Brevet FR2571441A1 — publié le 19860411

La présente invention, concernant des forages, est plus particulièrement relative à des dispositifs de- vant être montés au fond du trou de forage, pour appli- quer un mouvement de rotation et plus particulièrement à des dispositifs pour convertir l'énergie cinétique du cou- rant de boue passant dans un train de tiges de forage en mouvement de rotation (ces dispositifs seront mentionnés par la suite comme étant "du type défini"), pour entral- ner un générateur ou un instrument de signalisation. A cause des limitations de l'espace au fond du trou pour loger des batteries et des problèmes associés à la nécessité de remplacer fréquemment celles-ci, il exis- te de nombreux cas dans lesquels il est souhaitable que l'énergie électrique soit engendrée au fond du trou par un turbogénérateur entraîné par le courant de boue ou que l'énergie mécanique requise pour entraîner une pièce en déplacement au fond du trou soit directement engendrée par une turbine entraînée par le courant de boue. On connaît des dispositifs pour remplir ces fonctions au fond du trou. Par exemple les brevets FR-A2489407 et FR-A-2494 340, qui sont à la demanderesse exposent une disposition dans laquelle une turbine entraînée par la boue entraîne à la fois un générateur électrique et un organe d'étran- glement, déplaçable en ligne droite, qui sert à engendrer des impulsions de pression dans le courant de boue, dans le but de transmettre des valeurs de mesure à la surface. Néanmoins, ces dispositifs connus nécessitent d'employer des paliers de turbine capables de supporter la poussée importante due à l'action du courant de boue sur la turbine et il est difficile de réaliser des paliers convenables ayant une longue durée de vie. Il est particu- lièrement important que les dispositifs qui fonctionnent au fond du trou de forage n'exigent pas de réparations ou remplacements fréquents, car ceux-ci peuvent être très coûteux, exprimés en temps perdu pour le forage. En outre il peut etre difficile d'assurer une longue durée de ser- vice utile, eu égard aux conditions hostiles au fond du trou et à la nature abrasive de la boue. L'invention a notamment pour objet de procurer un dispositif du type défini qui est capable d'avoir une longue durée de vie au fond du trou de forage. Conformément à l'invention, on obtient un dis- positif du type défini, devant être monté au fond du trou de forage et comprenant un organe d'entraînement tour- nant disposé de manière que son axe de rotation coïncide avec l'axe du train de tiges, une turbine annulaire à O10 ailettes disposée de façon à être entraînée par le cou- rant de boue et coaxiale avec l'organe d'entraînement au- quel elle est accouplée pour lui imprimer un couple d'en- traînement, et un palier de turbine annulaire, un stator à ailettes étant disposé immédiatement en amont de la turbine de façon à agir sur le courant de boue avant qu' il n'atteigne la turbine, les ailettes du stator étant inclinées par rapport au courant de boue de manière à fai- re que le courant de boue frappe les ailettes de la tur- bine sous un angle tel qu'il en résulte une poussée fai- ble ou négligeable sur le palier de turbine. Avec un tel dispositif, la poussée exercée sur le palier sera bien moindre que celle qui se produirait dans des conditions semblables, avec la disposition ex- posée dans les brevets FR-A-2489407 et FR-A-2494-340 ci- dessus mentionnés. Il est par conséquent relativement fa- cile d'établir un palier pour le dispositif de l'inven- tion, qui soit capable d'avoir une longue durée de servi- ce utile. Dans un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, les ailettes du stator sont inclinées dans un sens- par rapport au courant de boue, de préférence sous un an- gle compris dans la gamme de 10 à 15 et les ailettes de turbine sont pratiquement parallèles au courant de boue ou sont inclinées dans ledit même sens, par rapport au courant de boue. L'organe d'entraînement tournant sera générale- 2S71441 ment accouplé à un générateur électrique, de sorte que 1' énergie cinétique du courant de boue est utilisée pour produire l'énergie électrique devant être utilisée au fond du trou. On a trouvé que le dispositif est facile- ment capable de subvenir aux besoins d'énergie d'un émet- teur de signaux pour un système de télémétrie à impul- sions de boue et d'un instrument de mesure associé, bien que le rendement de transfert d'énergie d'un tel disposi- tif ne soit généralement pas aussi élevé que celui du lO dispositif connu précédemment mentionné. - L'invention est particulièrement avantageuse lorsque le stator et la turbine entourent un boîtier qui contient l'organe d'entraînement dans un environnement exempt de boue, le stator étant fixe par rapport au boî- tier et la turbine étant capable de tourner dans le boî- tier par l'intermédiaire du palier. Dans ce cas, la sur- face de palier est limitée par le diamètre extérieur du boîtier d'une part et par le diamètre intérieur du con- duit de courant de boue d'autre part, de sorte qu'il est important que la poussée qui doit être absorbée par la surface de palier soit aussi petite que possible. Afin d'éviter d'avoir à utiliser un joint tournant, la turbine peut être accouplée magnétiquement à l'organe d'entraîne- ment afin de lui imprimer un couple d'entraînement. Le palier de la turbine peut être d'un type qui est prévu pour être lubrifié par le courant de boue, au- quel cas des passages pour ce courant sont prévus, de pré- férence dans le stator, pour alimenter le palier par la boue. Le palier peut comprendre des parties de palier su- périeure et inférieure agissant dans des directions oppo- sées èt chaque partie de palier peut avoir la forme d'un palier à contact angulaire. Afin de mieux comprendre l'invention, on décri- ra maintenant une forme préférée de dispositif selon 1' invention à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est une représentation schématique 2571t441 d'un émetteur de signaux placé au fond du trou et connu en soi, avec lequel le dispositif de l'invention peut être utilisé; la figure 2 est une coupe latérale de la partie de la turbine et du stator du dispositif de l'invention se trouvant d'un c8té d'une ligne A-A, étant entendu que la turbine et le stator s'étendent en fait symétriquement de part et d'autre de la ligne A- A; la figure 3 est une demi-coupe axiale de la tur- bine et du stator, d'un côté du boîtier; les figures 4 et 5 sont des sections transver- sales du boîtier, prises respectivement le long des li- gnes IV-IV et V-V sur la figure 3; et la figure 6 est une vue en bout d'une autre forme alternative possible de paliers pouvant être utili- sés dans le dispositif. L'émetteur de signaux 1, en soi connu, repré- senté sur la figure 1, est installé à l'intérieur d'un collier de forage disposé à l'extrémité d'un train de ti- ges dans un trou de forage pendant le forage. L'émetteur de signaux 1 sert à transmettre des valeurs de mesure à la surface, sous la forme de pulsations de pression, par une modulation de la pression de la boue passant dans le train de tiges. - L'émetteur 1 inclut un tube 2 pourvu à son ex- trémité supérieure d'un étranglement d'écoulement annulai- re 4 qui définit un orifice d'étranglement 6 pour le cou- rant de boue passant au travers du train de tiges dans la direction de la flèche 8. A l'intérieur du tube 2 se trouve un boltier 10, de forme allongée, portant à son ex- trémité supérieure, au voisinage de l'orifice étranglé 6, un organe d'étranglement 12 qui peut se déplacer par rap- port au boîtier 10 de façon à faire varier la section transversale de débit de l'orifice d'étranglement 6. Une turbine annulaire 22 entoure le bottier 10 et est capable de tourner dans le courant de boue. La turbine 22 est ma- gnétiquement accouplée à un organe d'entraînement 18 si- tué à l'intérieur du boîtier, de façon. à entraîner cet organe d'entraînement, lequel entraîne & son tour à la fois une pompe 16 et un générateur électrique 20 servant à fournir l'énergie électrique au fond du trou. La pompe 16 est prévue pour déplacer l'organe d'étranglement 12 en ligne droite, la direction de déplacement de l'organe d' étranglement 12 étant déterminée par un actionneur à so- lénoide (non représenté) sous la commande d'un Signal d' entrée électrique. La structure et le fonctionnement détaillé d'un tel émetteur de signaux peuvent être déterminés en se re- portant au brevet FR-A-2529943 de la Demanderesse dont le contenu est incorporé ici par référence. Dans la forme du dispositif selon la présente invention qu'on va maintenant décrire en se reportant aux figures 2 à 5 des dessins, la turbine représentée sur les dessins de FR-A-2529943 est remplacée par une turbine annulaire 30 et un stator annulaire 32, partiel- lement représentés sur la figure 2. Le stator 32 compor- te des ailettes 34 inclinées dans un sens par rapport à la direction 28 du courant de boue,tandis que la turbine comporte des ailettes 36 parallèles à la direction 28 de l'écoulement de boue. Dans une variante les ailettes de turbine 36 seraient également inclinées dans ledit sens considéré par rapport à la direction 28 d'écoule- ment de la boue. Le boîtier 10 n'est pas représenté sur la figure 2, on comprendra cependant que-la turbine -30, aussi bien que le stator 32, entourent le boîtier 10. En se reportant maintenant aux figures 3 à 5,' le stator 32 comprend un collier 38 fixé au boîtier 10 et une bague 40 portant des ailettes, qui est vissée sur le collier 38. Le collier 38 présente trois fentes longi- tudinales 42 dans sa surface extérieure, ces fentes 42 étant réparties sous des angles égaux autour de la cir- conférence du collier 38. Ainsi qu'il est représenté sur la figure 3 par une ligne en pointillé, chaque fente 42 comporte une ouverture d'entrée à la surface extérieure du collier 38 et une ouverture de sortie avoisinant la turbine 30. La turbine 30 comprend un anneau 44 portant des aimants et entourant le boîtier 10 et un anneau 46 portant des ailettes, qui entoure l'anneau 44 et lui est fixé. L'anneau 44 présente six fentes longitudinales 48 dans sa surface extérieure, ces fentes 48 étant réparties sous des angles égaux autour de la périphérie de l'an- neau 44. Chaque fente 48 contient un aimant 50 à terre rare, de préférence un aimant au samarium-cobalt. Trois des aimants 50 ont leurs pôles Nord dirigés radialement vers l'extérieur et trois autres aimants 50, alternant avec les trois aimants précédents, ont leurs pôles Sud dirigés radialement vers l'extérieur. Ces aimants 50 de turbine coopèrent avec six autres aimants 52 à terre ra- re, répartis sous des angles égaux à l'intérieur du boî- tier et dont les pôles sont orientés avec une disposition semblable à celle des aimants 50. De cette façon le cou- ple d'entraînement est transféré de la turbine à un ar- bre entraîné à l'intérieur du boîtier 0l qui porte les aimants 52, tandis que les jeux d'aimants 50 et 52 sont bloqués magnétiquement ensemble sous une orientation rela- tive définie. L'anneau 44 portant des aimants comporte également une série de fentes longitudinales 54 dans sa surface intérieure, qui s'ouvrent respectivement aux sur- faces d'extrémité opposées de l'anneau 44. La turbine 30 est montée avec possibilité de rotation par rapport au bottier 10 au moyen.de paliers de contact annulaires supérieur et inférieur, 56 et 58. Chaque palier 56 et 58 comporte un chemin de roulement de palier, fait en matériau relativement tendre et élasti- quement déformable, par exemple en caoutchouc et défini par un organe 60 fixé au bottier 10 et un organe 62 fixé à la turbine 30, et des billes 64 faites en matériau re- lativement dur, par exemple en acier. Alternativement les chemins de roulement de palier peuvent être faits en matériau relativement dur et les billes peuvent être fai- tes en matériau relativement tendre. Néanmoins il est préférable que soit les chemins, soit les billes, soient faits dans un matériau relativement tendre, car les pa- liers sont prévus pour être lubrifiés par le courant de boue et l'emploi d'un tel matériau tendre assurera que les paliers soient moins rapidement usés par l'action des particules contenues dans le courant de boue qui se- ront enfermées (piégées) entre les billes et les chemins. Les organes de palier 60 sont capables d'effec- tuer un déplacement de coulissement limité par rapport au boîtier 10 et l'ensemble de palier complet est mainte- nu axialement entre une butée fixe 66 et un collier 68 vissé sur le bottier 10, un ressort 70 étant disposé en- tre le collier 68 et l'organe 60 du palier inférieur 58, afin de permettre une dilatation axiale en service. Lors du fonctionnement, la boue s'écoulant vers le bas dans l'espace annulaire compris entre le bottier 10 et le conduit extérieur (non représenté sur les figu- res 3 à 5), c'est-à-dire dans la direction 28, frappe les lames 34 du stator 32 et est dirigée par ces lames 34 de sorte que la boue frappe ensuite les lames 36 de la tur- bine 30 sous un angle tel qu'une poussée faible ou né- gligeable est exercée dans le sens axial de la turbine , sous l'effet de l'impact du courant de boue sur les lames de turbine 36. En d'autres termes l'ensemble de la poussée agit pratiquement tangentiellement de manière à imprimer un mouvement de rotation à la turbine 30. De cette façon, une poussée faible ou négligeable est trans- mise au palier. Si l'on fait abstraction de toute compo- sante de poussée résultant des forces de viscosité, le vecteur de la poussée sera à angle droit par rapport aux ailettes de turbine, auquel cas on obtiendra le meilleur résultat lorsque les ailettes de turbine sont parallèles & l'axe du boîtier 10. Mais en pratique il existera une résultante des forces de viscosité et il peut être recom- mandé de la compenser en inclinant les ailettes de turbi- ne dans le même sens que les ailettes de stator, de sorte que le courant de boue frappant les ailettes de turbine produit une composante de poussée dans le sens vertical vers le haut, qui équilibre la composante de poussée due aux forces de viscosité. En considération de la poussée très faible ou négligeable éprouvée par les paliers avec une telle dis- position, les paliers peuvent être d'une construction lé- gère et être lubrifiés par le courant de boue. Une telle lubrification est assurée par la boue passant le long des fentes 42 dans le collier 38 de stator et par la boue pas- sant entre les paliers supérieur et inférieur 56 et 58, par l'intermédiaire des fentes 54 dans l'anneau 44 por- tant des aimants de la turbine 30. Dans une disposition alternative possible, cha- que palier 56 ou 58 est remplacé par un palier 80 tel que représenté à partir d'une extrémité sur la figure 6, qui porte directement contre une surface de palier annulaire plate à une extrémité respective de la turbine 30. Le pa- lier 80, qui est représenté comme extrait de l'ensemble sur la figure 6 afin que sa construction puisse être com- prise plus facilement, comprend un manchon métallique 82 pourvu d'une couche de caoutchouc 84 à sa surface inté- rieure et de huit rainures axiales 86, espacées sous des angles égaux, pour l'écoulement de la boue lubrifiante d' une extrémité du manchon à le autre. De plus huit secteurs en caoutchouc 88 sont formés solidairement avec la cou- che 84 et sont positionnés radialement de façon à être directement décalés par rapport aux rainures 86. Les sec- teurs 88 s'étendent axialement depuis l'extrémité du man- chon 82 jusqu'à une distance dépassant le manchon 82 o ils forment huit surfaces de palier radialement espacées, portant contre la surface de palier correspondante sur la turbine 30. Dans une autre disposition alternative possible, les lames de stator peuvent être incurvées sur leur lon- gueur, de sorte que l'angle sous lequel les lames sont inclinées par rapport au courant de boue augmente à mesu- re que la distance par rapport à la turbine décroît. REVENDICATIOI0TS 1. Dispositif devant être monté au fond du trou de forage, pour convertir l'énergie cinétique du courant de boue passant par un train de tiges de forage, de façon à entraXner un générateur ou un instrument de mesure ou de signalisation, le dispositif comprenant un organe d'entraînement tournant disposé de manière que son axe de rotation coincide avec l'axe du train de tiges, une turbine annulaire à ailettes disposée de façon à être entraînée par le courant de boue et coaxiale avec l'organe d'entratnement, auquel elle est accouplée pour lui imprimer un couple d'entralnement, et un palier de turbine annulaire, caractérisé en ce qu'un stator à ailettes (32) est disposé immédiatement en amont de la turbine (30) de façon à agir sur le courant de boue avant qu'il n'atteigne la turbine (30), les ailettes (34) du stator (32) étant inclinées par rapport au courant de boue de manière à ce que le courant de boue frappe les ailettes (36) de la turbine (30) sous un angle tel qu'il en résulte une poussée faible ou négligeable sur le palier (58) de turbine. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les ailettes de stator (34) sont inclinées dans un sens par rapport au courant de boue et que les ailettes de turbine (36) sont pratiquement parallèles au courant de boue ou sont inclinées dans ledit sens par rapport au courant de boue, moins fortement que les ailettes de stator (34). 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les ailettes de stator (34) sont incli- nées, au moins dans leurs parties aval, sous un angle compris dans la gamme de 10 à 15 par rapport au courant de boue. - 4î- -Dispositif- selten -la- -revenddieatiet 1- 2 ou-3- caractérisé en ce que les ailettes de stator (34) sont légèrement incurvées sur leur longueur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le palier (58) de la turbine est d'un type qui est prévu pour être lubrifié par le courant de boue. il 6. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le palier (58) de la turbine inclut au moins une surface faite de matériau élastiquement déforma- ble. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le palier de la turbine comprend des parties de palier supérieure et inférieure (56,58) agissant dans des directions opposées. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le stator (32) et la turbine (30) entourent un boîtier (10) qui contient l'organe d'entraînement (18) dans un environne- ment exempt de boue, le stator (32) étant fixé par rap- port au boîtier (10) par l'intermédiaire du palier (58) de la turbine. 9. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que la turbine (30) est accouplée magnétique- ment à l'organe d'entraînement (18) afin de lui imprimer le couple d'entraînement. 20. 10. Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'entraînement (18) est accouplé à un générateur électri- que (20) pour entraîner le générateur.