Brevet FR2881172A1 — publié le 20060728

La présente invention a pour objet une tige de forage apte à constituer un support de transmission de signaux sur sa longueur et au travers de ses moyens d'attelage aux tiges qui la précèdent et la suivent dans un train de tiges de forage. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Il existe de nombreux procédés traitant de la transmission des informations entre un émetteur et un récepteur dans le domaine du forage, notamment pétrolier. L'émetteur peut être soit l'équipement en fond de forage, le récepteur étant alors l'installation au sol permettant d'enregistrer les paramètres relevés au niveau de ce fond, ou l'émetteur peut être l'équipement au sol pour commander l'équipement de fond. Le pilotage d'une opération de forage en temps réel requiert un débit de transmission de signaux de plus en plus élevé. Pour atteindre les exigences requises on s'oriente depuis quelques années vers des technologies dans lesquelles on tente de maîtriser la qualité des supports de cette propagation de signaux tant sur le plan de sa conductivité que sur le plan de sa continuité. Le support est bien entendu réalisé sous forme d'une boucle formant une sorte de BUS de circulation des signaux. L'une des branches de la boucle est constituée par le train de tiges lui-même et tant au plan de la conductivité qu'au plan de la continuité, ce train de tiges répond correctement aux exigences d'une transmission à haut dé-bit. Il n'en est pas de même pour l'autre branche de la boucle qui est isolée électriquement du train de tiges mais dont la conductivité et la continuité sont beaucoup plus difficiles à réaliser. Des solutions à ce problème sont illustrées par les documents FR 2 817 588, US 4 899 924, EP 295 178... On mentionnera particulièrement le document WO 0206716 et le document FR 2 819 751 qui proposent pour l'un une solution inductive et pour l'autre une solution conductive à l'établissement d'une continuité de cette seconde branche de la boucle de courant au niveau de chacune des connexions des tiges d'un train de tiges. OBJET DE L'INVENTION La présente invention est une solution alternative à ce problème de continuité et de conductivité par laquelle on entend réduire au maximum les pertes ou atténuations des signaux au niveau de chacune des connexions de tige. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet donc, l'invention a pour objet une tige tubulaire de forage en matériau électriquement conducteur, comportant des moyens de connexion mâles à une extrémité et femelles à l'autre extrémité et comportant des moyens de transmission de signaux, dans laquelle tige ces moyens de transmission de signaux comprennent au moins un conducteur électrique en forme de ruban plat rapporté par collage le long de la surface interne de la paroi de la tige, isolé électriquement de cette surface qui est ensuite recouverte avec le conducteur d'un revêtement synthétique isolant résistant à l'abrasion et au moins une antenne annulaire à chaque extrémité de la tige. Le premier intérêt de cette structure de tige tubulaire de forage réside dans le fait qu'elle ne se distingue pas en fabrication d'une tige absolument classique. Son équipement supplémentaire peut être réalisé d'une manière extrêmement simple pour ce qui concerne la partie courante de cette tige. En outre, cet équipement supplémentaire n'introduit aucune aspérité significative dans l'espace intérieur du train de tiges qui pourrait être soumise à une abrasion augmentée du fait de la perturbation introduite dans l'écoulement de la boue. De manière préférée, le ruban conducteur est pourvu de perforations traversantes si bien que le revêtement isolant et résistant à l'abrasion peut remplir ces perforations et améliorer la solidarisation du ruban plat à la tige. Pour réaliser la continuité de ce conducteur rapporté au niveau de chacune des connexions de tige, l'invention propose plusieurs structures différentes. Tout d'abord, dans une première réalisation, le ruban plat est connecté à chacune de ses extrémités à au moins un conducteur annulaire isolé d'axe parallèle à l'axe de la tige et logé dans un chambrage des moyens de connexion. Dans les tiges de forage classiques, les moyens de connexion sont généralement des moyens de vis- sage à filets coniques réalisés respectivement sur un nez en partie mâle et à l'intérieur d'un manchon en partie femelle. Il existe donc des endroits du manchon et des endroits du nez qui vont se retrouver en face à face lorsque la connexion sera réalisée et ce sont dans ces endroits que l'on aura réalisé les chambrages susdits de sorte que ces chambrages sont en regard l'un de l'autre à la fin de l'aboutement de deux tiges. L'un des avantages de cette structure est que les conducteurs annulaires si-tués dans les chambrages sont protégés du milieu agressif que peut constituer la boue circulant à l'intérieur de la tige. Ils sont couplés par rayonnement à la manière des antennes et on pourra avantageusement prévoir que chaque conducteur annulaire soit réalisé sous forme d'un enroulement de plusieurs spires adjacentes. Et comme les con- ducteurs annulaires couplés sont logés l'un dans l'autre, la qualité de la transmission au niveau du joint de tige est indépendante de la précision de réalisation des moyens de raccordement. Pour améliorer la transmission par rayonnement, on revêt les parois de chacun des chambrages d'un matériau amagnétique pour constituer une cage de Faraday. Dans une variante de cette première réalisation, chaque conducteur annulaire est noyé dans une bague en matériau synthétique électriquement isolant à l'égard des faces du chambrage. Afin d'optimiser le couplage par rayonnement, il est aussi possible de prévoir selon l'invention que chaque conducteur (isolé électriquement) an- nulaire, bague ou succession de spires, soit noyé dans un matériau synthétique qui soit est conducteur, soit comporte une partie isolante en regard des faces du chambrage et une partie conductrice au contact du conducteur annulaire et en regard du chambrage de l'autre tige lors- que deux tiges consécutives sont aboutées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après de quelques exemples de réalisation. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un puits de forage en cours de réalisation, - la figure 2 est une vue extérieure d'une tige de forage, -la figure 3 est une vue isométrique partielle de la tige à partir d'un plan de coupe transversal III-III de la figure 2, - la figure 4 illustre un premier mode de réali- sation de l'invention, - la figure 5 est une vue schématique d'une va-riante de ce premier mode de réalisation, - la figure 6 illustre par une même vue une deuxième variante de réalisation de la figure 4, - la figure 7 est un schéma d'une troisième va-riante de réalisation de la figure 4, - la figure 8 est une vue partielle en coupe il-lustrant une autre réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le schéma de la figure 1 représente donc un puits de forage en cours de réalisation. Le train de tiges 1, constitué d'une suite de tiges de forage tels que la, lb est mis en rotation par la table 2 de l'installation ou derrick 3 en appui sur le sol. L'ensemble du train de tiges est soutenu par un moufle 4 qui permet les translations du train de tiges et l'application du poids sur l'outil de forage 5. Ce dernier est généralement fixé à l'extrémité basse d'une masse-tige 6 dans laquelle est logé un module électronique 7 qui englobe à la fois les capteurs et les moyens pour transmettre les informations vers la surface ou recevoir d'autres informations en provenance de la surface. La boue de forage propre est injectée au moyen d'une pompe au niveau de la tête d'adduction 8, passe au travers de l'ensemble du train de tiges pour ressortir au niveau de l'outil de forage. La boue chargée circule ensuite dans l'espace annulaire 9 entre la surface extérieure du train de tiges et les parois du forage 10. A l'extrémité haute du forage, un tube 11 est scellé dans le terrain 12 par l'intermédiaire d'un coulis de cimentation 13. Le tube est lui-même surmonté par une vanne d'isolement 14 au travers de laquelle le train de tiges passe ainsi que le retour de la boue chargée ex-traite par le déversoir 15. Un équipement électronique 16 de surface est relié au train de tiges 1 par l'intermédiaire d'un câble 17 et d'un collecteur tournant 18 situé sur la première tige 19. Les moyens électroniques 16 peuvent tout aussi bien comporter une unité d'enregistrement que des dispositifs de commande d'actionneurs pour modifier la trajectoire du forage par exemple. Au fur et à mesure de l'approfondissement du forage, le train de tiges est ouvert et une tige supplémentaire est insérée entre la première tige 19 et le reste du train de tiges. Chacune des tiges utilisées est représentée à la figure 2 dans son orientation verticale adaptée à son insertion dans le train de tiges. Ainsi, de manière connue, chaque tige possède-t-elle un manchon femelle supérieur 20 équipé intérieurement d'un taraudage conique 21 qui s'étend entre deux épaulements d'appui 22 et 23. En partie inférieure, la tige comporte un nez de connexion 24 avec un filetage conique extérieur 25 qui s'étend entre deux épaulements 26 et 27. Lorsqu'une tige est aboutée au train de tiges, son épaulement 26 est au contact de l'épaulement 22 de la dernière tige du train de tiges. Il se peut également que l'épaulement 27 soit au contact de l'épaulement 23 de cette dernière tige mais ceci n'est pas toujours le cas. A la figure 3, on retrouve une tige creuse la, lb tubulaire sectionnée dans sa partie courante et équipée intérieurement d'un conducteur plat 28 collé sur la sur-face interne de la tige au moyen d'une colle isolante 29 et recouvert ainsi que tout le reste de la surface intérieure de la tige, d'une résine 30 formant un revêtement isolant et résistant à l'abrasion. On a représenté sur cette figure un orifice 31 débouchant au travers du conducteur plat 28 et de la colle isolante 29, cet orifice présentant l'avantage de pouvoir être rempli par le matériau synthétique 30 et donc de renforcer la liaison du conducteur 28 à la tige de forage. Le ruban conducteur 28 en compte bien entendu plusieurs. En outre, une tige peut comporter plusieurs rubans conducteurs. La surface intérieure du train de tiges est très peu perturbée par ces rubans collés et enrobés si bien que cette adjonction est peu sujette à une érosion intense par la boue en circula- tion. A la figure 4 on a représenté, par une coupe partielle axiale, la liaison de deux tiges de forage successives. On retrouve sur cette figure certains des éléments déjà décrits avec les mêmes références. On constate que les filets 21 et 25 sont encadrés tant en ce qui concerne la partie mâle que la partie femelle des éléments de liaison de tige par des sections cylindriques 32, 33 pour la partie mâle et 34, 35 pour la partie femelle. Lorsque l'assemblage est réalisé, la section cylindrique 35 de la partie femelle est située en regard de la section cylindrique 33 de la partie mâle, chacune de ces sections étant pourvue d'un chambrage 36 dans la partie femelle et 37 dans la partie mâle. Dans chacun de ces chambrages, on a disposé un conducteur circulaire ici représenté sous la forme de plusieurs spires isolées électriquement référencées 38 pour la partie femelle et 39 pour la partie mâle, reliées électriquement au conducteur plan 28 collé sur la surface intérieure de chacune des tiges reliées. L'axe de ces enroulements est celui de la tige. La liaison des en-roulements 38 et 39 au ruban conducteur 28 est réalisée par un fil isolé 40 logé dans une encoche 41 ménagée dans l'épaulement 23 de la partie femelle et par un fil isolé 42 logé dans un orifice radial 43 ménagé dans le nez mâle 24 sensiblement à la jonction de la section cylindrique 33 et de la section filetée 25. :De manière préférée, chaque chambrage 36 et 37 est revêtu d'un matériau amagnétique en feuille 44, 45, (cuivre, nickel...) formant une cage de Faraday pour les deux enroulements 38 et 39 qui sont ainsi couplés électromagnétiquement à la manière d'une antenne. Les spires en fil isolé ainsi que les fils isolés de liaison de ces spires avec le ruban 28 sont noyées dans une matrice de résine électriquement isolante et résistante à la pres- lion de la boue de forage. La qualité du couplage est in- 2881172 8 dépendante de la précision de la position axiale relative des enroulements 38, 39 donc de la précision des dimensions séparant les épaulements 22, 23 et 26, 27 de chaque tige. A la figure 5, on a représenté une variante de réalisation de cette disposition de couplage des rubans conducteurs 28 entre eux au niveau de chaque jonction de tige, dans laquelle des chambrages 46 et 47 ont été réalisés dans les sections cylindriques 32 et 34 décrites précédemment. Ces chambrages accommodent également un en-roulement de fils conducteurs isolés 48, 49 reliés électriquement au conducteur 28 correspondant à la tige dans laquelle le chambrage a été réalisé au moyens de passages appropriés (rainurage et perçages). A la figure 6 on retrouve certains des éléments déjà décrits en regard à la figure 4 avec les mêmes références. Dans ce cas particulier, les spires isolées des enroulements 38 et 39 sont noyées dans un caoutchouc ou un matériau élastomère 50, 51 rendu conducteur par une charge conductrice (poudre de carbone...). L'épaisseur de cet enrobage 50, 51 est telle que lorsque les tiges sont aboutées par vissage, il se produit une légère interférence entre ces enrobages au niveau de leur contact, ce qui assure une continuité entre ces deux élastomères qui devient un milieu quasiment continu de propagation du rayonnement. A la figure 7 la variante de réalisation représentée diffère des précédentes en ce que les enroulements sont remplacés, par des bagues de cuivre souple 52, 53 formées à partir de tresses. Chacune de ces bandes est enrobée dans un élastomère à deux matériaux 54, 55, l'élastomère 54 étant isolant et tourné du côté des chambrages tandis que l'élastomère 55 qui enrobe une bague est un élastomère conducteur qui fait face à l'élastomère conducteur qui enrobe l'autre bague. Chacune des bagues 2881172 9 peut présenter des extensions d'encrage 56 dans l'élastomère conducteur formé par exemple par des crevés ou des enfoncements réalisés à la presse dans la tresse de leur réalisation. Comme dans le cas de la figure 6, la dureté de l'élastomère est une dureté qui correspond à celle des joints toriques par exemple. De la même manière que pour la figure 6, les dimensions des enrobages sont telles que lorsque les tiges sont connectées, il existe une légère pression entre les élastomères conducteurs 55 qui assu- rent donc une quasi continuité physique entre les bagues 52 et 53. La fixation de ces conducteurs circulaires dans les chambrages correspondants est réalisée par tout moyen et notamment par collage. On notera par ailleurs qu'aux figures 6 et 7 le chambrage réalisé sur la pièce mâle d'accouplement est débouchant en extrémité de cette pièce. On peut profiter de cette disposition pour allonger axialement l'enrobage de la bague de cuivre 53 afin de provoquer une compression axiale de cet enrobage lors de la connexion des tiges, compression axiale qui conduirait à un gonflement radial de cet enrobage et donc à un meilleur contact entre les parties conductrices de l'en-robage. A la figure 8 enfin, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le ruban plat est connecté à chacune de ses extrémités à un conducteur annulaire, par exemple une bague de cuivre 57, 58 respectivement logée dans un chambrage 59, 60 ménagé à chacune des extrémités de la surface intérieure de la tige. Cette bague de cuivre est isolée de la tige par une manchette 61, 62 en matériau isolant par exemple une matière plastique genre polyéthylène et un joint conducteur 63 formé par un anneau à écrasement est placé entre les deux surfaces frontales des bagues de cuivre 57 et 58 se faisant face pour pouvoir être pincé et écrasé entre cel- les-ci lors de la connexion. Cet écrasement assure la continuité électrique entre les bagues de chaque tige. Le joint 63 peut être avantageusement pourvu de lèvres 64, 65 qui viennent recouvrir les extrémités des bagues de cuivre elles-mêmes revêtues du revêtement 30 susdit. Le joint à écrasement permet de prendre en compte les dispersions dimensionnelles de l'assemblage fileté des tiges dues aux tolérances de fabrication (ou permet de conserver des tolérances de fabrication larges). La transmis- lion est réalisée, dans ce cas également, principalement par rayonnement entre les deux bagues 57 et 58 au travers notamment du joint 63 qui constitue un guide privilégié de ce rayonnement (à l'instar des élastomères conducteurs précédemment décrits). REVENDICATIONS 1. Tige tubulaire de forage en matériau électriquement conducteur, comportant des moyens de connexion mâle (24) à une extrémité femelle (20) à l'autre extrémité et comportant des moyens de transmission de signaux, caractérisée en ce que ces moyens de transmission de signaux comprennent au moins un conducteur électrique (28) en forme de ruban plat rapporté par collage (29) le long de la surface intérieure de la paroi de la tige, isolé électriquement de cette surface qui est ensuite recouverte d'un revêtement synthétique (30) isolant résistant à l'abrasion et au moins une antenne annulaire (38, 39) à chaque extrémité de la tige. 2. Tige selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ruban conducteur (28) est pourvu de perforations (31) traversantes. 3. Tige selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le ruban plat (28) est connecté à chacune de ses extrémités à au moins un conducteur annulaire (38,39,52,53) d'axe parallèle à l'axe de la tige et logé dans un chambrage (36,37) des moyens de connexion. 4. Tige selon la revendication 3, caractérisée en ce que les faces des chambrages sont revêtues d'un maté- riau amagnétique (44,45) formant cage de Faraday. 5. Tige selon la revendication 3 et la revendica- tion 4, caractérisée en ce que chaque conducteur annu- laire est noyé dans une bague en matériau synthétique lo- gée dans le chambrage. 6. Tige selon les revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le conducteur annulaire est formé par un enroulement (38,39) d'un fil revêtu d'un isolant électrique. 7. Tige selon l'une des revendications 3 à 5, ca- 2881172 12 ractérisée en ce que le conducteur annulaire est une bague (52, 53) en métal conducteur. 8. Tige selon la revendication 7, caractérisée en ce que la bague en matériau synthétique est un élastomère composite (54,55) avec une partie isolante (54) en regard des faces du chambrage et une partie conductrice (55) au contact du conducteur annulaire (52, 53). 9. Tige selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'au moins la partie conductrice (55) de la bague lo- gée dans le chambrage de la partie mâle a un diamètre extérieur supérieur à celui intérieur de la partie conductrice (55) de la bague logée dans le chambrage de la partie femelle. 10. Tige selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le ruban plat est connecté à chacune de ses extrémités à un conducteur annulaire (57, 58) situé à chacune des extrémités de la surface intérieure de la tige, isolé électriquement de cette surface intérieure tandis qu'un joint à écrasement (63) en matériau conducteur est intercalé entre le conducteur annulaire (57) d'une tige et celui (58) de la tige adjacente lors de leur aboutement.