corps annulaire 20 et une butée annulaire extérieure 34 formée sur l'extrémité insérée 32 du mandrin creux 30 Le palier inférieur 42 est disposé entre un épaulement radial 41 formant la jonction de la partie extrême insérée 32 avec le corps principal du mandrin 30, et une butée annulaire 24 faisant saillie vers l'intérieur et formée sur le corps annulaire 20 Par conséquent, le palier axial inférieur 42 absorbe des forces de compression exercées entre le corps annulaire 20 et le mandrin creux 30, tandis que le palier axial supérieur 40 absorbe les forces de traction s'exerçant entre ces éléments. Les extrémités 21 et 31, non assemblées télesco- piquement, du corps annulaire 20 et du mandrin creux 30 présentent, respectivement, des filets 23 et 33 pour la fixation dans le train de tiges tubulaire de forage afin de transmettre le couple provenant de la source de force motrice tournante Il est peu important que la source de force motrice tournante soit constituée par un moteur à turbine ou par un train de tiges de travail tournant Dans la forme préférée de réalisation, le dispositif 10 est monté de façon à transmettre un couple de travail de la source de force motrice tournante au trépan rotatif de forage. Un tel couple est transmis entre le corps annu- laire 20 et le mandrin creux 30 par une liaison élastique qui, tout en transmettant le couple entre ces éléments, permet également un déplacement angulaire relatif du corps annulaire 20 par rapport au mandrin creux 30, proportion- nellement à l'amplitude du couple transmis Les moyens 1 o 50 de liaison élastique peuvent comprendre commodément un ressort hélicoïdal 51 disposé dans un évidement annu- laire 12 défini entre le corps annulaire 20 et l'extrémité insérée 32 du mandrin creux 30 et s'étendant entre la butée 34 faisant saillie vers l'extérieur du mandrin creux 30 et la butée 24 faisant saillie vers l'intérieur du corps annulaire 20 Le ressort hélicoïdal 51 présente une première extrémité 5 ia disposée dans un plan vertical et pouvant s'appliquer contre la surface latérale verti- cale d'un taquet 26 faisant saillie vers l'intérieur de la partie supérieure de la butée annulaire 24 (figure 5). L'autre extrémité 51 b du ressort 51 présente également une face verticale qui bute contre une surface latérale verticale d'un taquet extérieur 36 situé sur la partie extrême insérée 32 du mandrin creux 30 (figure 4). La raideur du ressort 51 est de préférence choisie de façon à limiter le déplacement angulaire relatif du corps annulaire 20 par rapport au mandrin creux 30 à une valeur inférieure à 360 , et de préférence inférieure à 270 , lorsque le couple transmis s'étend de O jusqu'à la capacité maximale de la source de force motrice rota- tive Une limitation positive supplémentaire de cette rotation relative est établie par la coopération d'un taquet 37 (figure 3) faisant saillie radialement de la périphérie de l'extrémité insérée 32 du mandrin creux 30 et d'un taquet ou d'une butée 62 faisant saillie vers l'intérieur d'une bague 60 qui est montée dans l'alésage du corps annulaire 20 La bague 60 présente une section de préférence en forme d'angle droit et elle comporte une 2545534 aile annulaire horizontale 61 disposée entre le palier supérieur 40 et la butée annulaire supérieure 22 faisant saillie vers l'intérieur du corps annulaire 20 La posi- tion angulaire de la bague 60 par rapport au corps annu- laire 20 peut être réglée sélectivement par la coopération d'un taquet 64 (figure 3) faisant saillie'vers l'extérieur de cette bague et de l'une, quelconque, choisie, de plu- sieurs rainures verticales 28 (figure 3) disposées de façon périphérique et formées dans la surface intérieure de la butée annulaire 22 Il apparaît donc que les taquets 62 et 37 coopèrent pour limiter fermement le déplacement angulaire du corps annulaire 20 par rapport au mandrin creux 30 à une valeur inférieure à 3600 De plus, en choisissant une rainure verticale particulière 28 pour l'enclenchement avec le taquet extérieur 64 de la bague , une précharge de valeur prédéterminée peut être appli- quée au ressort 51 de transmission de couple. Par conséquent, les taquets 26 et 36 constituent une première paire de butées transmettant un couple entre le corps 20 et le mandrin 30 et'les taquets 62 et 37 constituent une seconde paire de butées situées sur le corps 20 et le mandrin 30 et déterminant la précharge du ressort 51. Bien qu'un ressort hélicoïdal représente le mode préféré pour établir une liaison de transmission de couple entre le corps annulaire 20 et le mandrin creux , il est évident à l'homme de l'art-que d'autres mon- tages élastiques peuvent être utilisés, y compris une masse annulaire d'élastomère dont les surfaces intérieure et extérieure sont, respectivement, liées ou autrement fixées rigidement auxsurfaces opposées du corps annulaire et du mandrin creux 30. Lorsqu'il est assemblé comme décrit ci-dessus, le dispositif 10 forme un canal axial d'écoulement de fluide qui le parcourt en totalité et qui permet la trans- mission d'un fluide moteur convenable, par exemple une boue de forage, au trépan rotatif de forage (non repré- senté) Conformément à l'invention, la section utile 6 2545534 d'écoulement du canal axial formée conjointement par l'alé- sage 20 a du corps annulaire 20 et l'alésage 30 a du mandrin creux 30 est réduite par un mécanisme à orifice variable en fonction du couple transmis entre le corps annulaire 20 et le mandrin creux 30 Cet étranglement peut être formé convenablement dans le mandrin creux 30 par un chapeau d'extrémité 39 formé au bout de l'extrémité insérée 32 du mandrin creux 30 A proximité immédiate du chapeau extrême 39, l'alésage 20 a du corps annulaire 20 peut être étranglé de façon similaire par l'insertion par vissage d'une bague à filetage extérieur La bague 25 présente un canal axial 27 d'écoulement de fluide qui peut être raccordé à un canal axial 38 défini par le rebord intérieur ou chapeau extrême 39. Les ouvertures ou canaux 27 et 38 sont disposés de façon à ne pas être concentriques entre eux afin que la section utile d'écoulement par les deux canaux traduise en continu le décalage angulaire du corps annulaire 20 par rapport au mandrin creux 30 Il en résulte donc que la section utile d'écoulement par les ouvertures 27 et 38 varie en fonction du couple transmis de la source de force motrice rotative au trépan rotatif de forage. Par exemple, en supposant que la figure 2 repré- sente la position des éléments du dispositif 10 de trans- mission de couple lors de la transmission d'un couple mini- mal, on voit, en référence à la figure 2,-que la section d'écoulement par les ouvertures non concentriques 27 et 38 est presque maximale Par contre, lorsque le couple augmente et que le corps annulaire 20 est décalé angulaire- ment par rapport au mandrin creux 30, la position des ouvertures non concentriques 27 et 38 devient comme montré sur la figure 6 o la section utile d'écoulement est sen- siblement réduite. Ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art, l'incorporation d'un tel orifice variable sur le trajet d'écoulement du fluide moteur provoque une variation de la pression de ce fluide, qui peut être détectée à la surface du puits Avec la configuration particulière des 7 2545534 ouvertures 27 et 38 illustrée sur le dessin, la pression du fluide moteur augmente proportionnellement au couple transmis D'autres agencements des ouvertures 27 et 38 sont évidents à l'homme de l'art, agencements dans les- quels, par exemple, la pression du fluide moteur détectée à la surface peut diminuer lorsque le couple transmis augmente, par suite d'un préréglage et d'un décalage de l'ouvertuee 27 dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre par rapport à l'ouverture 38, ce qui permet aux ouvertures 27 et 38 de -se placer en alignement lors- que le couple augmente Dans un autre agencement, la pression du fluide moteur détectée à la surface peut diminuer lorsque le couple transmis s'élève jusqu'à une plage optimale Cependant, si le couple transmis devait continuer à augmenter, la section utile d'écoulement des deux ouvertures non concentriques 27 et 38 pourrait être conçue afin de diminuer, provoquant ainsi un accroisse- ment de la pression du fluide moteur observée par l'opé- ratceur à la surface du puits et indiquant à cet opérateur qu'il est temps de relever le trépan ou de lui permettre de se dégager En surveillant la pression d'attente du fluide moteur, l'opérateur peut forer constamment à un couple optimal et effectuer des passes-de forage longues et efficaces. Si cela est souhaité, un avantage secondaire peut être tiré de l'orifice variable, déterminant le couple, du dispositif 10 décrit ci-dessus Une petite partie du fluide de travail s'écoulant par l'orifice peut être utilisée pour maintenir une pression sur un réservoir de fluide lubrifiant afin d'alimenter en lubrifiant les paliers combinés radial et axial 40 et 42 Ainsi, une chambre annulaire 14 est définie entre l'extrémité supé- rieure de la partie extrême insérée 32 du mandrin creux et la paroi intérieure adjacente de l'alésage du corps annulaire 20 La chambre 14 est divisée par un piston flottant 70 portant deux segments 72 qui sont en contact, respectivement, avec la paroi extérieure de la partie extrême insérée 32 du mandrin et avec la paroi de l'alésage 8 2545534 du corps 20 La partie inférieure de la chambre 14 contient un fluide lubrifiant-qui est transmis aux paliers 40 et 42 par des conduits 74 et 76 passant à travers la chambre 12, dans laquelle le ressort élastique 51 -de transmission de couple est logé, et, ensuite, par un conduit 78 aboutissant au palier inférieur 42 La partie supérieure de la chambre 14 communique, par un espacement axial 43 délimité entre l'extrémité insérée 32 du mandrin creux 30 et la bague 25 d'étranglement d'écoulement, avec le point de jonction entre les deux ouvertures non concentriques 27 et 38 d'écoulement de fluide Par conséquent, une partie à pression réduite du fluide moteur peut être appliquée à la surface supérieure du piston 70 pour maintenir l'appli- cation d'une pression sur le fluide lubrifiant contenu dans la partie inférieure de la chambre 14. Bien que cela ne soit pas représenté, le chapeau 39 formé sur le bout de la partie extrême insérée 32 du mandrin creux 30 peut être appliqué contre la bague 25 par des ressorts ou des organes similaires (non représentés), éliminant ainsi l'espace axial 43 Dans ce cas, un-conduit d'écoulement de fluide (non représenté) peut être prévu à partir du chapeau extrême 39 ou au-dessus de la bague , jusqu'à la partie supérieure de la chambre 14, provo- quant ainsi l'application d'une pression de fluide à la surface supérieure du piston 70. Dans la forme préférée de réalisation décrite, l'appareil réagissant au couple transmis par une source de force motrice tournante est disposé entre cette source et le trépan de forage Si une source de force motrice en fond de sondage, par exemple une turbine, est utilisée, l'appareil peut être disposé entre la turbine et une partie non tournante de la colonne de forage Dans cette partie, l'appareil réagit au couple de réaction de la turbine, qui est essentiellement égal au couple transmis au trépan de forage Il est évident qu'il faut simplement que le mandrin et le corps soient calés sur la source de force motrice et sur une partie de la colonne de forage. 9 2545534 REVENDICATIONS 1 Appareil de fond de sondage sens-ible au couple transmis par une source de force motrice rotative à un trépan de forage dans un train de tiges de forage, carac- térisé an ce qu'Il comporte un corps annulaire ( 20 >, un mandrin ( 30) dont une extrémité ( 32) est assemblée téles- copiquement avec une extrémité du corps annulaire, ce dernier et le mandrin étant disposés entre la source de force motrice rotative et une partie du train de tiges de forage et étant clavetés à cette source ou à cette partie du train de tiges, un élément élastique ( 51) s'opposant à une rotation entre le corps annulaire et le mandrin' et, par conséquent, entre la source de force motrice et la partie du train de tiges de forage, une flexion angu- laire de cet élément élastique produisant un déplacement angulaire entre le corps et le mandrin en fonction du couple transmis à partir de la source de force motrice, et des moyens ( 27, 38) étant sensibles au déplacement angulaire entre le mandrin-et le corps afin de mesurer le-couple transmis par la source de force motrice. 2 Appareil de transmission et d'indication de couple en fond de sondage, disposé dans un train de tiges de forage portant un trépan de forage de puits qui est sensible à une source de force motrice rotative, l'appa- reil étant caractérisé en ce qu'il comporte un corps annu- laire ( 20), un mandrin ( 30) dont une première extrémité ( 32) est assemblée télescopiquement avec une première extrémité du corps annulaire, des moyens ( 33) situés à l'autre extrémité ( 31) du mandrin et destinés à être reliés à l'un des éléments constitués par le train de tiges de forage et la source de force motrice, des moyens ( 23) situés à l'autre extrémité ( 21) du corps et destinés à être reliés à l'autre desdits éléments constitués par le train de tiges de forage et la source de force motrice, un organe élastique ( 51) qui s'oppose à une rotation relative entre le corps annulaire et le mandrin, de manière qu'un déplacement angulaire entre le corps annulaire et le mandrin soit une fonction du couple transmis par la 2545534 source de force motrice, et des moyens ( 27, 38) de détec- tion disposés entre l'extérieur du mandrin et l'alésage intérieur du corps annulaire afin d'indiquer en continu ledit déplacement angulaire. 3 Appareil de transmission et d'indication de couple en fond de sondage, disposé par rapport à un trépan de forage de puits et à une source de force motrice rota- tive, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un corps annulaire ( 20), un mandrin ( 30) dont une première extrémité ( 32) est assemblée télescopiquement avec une première extrémité du corps annulaire, des moyens ( 33) situés à l'autre extrémité ( 31) du mandrin et destinés à être reliés à l'un des éléments constitués par le train de tiges de forage et la source de force motrice, des moyens ( 23) situés à l'autre extrémité ( 21) du corps et destinés à être reliés à l'autre des éléments constitués par le train de tiges de forage et la source de force motrice, un organe élastique ( 51) qui s'oppose à une rota- tion relative entre le corps annulaire et le mandrin de manière qu'un déplacement angulaire du corps annulaire par rapport au mandrin creux soit une fonction du couple transmis par la source de force motrice, le corps annu- laire présentant un premier canal ( 20 a) d'écoulement de fluide, le mandrin présentant un second canal ( 30 a) d'écou- lement de fluide, et des moyens ( 27, 38) à orifice variable reliant les premier et second canaux, la section des moyens à orifice étant modifiée par un déplacement angu- laire relatif du corps et du mandrin afin que l'écoule- ment d'un fluide par les premier et second canaux produise une chute de pression à travers lesdits moyens à orifice, proportionnelle au couple transmis par l'appareil. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens à orifice variable comprennent des ouvertures ( 27, 38) axialement adjacentes et formées, res- pectivement, dans le corps annulaire et dans le mandrin, au moins l'une des ouvertures n'étant pas centrée sur l'axe du corps annulaire, lesdites ouvertures reliant les extrémités axialement adjacentes des premier et second il 2545534 canaux d'écoulement de fluide. Appareil selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens à orifice variable comprennent un premier étranglement situé dans le premier canal, un second étranglement situé dans le second canal et axiale- ment adjacent au premier étranglement, les premier et second étranglements définissant, respectivement, des ouvertures qui ne sont pas mutuellement concentriques. 6 Appareil selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens à orifice variable comprennent un premier étranglement situé dans le premier canal, un second étranglement situé dans le second canal et axiale- ment adjacent au premier étranglement, les premier et second étranglements étant traversés, respectivement, par des ouvertures dont l'alignement est rompu par ladite rotation relative du corps annulaire et du mandrin creux. 7 Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'un des étranglements comprend un obturateur ( 25) réglable angulairement et fixé dans l'alésage de l'un des éléments constitués par le corps annulaire et le mandrin, cet obturateur étant traversé par une ouverture dont la position angulaire peut donc être réglée. 8 Appareil selon l'une quelconque des revendi- cations 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que l'organe élastique comprend un ressort hélicoïdal ( 51) disposé entre l'extérieur de la partie extrême insérée du mandrin et l'alésage intérieur du corps annulaire, le corps présen- tant une première surface ( 24) de butée faisant saillie vers l'intérieur et destinée à porter contre une première extrémité ( 51 a) du ressort hélicoïdal, et l'extérieur du mandrin présentant une seconde surface ( 36) de butée por- tant contre l'autre extrémité ( 51 b) du ressort hélicoïdal, afin qu'un couple soit transmis par ce dernier entre le corps annulaire et le mandrin creux. 9 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre des paliers ( 40, 42) disposés entre la surface périphérique extérieure de 12 2545534 l'extrémité insérée du mandrin et l'alésage intérieur du corps annulaire, de manière à maintenir l'alignement axial du mandrin et du corps et à absorber en outre des forces axiales exercées vers le haut et vers le bas, un ressort hélicoïdal ( 51) étant disposé entre l'extérieur de la partie extrême insérée du mandrin et l'alésage intérieur du corps annulaire, le corps comportant un premier organe ( 24) de butée destiné à porter contre une première extré- mité ( 51 a) du ressort hélicoïdal et la surface extérieure du mandrin présentant une seconde surface ( 36) de butée portant contre Vautre extrémité (Slb) du ressort hélicol- dal afin que ce dernier transmette un couple entre le corps annulaire et le mandrin creux. Appareil selon la revendication 9, carac- térisé en ce que les paliers comprennent deux paliers ( 40, 42) espacés verticalement et disposés, respectivement, au-dessus et au-dessous des extrémités axiales du ressort hélicoïdal. 11 Appareil selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une chambre annulaire ( 14) à fluide délimitée entre la surface exté- rieure de l'extrémité insérée du mandrin et l'alésage du corps annulaire, un piston annulaire ( 70) monté de façon à pouvoir flotter dans la chambre annulaire afin de la diviser en deux compartiments séparés, des premiers con- duits ( 74, 76) communiquant avec l'un des compartiments afin d'appliquer un fluide lubrifiant aux paliers axiaux, et un second conduit ( 43) faisant communiquer l'autre des compartiments avec l'un desdits canaux d'écoulement de fluide afin d'appliquer la pression d'un fluide au fluide lubrifiant par l'intermédiaire dudit piston annulaire. 12 Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que l'organe élastique comprend un ressort hélicoïdal ( 51) disposé entre la surface extérieure de la partie extrême insérée du mandrin et l'alésage intérieur du corps annulaire, un premier organe ( 24) de butée situé sur le corps afin de porter contre la première extrémité ( 51 a) du ressort hélicoïdal, une seconde surface ( 36) de 13 2545534 butée située sur l'extérieur du mandrin et portant contre l'autre extrémité ( 51 b) du ressort hélicoïdal-, un troi- sième organe ( 37) de butée situé sur l'extérieur du mandrin, un quatrième organe de butée situé sur le corps annulaire, les troisième et quatrième organes de butée étant rappelés en contact l'un avec l'autre par le ressort hélicoïdal, et un élément ( 60) destiné à faire varier sélectivement la position angulaire relative des troisième et quatrième éléments de butée afin de permettre l'application d'une précharge de torsion choisie au ressort hélicoïdal. 13 Appareil selon la revendication 12, carac- térisé en ce que le quatrième organe de butée comprend une bague ( 60) réglable angulairement et fixée dans le corps annulaire, cette bague comportant une saillie ( 62) pouvant porter contre le troisième organe de butée.