CH644184A5 - Transmetteur de signaux pour systeme de telemetrie par pulsations de boue. - Google Patents

Transmetteur de signaux pour systeme de telemetrie par pulsations de boue. Download PDF

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CH644184A5
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Anthony William Russell
Michael King Russell
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Sperry Sun Inc
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Description

La présente invention, concernant des forages, est plus spécifiquement relative à des appareils de signalisation se trouvant à l'intérieur d'un trou de mine ou puits en cours de forage et elle est relative plus particulièrement à un transmetteur de signaux, fonctionnant au fond du trou, d'un système de télémétrie par pulsations de boue.
On a proposé divers types de systèmes de mesure au cours du forage (dits MWD) servant à effectuer des mesures à l'intérieur d'un trou de mine alors que le forage est en cours et à transmettre les résultats de la mesure à la surface. Néanmoins, à l'heure actuelle, un seul type d'un tel système de télémétrie a été un succès commercial, et c'est le système de télémétrie dit par pulsations de boue. Dans ce système, le courant de boue, qui passe le long du train de tiges jusqu'au trépan de forage puis revient par l'espace annulaire compris entre le train de tiges et la paroi du trou dans le but de lubrifier le train de tiges et d'évacuer les produits de forage, est utilisé pour transmettre les grandeurs de la mesure à partir d'un instrument de mesure situé au fond du trou jusqu'à un récepteur et à un ordinateur à la surface. Cela est effectué en modulant la pression de la boue au voisinage de l'instrument de mesure sous la commande du signal de sortie électrique fourni par l'instrument de mesure et en détectant les pulsations de boue résultantes à la surface au moyen d'un transducteur de pression.
Les systèmes de télémétrie courants par pulsations de boue utilisent un transmetteur de signal, fonctionnant au fond du trou, qui est incorporé dans la masse-tige. Par conséquent, ces systèmes offrent l'inconvénient que, en cas de panne des instruments dans le transmetteur, il faille retirer tout le train de tiges pour pouvoir remplacer la partie défectueuse. De plus, la fabrication de la combinaison de la masse-tige et du transmetteur est très coûteuse.
Un tel système comprend une turbine qui est entraînée par le courant de boue et qui entraîne un générateur électrique fournissant l'énergie d'alimentation à l'instrument de mesure. La turbine entraîne également une pompe hydraulique pour déplacer un organe de réglage de l'étranglement de façon à produire les pulsations de boue requises. Le déplacement de l'organe de réglage de l'étranglement est déterminé par le signal de sortie électrique de l'instrument de mesure. Néanmoins, il est extrêmement important que la boue ne pénètre aucunement dans le boîtier contenant le générateur électrique et le mécanisme associé; en conséquence, un joint tournant entoure l'arbre qui couple la turbine au générateur. Ce joint est de fabrication diffìcile et sujet à des défauts de fonctionnement qui peuvent entraîner la nécessité de retirer tout lé train de tiges et de remplacer la masse-tige.
L'invention a notamment pour objet de fournir un transmetteur de signaux émettant du fond du trou et de construction générale améliorée pour un système de télémétrie par pulsations de boue.
Conformément à l'invention, on prévoit un transmetteur de signaux du fond du forage pour un système de télémétrie par pulsations de boue, comprenant un étranglement d'écoulement qui définit un orifice d'étranglement pour la boue passant le long d'un train de tiges, un organe de réglage de l'étranglement pouvant être déplacé par rapport à l'orifice d'étranglement de façon à faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement, des moyens de commande pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement de façon à moduler la pression de la boue, et un turbogénérateur comprenant une roue à aubes disposée de façon à être entraînée par la boue passant le long du train de tiges et un générateur électrique disposé dans un environnement exempt de boue à l'intérieur d'un boîtier, la roue à aubes étant couplée magnétiquement au générateur électrique de façon à lui appliquer un couple d'entraînement.
Une telle disposition est particulièrement convenable et commode parce que non seulement elle permet de produire la puissance électrique requise pour faire fonctionner l'instrument de mesure et/ou d'autres dispositifs, mais également elle permet de maintenir le générateur dans un environnement non souillé par un fluide à l'intérieur du boîtier, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un joint tournant entre la roue à aubes et le générateur.
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De préférence, le turbogénérateur inclut un ensemble d'aimants tournant à l'intérieur du boîtier qui est adapté à tourner avec la roue à aubes et qui est couplé au générateur, et la roue à aubes comprend une bague électriquement conductrice qui entoure le boîtier au voisinage de l'ensemble d'aimants tournants, de façon que, lorsque la roue à aubes est amenée à tourner sous l'effet du courant de boue, des courants tourbillonnaires sont induits dans la bague électriquement conductrice par le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants et l'ensemble d'aimants est amené à tourner avec la roue à aubes en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants et le champ magnétique associé aux courants induits. La bague électriquement conductrice comprend de préférence un anneau en matériau tel que du cuivre ayant une conducti-vité électrique élevée, à l'intérieur duquel des courants tourbillonnaires peuvent être induits, entouré par un anneau en matériau fortement magnétisable tel que l'acier, qui peut procurer un trajet de retour pour le flux magnétique.
Suivant une autre solution possible, la roue à aubes peut comprendre une bague magnétisable entourant le boîtier au voisinage de l'ensemble d'aimants tournants, de sorte que, lorsque la roue à aubes est amenée à tourner sous l'effet du courant de boue, l'ensemble d'aimants est amené à tourner avec la roue à aubes en raison de l'attraction magnétique entre l'ensemble d'aimants et la bague aimantée. La bague magnétisable est de préférence une bague à hystérésis, c'est-à-dire un anneau en matériau ferromagnétique tel que de l'acier au cobalt à 35% présentant une force coercitive élevée et, par conséquent, une boucle d'hystérésis de grande aire, car la grandeur du couple qui peut être transféré par la bague à l'ensemble d'aimants dépend de l'aire de la boucle d'hystérésis.
De préférence, l'ensemble d'aimants est constitué par un assemblage d'aimants à terres rares, c'est-à-dire un ensemble d'aimants employant des aimants tels que ceux au samarium-cobalt, qui incorporent des éléments de terres rares. Ces éléments ont une force coercitive très élevée, de sorte que, même si on les utilise avec une conformation de boucle ouverte, les aimants peuvent être capables d'induire des courants tourbillonnaires appréciables dans la bague électriquement conductrice ou de saturer magnétiquement la bague magnétisable. En outre, il est presque impossible de démagnétiser de tels aimants.
Afin que l'invention puisse être plus facilement comprise, on va décrire maintenant une forme préférée de transmetteur de signaux placé au fond du trou et conforme à l'invention, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins ci-annexés, sur lesquels:
la fig. 1 est une coupe longitudinale d'une partie supérieure du transmetteur;
la fig. 2, une coupe longitudinale d'une partie centrale du transmetteur;
la fig. 3, une coupe longitudinale d'une partie inférieure du transmetteur, et la fig. 4, une coupe longitudinale d'une partie de la portion inférieure, effectuée le long de la ligne IV-IV de la fig. 3.
Le transmetteur de signaux 1 représenté, lorsqu'il est en service, est installé à l'intérieur d'une masse-tige non magnétique et couplé à un instrument de mesure disposé dans un boîtier à cet effet, étanche à la pression, qui est installé à l'intérieur de la masse-tige, immédiatement en dessous du transmetteur 1. La masse-tige est disposée à l'extrémité d'un train de tiges à l'intérieur d'un trou de mine en cours de forage, et l'instrument de mesure peut servir à contrôler l'inclinaison du trou de mine au voisinage du trépan au cours du forage par exemple. Le transmetteur de signaux 1 sert à transmettre les résultats de la mesure à la surface sous la forme de pulsations de pression, en modulant la pression de la boue qui passe le long du train de tiges vers le bas. Ce transmetteur 1 est constitué sous la forme d'une unité séparée et installé à l'intérieur de la masse-tige de façon à pouvoir en être extrait, par exemple au cas d'une panne d'instrument, en insérant un câble et en le faisant descendre le long du train de tiges et en appliquant le câble sur un col de repêchage du transmetteur, par exemple au moyen d'un dispositif de saisie en soi connu à l'extrémité du câble et en tirant et en remontant le transmetteur le long du train de tiges par l'extrémité du câble.
En se référant aux fig. 1 à 3, le transmetteur 1 inclut un conduit 2 qui présente à son extrémité supérieure un étranglement d'écoulement annulaire 4 définissant un orifice d'étranglement 6 pour la boue qui descend le long du train de tiges dans la direction de la flèche 8. A l'intérieur du conduit 2, il y a un boîtier allongé 10 supportant, à son extrémité supérieure, au voisinage de l'orifice d'étranglement 6, un organe de réglage 12 de l'étranglement qui peut se déplacer par rapport au boîtier 10 dans la direction de l'axe du conduit 2 pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement 6. L'organe 12 est solidaire d'un arbre 14 passant dans le boîtier 10, l'espace compris à l'intérieur du boîtier 10 étant rempli d'huile hydraulique afin d'assurer un équilibre de pression hydrostatique et étant fermé de manière étanche à son extrémité supérieure par un diaphragme Viton 16 s'avançant entre la paroi intérieure du boîtier 10 et l'arbre 14. Le boîtier 10 est monté de façon rigide à l'intérieur du conduit 2 par trois ailes-supports supérieures 18 et trois ailes-supports inférieures 20 s'étendant dans le sens radial, entre le boîtier 10 et le conduit 2, de façon à offrir un intervalle annulaire entre le boîtier 10 et le conduit 2 pour l'écoulement de la boue.
Une roue à aubes 22, comportant une série d'aubes 24, réparties à sa périphérie et inclinées d'un certain angle par rapport à la direction d'écoulement de la boue, entoure le boîtier 10 et est supportée par un épaulement 26 du boîtier 10 au moyen d'un palier-butée 28 rempli de PTFE (polytétrafluoroéthylène). Les aubes 24 sont montées sur un corps 30 en acier magnétisable qui entoure une bague d'entraînement en cuivre 32. Un ensemble d'aimants à terres rares 34 est porté par un arbre annulaire 36 monté de façon à pouvoir tourner à l'intérieur du boîtier 10 au moyen de paliers tels que 38 et comprend six aimants 40 au samarium-cobalt (Sm-Co), répartis à la périphérie de l'arbre 36. Trois de ces aimants 40 ont leur pôle Nord disposé de façon à être orienté vers l'extérieur dans le sens radial, et trois autres aimants 40, disposés de façon alternée avec les trois aimants précédents, ont leur pôle Sud dirigé vers l'extérieur dans le sens radial. Lorque la roue à aubes 22 tourne dans le courant de boue, des courants tourbillonnaires sont induits dans la bague d'entraînement en cuivre 32 par le champ magnétique intense associé aux six aimants 40 au Sm-Co, le corps d'acier magnétisable 30 fournissant des trajets de retour pour le flux magnétique, et l'ensemble d'aimants 34 et, par suite, l'arbre 36 seront amenés à tourner avec la roue à aubes 32 en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé aux aimants 40 et le champ magnétique associé aux courants tourbillonnaires induits dans la bague d'entraînement 32.
L'arbre annulaire 36 entraîne un rotor 42 de générateur électrique 44 fournissant l'énergie nécessaire à l'instrument de mesure par l'intermédiaire d'une plaque à échappement 46 circulaire, montée de façon pivotante à l'intérieur de l'arbre 36 par des broches-pivots 47, et d'un bras d'entraînement de couple 48 (voir fig. 4) attaché à la périphérie de la plaque 46 et disposé de façon à pouvoir rencontrer une broche d'entraînement 50 attachée à la périphérie du rotor 42. De plus, l'arbre annulaire 36 entraîne une pompe hydraulique 52 par l'intermédiaire d'un plateau basculant biseauté 54 et d'une plaque de poussée de piston associé 56 comportant un chemin de palier 57.
La pompe hydraulique 52 comprend huit cylindres 58, dirigés parallèlement à l'axe du boîtier 10 et présentant un arrangement annulaire, et un piston plongeur respectif 60 associé à chaque cylindre 58. L'extrémité inférieure de chaque piston 60 est sollicitée de façon à être constamment en contact avec la plaque de poussée 56 par un ressort de rappel de piston respectif 62, de sorte que la rotation du plateau 54 avec l'arbre 36 amènera les pistons 60 à effectuer un mouvement de va-et-vient dans le sens axial à l'intérieur de leurs cylindres 58, les huit pistons 60 étant animés d'un mouvement de va-et-vient cyclique, de sorte que, lorsqu'un des pistons se trouve au sommet de sa course, le piston diamétralement opposé se trouvera au bas de sa course et vice versa. De plus, la pompe 52 comprend un élément de valve tournant 64 monté sur des paliers 65 et prévu pour
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tourner au synchronisme avec le plateau 54 de manière à appliquer le fluide de sortie de chaque cylindre 58 successivement sur un côté d'un corps de piston 66 à double effet, disposé à l'intérieur d'un cylindre 68. Le corps à double effet 66 est accouplé à l'arbre 14 de l'organe d'étranglement 12 par un arbre de sortie 70, de sorte que l'organe de réglage d'étranglement 12 peut être déplacé par la pompe 52 pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement 6.
Plus particulièrement, l'huile hydraulique remplissant le boîtier 10, qui alimente chacun des cylindres 58 à partir d'un côté du corps à double effet 66, est forcée d'entrer par le piston associé 60 dans un perçage longitudinal respectif 72 ménagé dans un corps de valve 74 qui entoure l'élément de valve tournant 64, lors de la course montante du piston 60. Chacun des perçages axiaux 72 est coupé dans le sens transversal par un perçage radial supérieur respectif 76 et par un perçage radial inférieur respectif 78. L'élément de valve tournant 64 est pourvu d'un évidement périphérique supérieur 80 débouchant à la périphérie de l'élément de valve 64, approximativement sur 180° d'arc, et arrivant, en haut de l'élément de valve 64, dans la partie inférieure 82 du cylindre 68 en dessous du corps de piston 66, et aussi d'un évidement périphérique inférieur 84 (représenté sur la fig. 2 en pointillé) débouchant à la périphérie de l'élément de valve 64 approximativement sur 180° d'arc sur le côté de l'élément de valve 64 opposé à l'évidement périphérique supérieur 80 et arrivant également, dans sa région supérieure, dans un évidement annulaire central 86 ménagé dans l'élément de valve 64. L'évidement annulaire central 86 est maintenu de façon permanente en communication pour le fluide avec un passage annulaire 88 entourant le cylindre 68 et le corps de valve 64 par des passages radiaux (non représentés) passant au travers du corps de valve 74. Le passage annulaire 88 fournit lui-même la communication pour le fluide avec la partie supérieure 90 du cylindre 68 au-dessus du corps de piston 66.
Il y a deux phases de rotation possibles de l'élément tournant 64 par rapport à la rotation du bouclier 54, à savoir une première phase de rotation dans laquelle l'évidement périphérique supérieur 80 communique avec les perçages radiaux supérieurs 76 lors de la course montante des pistons associés 60, et dans laquelle l'évidement périphérique inférieur 84 communique avec les perçages radiaux inférieurs 78 lors de la course descendante des pistons associés 60, et une deuxième phase de rotation dans laquelle l'évidement supérieur périphérique 80 communique avec les perçages radiaux supérieurs 76 lors de la course descendante des pistons associés 60, et dans laquelle l'évidement périphérique inférieur 84 communique avec les perçages radiaux inférieurs 78 lors de la course montante des pistons associés 60. Ainsi, pendant la première phase de rotation de l'élément de valve 64, l'entrée de la pompe 52 sera reliée à la partie supérieure 90 du cylindre 68 et la sortie de la pompe 52 à la partie inférieure 82 du cylindre 68, de sorte que le corps de piston 66 et, par suite, l'organe de réglage de l'étranglement 12 seront déplacés vers le haut. Inversement, au cours de la deuxième phase de rotation de l'élément de valve 64, l'entrée de la pompe 52 sera reliée à la partie inférieure 82 du cylindre 68 et la sortie de la pompe 52 à la partie supérieure 90 du cylindre 68, de sorte que le corps de piston 66 et l'organe de réglage d'étranglement 12 seront déplacés vers le bas.
L'élément de valve tournant 64 est accouplé à un actuateur sensible au couple, comprenant une plaque d'entraînement circulaire 92 disposée en face de la plaque à échappement 46, par un arbre d'entraînement 94 monté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur de l'arbre annulaire 36 grâce à des paliers 96. La plaque d'entraînement 92 est pourvue à sa périphérie d'une broche entraînée 98 qui est attaquée par une première broche d'échappement 100 dans une première position de rotation à la périphérie de la plaque à échappement 46, afin d'amener l'élément de valve 64 à être entraîné par l'arbre 36 dans la première phase de rotation, ou bien par une deuxième broche d'échappement 102 (voir fig. 4) qui est disposée en une deuxième position de rotation décalée de 180° par rapport à la première position à la périphérie de la plaque à échappement 46, afin d'amener l'élément de valve 64 à être entraîné par l'arbre 36 dans la deuxième phase de rotation.
Comme on le voit clairement sur la fig. 4, qui est une coupe pratiquée le long de la ligne IV-IV de la fig. 3, le boîtier 10 et le conduit 2 étant cependant omis, la plaque à échappement 46 est susceptible d'être inclinée autour d'un axe d'inclinaison défini par les broches-pivots 47 entre une première position inclinée (représentée en trait plein sur la fig. 4) et une deuxième position inclinée (représentée en pointillé sur la fig. 4). Un ressort de traction 104 sollicite la plaque à échappement 46 dans sa première position d'inclinaison. Pour des charges électriques relativement faibles à la sortie du générateur 44, la plaque à échappement 46 entraînera la plaque d'entraînement 92 dans la première phase de rotation au moyen de la première broche d'échappement 100 et entraînera également le rotor 42 du générateur 44 par l'intermédiaire du bras d'entraînement de couple 48. Néanmoins, si la charge du générateur augmente à un point tel que le couple requis pour entraîner le rotor 42 suffise à surmonter la sollicitation du ressort 104, le bras d'entraînement de couple 48 sera amené à incliner la plaque à échappement 46 dans une deuxième position inclinée contrairement à l'action du ressort 104. Cela amènera la première broche d'échappement 100 à se dégager de la broche entraînée 98 de la plaque d'entraînement 92 et la deuxième broche d'échappement 102 à rencontrer la broche entraînée 98 après que la plaque à échappement 46 a tourné de 180° par rapport à la plaque d'entraînement 92. De ce fait, la plaque d'entraînement 92 sera entraînée, dans la deuxième phase de rotation, au moyen de la deuxième broche d'échappement 102 et l'alimentation de fluide hydraulique, provenant de la pompe 52, au corps de piston 66 à double effet sera inversée. Naturellement, si ultérieurement la charge du générateur diminue d'une quantité suffisante, le ressort 104 inclinera la plaque à échappement 46 en la ramenant dans sa première position inclinée et la plaque d'entraînement 92 sera à nouveau entraînée dans la première phase de rotation.
On comprendra par conséquent que, si les grandeurs de la mesure provenant de l'instrument de mesure sont adaptées à faire varier de manière convenable la charge électrique du générateur 44, la phase de rotation de l'élément de valve tournant 64 et, par suite, la direction de déplacement du corps de piston 66 à double effet varieront avec le signal de sortie de l'instrument de mesure. Cela amènera à son tour l'organe d'étranglement 12 à se déplacer par rapport à l'orifice d'étranglement 6 pour moduler la pression du courant de boue vers le haut de l'orifice d'étranglement 6 et produira une série de pulsations de pression, correspondant aux résultats de la mesure, qui circuleront vers le haut dans le courant de boue et pourront être détectées en surface par un transducteur de pression situé au voisinage de la sortie de la pompe produisant l'écoulement de la boue. Cette disposition permet, par conséquent, de transmettre des données sous forme numérique à la surface.
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    REVENDICATIONS
    1. Transmetteur de signaux, fonctionnant au fond d'un trou de forage, pour système de télémétrie par pulsations de boue, comprenant un étranglement d'écoulement qui définit un orifice d'étranglement pour la boue passant le long d'un train de tiges, un organe de réglage de l'étranglement déplaçable par rapport à l'orifice d'étranglement pour faire varier la section transversale de traversée de l'orifice d'étranglement, des moyens de commande pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement de façon à moduler la pression de la boue et un turbogénérateur comportant une roue à aubes disposée de façon à être entraînée par la boue passant le long du train de tiges et un générateur électrique disposé dans un environnement exempt de boue à l'intérieur d'un boîtier, ledit transmetteur étant caractérisé en ce que la roue à aubes (22) est magnétiquement couplée au générateur électrique (44) pour lui appliquer un couple d'entraînement.
  2. 2. Transmetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le turbogénérateur inclut un ensemble d'aimants rotatifs (34) à l'intérieur du boîtier (10), adapté à tourner avec la roue à aubes (22) et couplé au générateur électrique (44).
  3. 3. Transmetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue à aubes (22) comprend une bague électriquement conductrice (32) qui entoure le boîtier (10) au voisinage de l'ensemble d'aimants rotatifs (34), de sorte que, lorsque la roue à aubes (22) est amenée à tourner sous l'effet du courant de boue, des courants tourbillonnai-res sont induits dans la bague (32) électriquement conductrice par le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants (34) et l'ensemble d'aimants (34) est amené à tourner avec la roue à aubes (22) en raison de l'interaction entre le champ magnétique associé à l'ensemble d'aimants (34) et le champ magnétique associé aux courants induits.
  4. 4. Transmetteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague électriquement conductrice comprend un anneau (32) en matériau à conductivité électrique élevée, entouré par un anneau (30) en matériau fortement magnétisable, qui procure un trajet de retour pour le flux magnétique.
  5. 5. Transmetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la roue à aubes (22) comprend une bague magnétisable entourant le boîtier (10) au voisinage de l'ensemble d'aimants rotatifs (34) de façon que, lorsque la bague (32) est amenée à tourner par l'effet du courant de boue, l'ensemble d'aimants (34) est amené à tourner avec la roue à aubes (22) en raison de l'attraction magnétique entre l'ensemble d'aimants (34) et la bague aimantée.
  6. 6. Transmetteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague magnétisable est une bague à hystérésis possédant une force coercitive élevée et, par conséquent, une boucle d'hystérésis de grande aire.
  7. 7. Transmetteur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble d'aimants (34) comprend des aimants à terres rares (40).
  8. 8. Transmetteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les aimants à terres rares (40) sont des aimants au samarium-cobalt.
  9. 9. Transmetteur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'ensemble d'aimants (34) comprend une multiplicité d'aimants (40), répartis à la périphérie d'un organe entraîné (36), dont des aimants (40) ont des pôles d'une polarité, faisant face vers l'extérieur dans le sens radial, qui alternent avec des aimants (40) ayant des pôles de polarité opposée, faisant face vers l'extérieur dans le sens radial.
  10. 10. Transmetteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande (66, 52, 92,46) incluent une pompe hydraulique (52) pour déplacer l'organe de réglage de l'étranglement (12), cette pompe (52) étant disposée à l'intérieur du boîtier (10), de façon à être entraînée par l'accouplement magnétique.
CH549681A 1980-11-20 1981-08-26 Transmetteur de signaux pour systeme de telemetrie par pulsations de boue. CH644184A5 (fr)

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