Brevet FR2613767A1 — publié le 19881014

BANC D'ESSAI A ECHELLE REDUITE POUR SIMULER LE COMPORTEMENT D'UNE GARNITURE DE FORAGE La présente invention concerne un banc d'essai à échelle réduite pour simuler le comportement d'une partie inférieure d'une garniture de forage porteuse d'un outil de forage, dans une portion inférieure d'un trou de forage. La partie inférieure de la garniture de forage peut être simulée par une tige rotative, mais la réalisation d'un corps creux allongé simulant la portion inférieure du trou de forage présente de grandes difficultés d'usinage dans le cas de puits déviés et l'étude du comportement d'une garniture de forage dans des trous de forage présentant diverses déviations nécessite la réalisation d'autant de corps creux que de déviations différentes. On a trouvé selon la présente invention qutil était possible de réaliser ce corps creux de manière simple et de lui donner les courbures voulues pour simuler des trous de forage présentant diverses déviations. Un objet de l'invention est un banc d'essai à échelle réduite pour simuler le comportement d'une partie inférieure d'une garniture de forage porteuse d'un outil de forage, dans une portion inférieure d'un trou de forage, comprenant une structure support, un corps creux allongé simulant ladite portion inférieure du trou de forage, porté par ladite structure support et une tige rotative simulant la partie inférieure de la garniture de forage, disposée dans ledit corps creux, caractérisé en ce que ledit corps creux est constitué par un tube simulant entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure ladite portion inférieure de trou de forage et en ce que ladite structure support porte, de manière déplaçable et orientable, deux blocs supports, l'un supérieur prévu pour tenir ladite extrémité supérieure et l'autre inférieur prévu pour tenir ladite extrémité inférieure, ledit tube présentant une souplesse suffisante pour s'accomoder des orientations à donner auxdits blocs supports. Avantageusement, ledit tube est en un matériau choisi parmi le chlorure de polyvinyle et le polymétacrylate de méthyle. Selon une disposition préférée, ladite structure support comprend un premier axe support horizontal porté par une paroi fixe, une première règle montée sur ce premier axe support horizontal, qui s'étend selon une première direction longitudinale et qui porte ledit bloc support supérieur, un deuxième axe support horizontal parallèle au premier axe support horizontal et porté par cette première règle, une deuxième règle qui est montée sur ce deuxième axe support horizontal, qui s'étend selon une deuxième direction longitudinale et qui porte ledit bloc support inférieur, le déplacement de ces blocs supports supérieur et inférieur étant effectué par rotation des première et deuxième règles autour respectivement des premier et deuxième axes supports, tandis que sont disposés, entre chaque bloc support et la règle qui le porte, des moyens de rotation à axe perpendiculaire au plan formé par l'axe support et la direction longitudinale de cette règle Selon un autre objet de l'invention, ledit tube comprend au moins deux tronçons de tube réunis l'un à l'autre par des brides fixées sur ceux-ci et enserrant entre elles un palier muni de capteurs de déplacement, tandis que sur ladite tige rotative est montée, au droit de ce palier, une bague simulant un stabilisateur de la garniture de forage. Si la garniture de forage comporte un stabilisateur proche de l'outil de forage, I'invention prévoit de simuler ce stabilisateur sur une portion cylindrique de ladite tige rotative et d'installer dans le bloc support inférieur un palier muni de capteurs de déplacement au droit de cette portion cylindrique de tige rotative. L'appui de l'outil de forage au fond du trou de forage est avantageusement simulé par un système à rotule disposé dans le bloc support inférieur et supportant I'extrémité inférieure de ladite tige rotative. Les efforts exercés sur ce système à rotule peuvent être mesurés et la précision de la mesure est accrue, selon l'invention, en prévoyant des moyens de soulèvement de ladite tige rotative qui permettent de soulager brusquement le système à rotule. L'invention prévoit aussi de simuler le couple résistant opposé à l'outil de forage au moyen d'un coupleur électromagnétique à poudre dont le stator est porté par le bloc support inférieur et le rotor par ladite tige rotative et qui est alimenté en un courant électrique comprenant une composante continue et une composante alternative. Le poids appliqué à l'outil de forage est, selon l'invention, simulé par un ressort à force réglable installé dans ledit bloc support supérieur et poussant vers le bas ladite tige rotative. On va donner, à titre non limitatif, un exemple de réalisation du banc d'essai selon l'invention, en se référant au dessin joint dans lequel: - la Fig I représente schématiquement en élévation un tube simulant la portion inférieure d'un trou de forage, avec les blocs supports supérieur et inférieur; - la Fig 2 est une coupe de ce tube et de la tige rotative simulant une garniture de forage dans une région où l'on doit simuler un stabilisateur; - les Fig 3 à 6 représentent diverses vues de la structure portant les blocs supports supérieur et inférieur; - la Fig 7 est une vue en coupe partielle du bloc support inférieur; - la Fig 8 est une vue en coupe partielle du bloc support supérieur; et - la Fig 9 est une vue en coupe d'un coupleur électromagnétique à poudre simulant le couple résistant opposé à un outil de forage dans un trou de forage. Sur la Fig l on a représenté schématiquement un tube 1 simulant la portion inférieure d'un trou de forage. Ce tube l est en chlorure de polyvinyle ou, si l'on désire avoir une vision directe de la tige simulant la garniture de forage, en polymétracrylate de méthyle. Ce tube est tenu à son extrémité supérieure dans un bloc support supérieur 2 et à son extrémité inférieure dans un bloc support inférieur 3. Ces blocs supports 2 et 3 sont montés sur une structure support (qui n'a pas été représentée sur cette figure) de manière que la position relative de ces blocs et leur orientation puissent être modifiées. Dans l'exemple de la Fig 1, on a supposé que la garniture de forage à simuler comportait un stabilisateur et l'on a formé le tube 1 en deux tronçons de tube 4 et 5 réunis l'un à l'autre par des brides 6 et 7 fixées sur ces tronçons de tube et enserrant entre elles un palier 8 dont la position correspond à celle de l'organe simulant le stabilisateur, comme on le voit sur la Fig 2. Dans l'exemple de la Fig 2, la bride 6 a été collée sur le tronçon de tube 4 et la bride 7 a été collée sur le tronçon de tube 5. Ces deux brides sont sollicitées l'une vers l'autre par des boulons, non représentés, dirigés selon la direction longitudinale des tronçons de tube 4 et 5 à l'endroit où les brides 6 et 7 sont collées sur ceux-ci. Le palier 8 qui se trouve serré entre les brides 6 et 7 porte des capteurs de déplacement 9. Ce palier est aussi muni d'orifices 10, fermés par des bouchons 11, permettant, par exemple, de placer des organes de visualisation de la trajectoire d'une tige creuse simulant la partie inférieure d'une garniture de forage, disposée à l'intérieur des tronçons de tube 4 et 5. Cette tige, désignée par la référence 12, est entourée, à l'emplacement correspondant à celui d'un stabilisateur, par une bague 13 fendue en 14 et serrée autour de la tige 12 par une couronne métallique extérieure 15 simulant ce stabilisateur. Les Fig 3 à 6 montrent un exemple de structure support représentée dans son ensemble, les détails des blocs supérieur 2 et inférieur 3 étant représentés dans d'autres figures. La Fig 3 est une vue schématique de face, la Fig 4 une vue de dessus selon la direction longitudinale d'une première règle et la Fig 5 une vue de c8té, tandis que la Fig 6 est une vue de face un peu plus détaillée. Dans cet exemple une paroi support 16, qui peut être un mur, porte un premier axe support horizontal 17 qui traverse une première règle 18 dans une région centrale de celle-ci et autour duquel peut tourner cette première règle dont l'inclinaison est ainsi variable et peut être mesurée en particulier à l'aide d'un niveau 19 porté par cette règle et visible sur la Fig 6. Cette première règle 18 porte à son extrémité supérieure le bloc support supérieur 2 et dans la région centrale un peu en dessous de l'axe 17, un deuxième axe support 20 qui traverse une deuxième règle 21 dans la région supérieure de celle-ci et autour duquel cette deuxième règle peut tourner pour prendre une inclinaison un peu différente de celle de la première règle 18. Cette inclinaison peut être mesurée en particulier par un niveau 22 porté par la règle 21 et visible sur la Fig 6.La première règle 18 est constituée par un tube à section rectangulaire tandis que la deuxième règle 21 est constituée par un fer plat. Les axes 17 et 20 pourraient aussi être confondus au lieu d'être parallèles et séparés. La première règle 18 porte à son extrémité inférieure un curseur 23 (Fig 3 et 6) qui se déplace en face d'un secteur gradué 24 (Fig 6) porté par la paroi 16 et permettant aussi de connaître l'inclinaison de cette règle de manière précise. De même, la deuxième règle 21 porte à son extrémité inférieure un curseur 25 (Fig 3) qui se déplace en face d'un secteur gradué, non représenté. Si l'inclinaison relative des règles 18 et 21 est faible, ce secteur gradué peut être porté par la première règle 18. Des moyens de blocage en position des règles 18 et 21 sont également prévus, mais n'ont pas été représentés, car ils peuvent être de réalisation classique, par exemple blocage par serrage d'un écrou ou d'une vis au droit des axes supports 17 et 20 ou au droit des secteurs gradués. Les blocs supports 2 et 3 sont montés sur une pièce, respectivement 26, 27 (Fig 3), formant une équerre par rapport à la règle 18, 21 sur laquelle cette pièce est fixée. Un dispositif de déplacement qui sera décrit plus loin permet de faire tourner le bloc support supérieur 2 autour d'un axe 28 (Fig 3) perpendiculaire à la pièce en équerre 26, elle-même placée de manière que cet axe 28 soit perpendiculaire au plan contenant l'axe support 17 et la direction longitudinale de la règle 18. L'axe du tronçon de tube 4 à l'extrémité tenue par le bloc support 2 est perpendiculaire à cet axe de rotation 28, de sorte que cet axe du tronçon de tube 4 peut être déplacé dans un plan perpendiculaire à l'axe 28.De même, un dispositif de déplacement permet de faire tourner le bloc support inférieur 3 autour d'un axe 29 (Fig 3) perpendiculaire à la pièce en équerre 27, elle-même placée de manière que cet axe 29 soit perpendiculaire au plan contenant l'axe support 20 et la direction longitudinale de la règle 21. L'axe de tronçon de tube 5 à l'extrémité tenue par le bloc support 3 est perpendiculaire à cet axe de rotation 29, de sorte que cet axe du tronçon de tube 5 peut être déplacé dans un plan perpendiculaire à l'axe 29. Les tronçons de tube 4 et 5 ont été représentés sur les Fig 5 et 6, mais sans les brides les réunissant l'un à l'autre et, sur la Fig 6, en étant interrompus dans la région centrale de la structure support. La Fig 7 représente en coupe partielle le bloc support inférieur 3. La pièce en équerre 27 est traversée par l'axe de rotation 29 qui porte un support 30, en forme d'équerre, pour le bloc 3. Un plateau micrométrique 31 permet de mesurer de manière précise l'angle de rotation du support 30 par rapport à la pièce en équerre 27. Une vis de blocage 32 figurée seulement par son emplacement assure le blocage du support 30 sur la pièce 27 après réglage de l'angle de rotation mesuré par le plateau 31. La branche libre (celle non appliquée contre la pièce 27) du support 30 est reliée au-dessus d'elle, par des vis non représentées, à une bride 33 sur laquelle est fixée l'extrémité inférieure du tronçon de tube S, non représentée sur la Fig 7.Entre la branche libre du support 30 et la bride 33 se trouve inséré un palier de mesure 34 comportant, comme le palier 8, des capteurs de déplacement et permettant, avec un prolongement cylindrique inférieur 35 de la tige creuse 12 formant avec celle l'ensemble de la tige rotative mentionné plus haut, de simuler un stabilisateur proche de l'outil de forage. Ce palier 34 peut être retourné, sa face inférieure devenant la face supérieure et vice versa, de manière à déplacer le niveau auquel ce stabilisateur est simulé. Sous la branche libre du support 30 est installé un anneau 36 portant des jauges de mesure des efforts latéraux et axiaux exercés par le prolongement 35 sur le support. Cet anneau de mesure 36 est relié par une pièce intermédiaire 37 à une vis creuse 38 qui se visse dans la branche libre du support 30 et permet un ajustement. A l'intérieur de cette vis creuse 38 est disposée une crapaudine 39 formant à sa partie supérieure une cuvette tronconique apte à recevoir l'extrémité semi-sphérique 40 du prolongement 35. Ce système à rotule simule l'outil de forage s'appuyant sur le fond d'un trou de forage. On règle le centre de la rotule pour qu'il soit situé en face de l'axe de rotation 29. A cet effet, on a prévu un écrou de réglage 41 agissant sur une pièce intermédiaire 42.Le système à rotule pourrait être inversé, le prolongement 35 de la tige 12 se terminant par une cuvette renversée venant coiffer une pièce sphérique qui serait portée indirectement par le support 30, par exemple par l'intermédiaire d'une queue fixée à la pièce sphérique et tenue par une pince avec des moyens de réglage du niveau de la pièce sphérique. Pour assurer une grande précision dans la mesure des efforts exercés par le prolongement 35 sur le support et avoir une remise à zéro très rapide des capteurs de mesure de l'anneau 36, on a prévu dans la bride 33 un support de la tige 12 comprenant un palier 43 monté dans une chemise coulissante 44 qui peut être abaissée ou levée au moyen d'un excentrique 45 manoeuvré par une manette 46. Ce système permet de relever brusquement la tige 12 en fin de mesure. La Fig 8 représente en coupe le bloc support supérieur 2. Ce bloc est porté par un support 47 pouvant tourner autour de l'axe de rotation 28 dont on n'a représenté ici que l'emplacement, mais qui peut être réalisé comme l'axe de rotation 29 de la Fig 7 et être monté dans la pièce en équerre 26 de la même manière que l'axe de rotation 29 est monté dans la pièce en équerre 27. De même, le support 47 peut être bloqué sur la pièce 26 après réglage de l'angle de rotation. On a montré par des flèches que la pièce en équerre 26 (ou une pièce intermédiaire montée sur celle-ci) pouvait se déplacer vers le bas ou vers le haut par rapport à la première règle 18 pour que le support 47 puisse suivre les variations de distance entre les deux blocs supports 2 et 3 suivant les inclinaisons données aux tronçons de tube 4 et 5. le support 47 se présente sous la forme générale d'un T dont une branche est appliquée contre la pièce 26 tandis que l'autre branche, libre, comporte un orifice central 48 pour le passage de la tige creuse 12. Cette tige creuse est tenue en position de contact avec la paroi interne de l'extrémité supérieure du tronçon de tube 4 par un corps composé d'une partie supérieure 49 et d'une partie inférieure 50 disposées de part et d'autre de la branche libre du support 47 et serrées contre cette branche par des vis 51 traversant celle-ci. Sur la partie inférieure 50 du corps est fixée, par des vis non représentées, une bride 52 fixée à l'extrémité supérieure du tronçon de tube 4. La partie supérieure 49 du corps se prolonge vers le haut par un carter 53 fixé par des vis 54 et portant la carcasse 55 d'un système d'entraînement en rotation à moteur électrique, non représenté. Ce système entraîne un arbre 56 qui fait saillie à l'intérieur du carter 53. L'extrémité supérieure de la tige creuse 12 est insérée dans un long manchon 57 auquel elle est fixée par serrage d'un écrou 58 disposé à la partie inférieure d'une chape 59 solidarisée en rotation avec l'arbre d'entraînement 56 par un système d'ergots 60 pénétrant dans une fente longitudinale, qui permet un déplacement longitudinal relatif de la chape 59 et de l'arbre 56. Entre la partie supérieure 49 du corps et le manchon 57 sont disposés deux roulements à billes : un roulement à billes supérieur 61 déplaçable longitudinalement à la fois par rapport à la partie supérieure 49 du corps et par rapport au manchon 57 et un roulement à billes inférieur 62 solidaire du manchon 57. Entre le roulement 62 et une butée inférieure 63 portée par la partie supérieure 49 du corps est disposé un ressort 64. Autour du manchon 57 et entre les roulements 61 et 62 sont disposées deux bagues de guidage 65, 66 tenues écartées l'une de l'autre par un ressort 67, tandis que le roulement 61 est retenu vers le haut par une butée supérieure réglable constituée par un écrou 68 qui s'engage dans la partie supérieure 49 du corps.Cet ensemble permet de régler la force exercée de haut en bas sur la tige creuse 12 par l'intermédiaire du manchon 57 et de simuler le poids sur l'outil de forage. Des orifices d'entrée, non représentés, dans le carter 53 et dans le corps, permettent d'établir deux circulations séparées de liquide de haut en bas l'une dans la tige creuse 12, l'autre dans les tronçons de tube 4 et 5, le liquide étant évacué dans le bloc support inférieur 3. La Fig 9 représente, en coupe, un coupleur électromagnétique à poudre que l'on peut insérer dans le bloc support inférieur 3 près du système à rotule 41, 42 simulant l'outil de forage au fond du trou de forage. Ce coupleur électromagnétique comprend une enveloppe 69 portée par le support en forme d'équerre 30 (Fig 7), et montée autour du prolongement 35 de la tige creuse 12 par l'intermédiaire de roulements 70, 71. Le prolongement 35 de la tige creuse 12 porte un rotor magnétique 72 entouré par un stator magnétique 73 monté dans l'enveloppe 69. Dans ce stator 73 est disposée une bobine électrique annulaire 74 alimentée par des conducteurs 75. Dans l'entrefer 76 entre le rotor 72 et le stator 73 se trouve une poudre douée de propriétés magnétiques et mécaniques telles que sous l'effet d'un champ magnétique les grains de poudre forment des chaînent orientées entre stator et rotor, dont la rigidité est fonction du champ magnétique régnant dans cet entrefer. La bobine 74 est alimentée en un courant comprenant une composante continue et une composante alternative afin de simuler le couple résistant de l'outil de forage dans la roche qu'il attaque, la composante alternative étant destinée à rendre compte des variations du couple résistant dues aux dents de l'outil. Les divers organes de mesure peuvent être reliés à un système de traitement de l'information qui n'a pas été décrit ici car il ne fait pas partie en lui-même de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Banc d'essai à échelle réduite pour simuler le comportement d'une partie inférieure d'une garniture de forage porteuse d'un outil de forage, dans une portion inférieure d'un trou de forage, comprenant une structure support, un corps creux allongé simulant ladite portion inférieure du trou de forage, porté par ladite structure support et une tige rotative simulant la partie inférieure de la garniture de forage, disposée dans ledit corps creux, caractérisé en ce que ledit corps creux est constitué par un tube (4, 5) simulant entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure ladite portion inférieure de trou de forage et en ce que ladite structure support (16, 17, 18, 20, 21, 26, 27) porte, de manière déplaçable et orientable, deux blocs supports (2, 3), I'un supérieur (2) prévu pour tenir ladite extrémité supérieure, L'autre inférieur (3) prévu pour tenir ladite extrémité inférieure, ledit tube présentant une souplesse suffisante pour s'accommoder des orientations à donner auxdits blocs supports (2, 3). 2 - Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube (4, 5) est en un matériau choisi parmi le chlorure de polyvinyle et le polymétacrylate de méthyle. 3- Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure support comprend un premier axe support horizontal (17) porté par une paroi fixe (16), une première règle (18) montée sur ce premier axe (17), qui s'étend selon une première direction longitudinale et qui porte ledit bloc support supérieur (2), un deuxième axe support horizontal (20) parallèle au premier axe support horizontal et porté par cette première règle (18), une deuxième règle (21) qui est montée sur ce deuxième axe support horizontal (20), qui s'étend selon une deuxième direction longitudinale et qui porte ledit bloc support inférieur (3), le déplacement de ces blocs supports supérieur (2) et inférieur (3) étant effectué par rotation des première (18) et deuxième (21) règles autour respectivement des premier (17) et deuxième (20) axes supports horizontaux, tandis que sont disposés, entre chaque bloc support (2, 3) et la règle (18, 21) qui le porte, des moyens de rotation à axe (28, 29) perpendiculaire au plan formé par l'axe support horizontal (17, 20) et la direction longitudinale de cette règle (18, 21). 4 - Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube comprend au moins deux tronçons de tube (4, 5) réunis l'un à l'autre par des brides (6, 7) fixées sur ceux-ci et enserrant entre elles un palier (8) muni de capteurs de déplacement (9), tandis que sur ladite tige rotative (12) est montée, au droit de ce palier (9), une bague (15) simulant un stabilisateur de la garniture de forage. 5 - Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc support inférieur (3) comporte un palier (34) muni de capteurs de déplacement tandis que ladite tige rotative (12) comporte une portion cylindrique (35) simulant au droit de ce palier (34) un stabilisateur proche de l'outil de forage. 6- Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc support inférieur (3) comporte un système à rotule (39, 40) supportant l'extrémité inférieure de ladite tige rotative (12), pour simuler l'appui de l'outil de forage au fond du trou de forage. 7- Banc d'essai selon la revendication 6, dans lequel ledit bloc support inférieur (3) comporte des moyens (36) de mesure des efforts exercés par ladite tige rotative (12) sur le système à rotule (39, 40), caractérisé en ce que ledit bloc inférieur (3) comprend aussi des moyens de soulèvement (43, 44, 45, 46) prévus pour agir sur ladite tige rotative (12) et soulager brusquement ledit système à rotule (39, 40) afin de remettre à zéro ces moyens de mesure (36). 8- Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc support inférieur (3) porte le stator (73) d'un coupleur électromagnétique à poudre dont le rotor (72) est porté par ladite tige rotative (12) et en ce que ce coupleur électromagnétique à poudre est alimenté en un courant électrique comprenant une composante continue et une composante alternative afin de simuler le couple résistant auquel est soumis l'outil de forage. 9- Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc support supérieur (2) comporte un ressort (67) à force réglable (68) poussant vers le bas ladite tige rotative (12) pour simuler le poids appliqué sur l'outil de forage.