Brevet FR2649155A1 — publié le 19910104

DISPOSITIF DE MESURE DYNAXOTRIQUE POUR TIGE DE FORAGE La présente invention concerne un dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage. Pour réaliser un dispositif dynamométrique de mesure des forces et contraintes exercées sur la tige de forage, le problème majeur n'est pas de prélever la mesure mais de la transmettre dans des conditions optimales vers l'ensemble d'acquisition chargé de la traiter. Ainsi, compte tenu de la longueur des câbles reliant l'ensemble de mesure a l'ensemble d'acquisition, il est capital de se prémunir de toutes les causes imaginables de dégradation des signaux à transmettre. Par ailleurs, il est nécessaire de transmettre les signaux électriques de l'ensemble en rotation constitué par la garniture de forage vers un repère fixe constitué par le mat. Enfin, il est nécessaire de prendre des mesures pour éviter que les signaux envoyés soient perturbés par le passage des pièces mobiles aux pièces fixes. Un premier but de l'invention est donc de pallier au moins un de ces inconvénients. Ce but est atteint par le fait que le dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage comprend, solidaires de la tige tournante, des capteurs et une électronique de conditionnement des signaux fournis par ces capteurs, cette électronique étant solidaire des pièces tournantes, les capteurs disposés dans une gorge et les signaux de mesure étant transmis a une partie fixe par un ensemble collecteur tournant balai fixe, la traversée de l'ensemble collecteur balai s'effectuant à courant nul. Selon une autre particularité de l'invention, les signaux de mesure de chaque capteur sont transmis par une voie constituée d'une piste indépendante et une piste de masse, chacune des deux pistes étant en contact avec une double paire de balais, chaque balai ayant une fréquence de résonnance propre. Selon une autre particularité, le dispositif comprend des capteurs pour mesurer la traction, la torsion, les accélérations longitudinales et transversales, la température et la vitesse de rotation de la tige de forage. Un autre but de l'invention est d'assurer un compromis entre la manoeuvrabilité et l'emplacement de l'électronique. Ce but est atteint par le fait que l'électronique solidaire des pièces tournantes, branchée entre les capteurs et le collecteur tournant, est constituée d'étages amplificateurs a basse impédance de sortie pour chaque voie de mesure. Selon une autre particularité, l'alimentation de l'électronique entraînée en rotation est assurée par deux voies supplémentaires. Un autre but de l'invention est d'améliorer significativement l'information que l'on peut exploiter en provenance des capteurs. Ce but est atteint par le fait qu'un deuxième circuit électronique est monté sur la partie fixe reliée aux balais, ce circuit électronique comportant, en aval de chaque balai, un etage d'amplificateurs suiveurs à très haute impédance d'entrée. Un autre but de l'invention est de limiter au minimum le nombre de voies compatibles tout en maintenant la meilleure qualité d'analyse de signal. Ce but est atteint par le fait que le second circuit électronique comporte, en aval de chaque amplificateur suiveur, un circuit de séparation de la composante statique et un circuit de séparation de la composante dynamique du signal. Selon une autre particularité de l'invention, la voie de séparation de la composante statique comporte un filtre passe-bas de fréquence de coupure égale à 10 z en série avec un amplificateur de ligne. Selon une autre particularité de l'invention, la voie de séparation de la composante dynamique comprend un condensateur de coupure de la composante statique en série avec un filtre dynamique passe-bande de frequence de coupure comprise entre 0,1 Hertz et 1 EHz en série avec l'amplificateur de ligne. Un autre but de l'invention est de constituer un dispositif fiable, etanche et anti-déflagrant. Ce but est atteint par le fait que l'ensemble est monté dans un volume limité à ses extrémités par des collerettes supérieures et inférieures montées tournantes par rapport a la tige de forage et de façon étanche, et un fourreau cylindrique de longueur correspondant a la distance séparant les collerettes supérieures et inférieures pour former un espace annulaire étanche entre la tige de forage et l'intérieur du fourreau. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif de mesure dynamométrique; - la figure 2 représente le schéma de principe des composants électriques et électroniques de l'ensemble; - la figure 3A représente le schéma du circuit électronique tournant situé en amont du collecteur å balai; - la figure 3B représente le schéma du circuit électronique fixe situé en aval du collecteur à balai; - la figure 4 représente le schéma de la partie alimentation du circuit électronique. Le dispositif de mesure dynamométrique est plané sur une tige de forage (1) dans un espace délimité par ne collerette supérieure (110) montée tournante et de façon étanche par rapport à la tige au moyen d'un roulement (11). De même, une collerette inférieure (120) est montée tournante au moyen d'un roulement (12) sur la tige (1). Un fourreau (100) vient se mettre en place pour former un volume étanche délimité par la collerette supérieure (110) et la collerette inférieure (120) et le diamètre intérieur du fourreau (100). A l'intérieur du volume annulaire compris entre le fourreau (100) et la tige (1) on dispose, dans une gorge (10) de la tige (1), des jauges de traction (60,61), un couple (70,71) de jauges formant une jauge de torsion, une jauge de température (50), un couple d'accéléromètres longitudinaux (20,21) et trois accéléromètres transversaux (40,41,42). Chacune de ces jauges constitue une voie de mesure. Un circuit électronique (3) de traitement des signaux fournis par ces différents capteurs est monté solidaire de la tige de forage (1) a l'intérieur du volume délimité par les collerettes. Au-dessus de la gorge (10) et solidaire de la tige (l) est monté un ensemble de pistes formant un collecteur tournant (80). Une paire de pistes est associée a chaque voie de mesure.Les signaux délivrés par chaque paire de pistes sont prélevés par deux paires de balais associés a chaque voie et représentés par la référence (81). L'ensemble porte balais (81) est rendu solidaire de la collerette supérieure (110) qui est ellemême rendue solidaire, au moyen d'un bras d'arrêt en rotation, de la partie fixe constituée par le mât du forage. Les balais sont reliés a un second circuit électronique de traitement des signaux de chaque voie de mesure dont les sorties sont envoyées par l'intermédiaire d'un connecteur (90) vers un câble de transmission à N paires blindées individuellement par un blindage extérieur pour N/2 voies de mesure. Les signaux délivrés par les capteurs (20,40,70,60) sont envoyés a un premier circuit électronique (3) situé en amont du collecteur tournant (80) et de l'ensemble balai fixe (81). Les signaux récupérés par l'ensemble balai- fixe (81) sont envoyés sur un circuit électroniqué (9) situé en aval de ces derniers et les sorties de ce circuit électronique sont envoyées à un connecteur ADF (90) pour transmission au câble blindé. En plus de chaque voie de mesure constituée par une paire de pistes collecteur tournant, l'ensemble collecteur-balai comporte deux autres paires de pistes destinées à transmettre l'alimentation provenant du circuit électronique fixe pour alimenter les capteurs et le circuit électronique tournant (3). Une première paire de pistes du collecteur (80) est reliée par un condensateur (395), comme représente à la figure 4. Cette paire de pistes fournit d'un côté une tension de + 12 volts, de l'autre côté la masse au circuit électronique tournant. La paire de pistes est reliée à une double paire de balais (81) branchés aux bornes d'un condensateur (955) lui-même connecté en parallèle aux bornes d'un condensateur (954). Ce condensateur (954) est branché d'une part à la sortie d'un circuit régulateur (953) et d'autre part à une des bornes d'un condensateur (952) dont l'autre borne est reliée à l'entrée de ce circuit régulateur (953). Un autre condensateur (951) est également branché en parallèle entre les bornes du condensateur (952).Enfin un dispositif auto-protecteur 8950) est branché en parallèle aux bornes du condensateur (951) et reçoit, par le connecteur (90), d'une part l'alimentation +18 volts et, d'autre part la masse. Un circuit identique à celui représente à la figure 4 et portant la référence (96) sera utilisé pour constituer l'alimentation négative -12 volts nécessaire au fonctionnement des capteurs et de l'électronique tournante (3). Une voie de mesure du dispositif constituant le circuit électronique (3) situé en amont est représenté a la figure 3A. Cette voie de mesure comprend une jauge (20) constitué, par exemple, un pont de Wheatstone constitué par association de quatre résistances (20,31,32,33). La diagonale de ce pont est reliée, d'une part à la borne positive, d'autre part à la borne négative d'un amplificateur différentiel (34) tandis que l'autre diagonale de ce pont de Wheatstone est reliée, d'une part à l'alimentation de + 12 volts, d'autre part à l'alimentation de - 12 volts. La sortie de l'amplificateur différentiel (34) est relié à l'entrée positive d'un deuxième amplificateur différentiel (35) dont la sortie est bouclée sur son entrée négative. Ce deuxième amplificateur (35) constitue un étage suiveur à très basse impédance de sortie.La sortie de cet amplificateur (35) est envoyée sur une bague de l'ensemble collecteur (80), l'autre bague du collecteur constituant la voie de mesure est formée par la masse. Le signal envoyé par la paire de bagues est prélevé dans une double paire de balais (81,fig 3B) et envoyé sur l'entrée positive d'un amplificateur différentiel (91) dont la sortie est rebouclée sur son entrée négative. La sortie de cet amplificateur (91) est envoyée, d'une part vers un circuit d'extraction de la composante statique, d'autre part vers un circuit (94) d'extraction de la composante dynamique du signal de mesure. Ces étages sont suivis d'un étage amplificateur de ligne et de protection. L'amplificateur (91) constitue un étage suiveur à très haute impédance d'entrée. L'association de l'étage suiveur å basse impédance de sortie avec l'étage suiveur à très haute impédance d'entrée situés respectivement en amont et en aval de l'ensemble collecteur balai, permet d'assurer une transmission des signaux de mesure à courant nul. Ceci permet de disposer d'une bande passante relativement large et de conserver à la mesure sa précision, bien que l'état de propreté ou d'usure des disques et balais du collecteur constitue la principale source de bruit à l'intérieur du dispositif de mesure dynamométrique. Par ailleurs, la séparation des composantes statiques et dynamiques et l'amplification extrême de cette dernière avant transmission permet d'améliorer significativement l'information que l'on va par la suite exploiter.L'étage de séparation des composantes statiques des signaux de mesure est constitué d'un circuit intégrateur formé d'une résistance (920) montée en série avec un condensateur (921) entre la sortie de l'amplificateur (91) et la masse. Le point commun à la résistance (920) et au condensateur (921) est relié à l'entrée positive d'un amplificateur de ligne (930) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée négative. La sortie de cet amplificateur de ligne (930) est envoyée sur une résistance (931) dont la sortie est reliée d'une part au connecteur (90), d'autre part a la masse, par l'intermédiaire d'un élément protecteur (932), tel que, par exemple, une diode Zener. Le circuit d'extraction de la composante dynamique (94) est constitué d'un condensateur (940) branché à la sortie de l'amplificateur (91). Ce condensateur (940) est d'autre part relie à la masse par un circuit constitué d'une résistance (941) en série avec un condensateur (943).Le point commun à la résistance (941) et au condensateur (943) est relié, d'une part, par une résistance (942), à l'entrée négative d'un amplificateur différentiel (945) et, d'autre part, par une résistance (947), à la sortie de cet amplificateur (945). La sortie de l'amplificateur (945) est également reliée par un condensateur (946) à l'entrée négative de ce dernier. L'entrée positive de l'amplificateur (945) est reliée, par une résistance (944) à la masse. La sortie de cet amplificateur (945) est envoyée sur un filtre passe-bas constitué d'une résistance (922) reliée par un condensateur (923) à la masse. Le point commun à la résistance (922) et au condensateur (923) est relié à l'entrée positive d'un amplificateur de ligne (930) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée négative. La sortie de cette amplificateur est envoyée sur une résistance (931) reliée, d'une part au connecteur (90), d'autre part, par un fusible (932) à la masse. Le condensateur (940) permet l'élimination de la composante continue des signaux et le circuit constitué par l'amplificateur (945), les résistances (941,942,944,947), les condensateurs (943,946) constituent un filtre passebande dont les fréquence de coupure sont comprises entre 0,1 et KHz. La séparation des composantes statiques et dynamiques et l'amplification extrême de cette derniere avant transmission permet d'améliorer significativement l'information que l'on peut espérer exploiter après mesure. Par exemple, le transport séparé de la composante statique et de la composante dynamique amplifiée 300 fois permet d'espérer un rapport signal sur bruit 300 fois supérieur après transmission. Si l'on suppose que cette composante dynamique est par la suite traitée par un ensemble numérique, c'est un accroissement non négligeable de la résolution que permet la technique de séparation des composantes statique et dynamique du signal. La séparation des composantes statiques et dynamiques est effectuée en aval du collecteur pour diminuer le nombre de bagues du collecteur et ainsi le volume et le coût du dispositif. Le dispositif ainsi réalisé correspond a un encombrement réduit, à un nombre de pieces minimum et à une sécurité et une qualité de mesure optimum. Enfin la présence d'autant d'amplificateurs de lignes que de canaux a transmettre en amont de la connectique (90) permet d'améliorer les caractéristiques des signaux transmis et en particulier de diminuer le niveau de bruit de la transmission, notamment quand les équipements vieillissent. Par ailleurs, les étages de protection prévus soit au niveau des étages de sortie, c'est-à-dire après les amplificateurs de ligne soit au niveau des étages d'entrée des alimentations, protègent l'équipement contre les aléas du chantier ou plussimplement contre les parasites liés à la foudre ou à la commutation de machines électriques importantes situées à proximité. D'autres modifications de l'invention à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage comprenant, solidaires de la tige tournante (1), des capteurs (20,40,60,70,50) et un premier circuit électronique (3) de conditionnement des signaux fournis par ces capteurs, caractérisé en ce que le circuit électronique (3) est solidaire des piéces tournantes (1), les capteurs sont disposées dans une gorge (10) les signaux de mesure sont transmis a une partie fixe (110,9,8i) par un ensemble collecteur tournant (80) balai fixe (81), et la traversée de l'ensemble collecteur (80) balai (81) s'effectue a courant nul. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux de chaque voie de mesure fournie par chaque capteur ou chaque jauge sont transmis par une piste indépendante du collecteur et une piste de masse. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alimentation de 1'électronique (3) entraînée en rotation est assurée par une deux voies supplémentaires. 4) Dispositif selon une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'électronique solidaire des parties tournantes et branchée entre les capteurs (20,40,60) et le collecteur (80) tournant est constituée pour chaque voie d'un etage amplificateur (35) a basse impédance de sortie. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs, pour mesurer la traction, (70,71), la torsion, (20,21), les accélérations longitudinales, (40,41,42) les accélérations transversales, (50), la température et la vitesse de rotation de la tige de forage. 6) Dispositif selon une des revendicatons précédentes caractérisé en ce qu'un deuxième circuit électronique (9) est monté sur la partie fixe reliée aux balais (81), ce circuit électronique comportant, en aval de chaque paire de balais (81), un étage d'amplificateurs suiveurs (91) à très haute impédance d'entrée. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième circuit électronique comporte, en aval de chaque amplificateur suiveur (91) de chaque voie, un circuit de séparation de la composante statique et un circuit de séparation de la composante dynamique du signal. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de séparation de la composante statique comporte un filtre passe-bas (920,921), de fréquence de coupure égale à 10 KHz en série avec un amplificateur de ligne (930) et un élément de protection (932). 9) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de séparation de la composante dynamique du signal comprend un condensateur (940) de coupure de la composante statique en série avec un filtre dynamique passe-bande de fréquence de coupure comprise entre 0,1 Hertz et 1 KHz, un amplificateur de ligne (930) et un circuit de protection (932). 10) Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble est monte dans un volume limité à ses extrémités par des collerettes supérieures (110) et inférieures (120) montées de façon étanche et tournantes par rapport à la tige de forage (1), et un fourreau cylindrique (100) de longueur correspondant å la distance séparant les collerettes supérieures (110) et inférieures (120) pour former un espace annulaire étanche entre la tige de forage et l'intérieur du fourreau.