EP3108087B1 - Système de forage rotary par décharges électriques - Google Patents

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EP3108087B1
EP3108087B1 EP15705332.3A EP15705332A EP3108087B1 EP 3108087 B1 EP3108087 B1 EP 3108087B1 EP 15705332 A EP15705332 A EP 15705332A EP 3108087 B1 EP3108087 B1 EP 3108087B1
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EP
European Patent Office
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electrodes
electric
drilling
electrical
slide
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP15705332.3A
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German (de)
English (en)
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EP3108087A2 (fr
Inventor
Frédéric BAYOL
Boni DRAMANE
Jean-Louis GAUSSEN
Christophe GOEPFERT
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ITHPP
Original Assignee
ITHPP
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
    • E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/0085—Adaptations of electric power generating means for use in boreholes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B3/00—Rotary drilling
    • E21B3/02—Surface drives for rotary drilling

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method of rotary drilling by electrical discharges and certain elements of the device.
  • the document US005845854A indicates how to optimize the inter-electrode distance as a function of the rise time.
  • the document US6164388 gives equations for optimizing operation and claims an optimized design of the power circuit through the use of semiconductor rectifiers.
  • the document WO-A-03/069110 gives orders of magnitude relating to the electrical parameters of this process (voltage, energy, pulse duration).
  • these three patents suffer from a major weakness, namely the electrical supply of the electrodes. Indeed, the pulse generator of these systems is located on the surface. A means of transmission (by cable or other system) is therefore necessary to connect the surface to the bottom of the well, which leads to complexity and security problems.
  • the document US7416032 refers to an electric discharge drilling system with combination of electrical and mechanical effect.
  • the document US7527108 refers to a portable electric discharge drilling system in a mining context for metric linear drilling.
  • the document US7784563 refers to an electric discharge drilling system and in particular a mechanism for maintaining permanent contact between the rock and the electrodes.
  • the document EP2554780 presents a combination of an electric discharge drilling system and a method of cooling and pulsing the drilling fluid.
  • the document EP2554778 presents a combination of an electric discharge drilling system, a directional drilling sensor system and an LWD (Logging While Drilling) system.
  • the electric generator converts the hydraulic energy of the drilling fluid into electric energy and delivers an electric current which supplies the pulse generator.
  • the pulse generator conventionally includes capacitors and power switches.
  • the capacitors are supplied by the electric generator.
  • the power switches repeatedly deliver high voltage pulses to the electrodes of the electric drilling tool.
  • the electric drilling tool is equipped with an electrode system.
  • the electrode system consists of high voltage electrodes (electrically connected to the capacitors of the pulse generator) and grounded electrodes.
  • the electric slide switch allows the electrical operation of the system to be controlled from the surface simply and reliably without the need for a transmission cable.
  • the drill string is rotated in a conventional manner from the surface since no cable or other system for transmitting electrical energy opposes this movement.
  • the driller has a system fully compatible with drilling rig and standard procedures while ensuring the control of the electrical operation of the downhole system thanks to the electric slide switch.
  • the electric slide switch allows remote control and makes the system functional and safe.
  • the invention therefore overcomes all of these weaknesses by proposing an electric discharge drilling system which requires no electrical connection from the surface and which makes it possible to control the operation of the downhole system from the surface in a simple and safe manner.
  • the invention is furthermore fully compatible with the standard equipment of drilling rigs as well as with conventional drilling procedures. The invention therefore offers security, reliability and performance.
  • the rotation of said electric drilling tool combines the mechanical effect of said passive electrodes with the effect of electric discharges.
  • the rotation of said electric drilling tool causes the entire surface of the hole to be swept by electric arcs of radial direction which occur between said passive and active electrodes.
  • said slide playing the role of electrical switch, is normally open by means of a mechanical spring keeping said slide open and the open state of the supply circuit of said pulse generator and the "short" state.
  • -circuity ”of the capacitors thanks to a circuit which connects the two terminals of the said capacitors to a discharge resistance.
  • the “normally open” position of said slide is reinforced by a positive action triggered from the surface by injection of drilling fluid into the lining.
  • the passage from the open position to the closed position of said slide is allowed by a positive action triggered from the surface consisting in applying a weight to said electric drilling tool.
  • the terminal part of the electric drilling tool comprises an interior chamber free of all solid materials except the electrodes.
  • said pulse generator is traversed in its axis by a hollow axial tube of insulating material mechanically connected at the bottom of said pulse generator to a metal tube so that the continuum of said tubes ensures the transmission of drilling fluid and that said lower metal tube, preferably only this tube, receives the electrical discharges from said pulse generator.
  • said pulse generator is a generator of the Linear Transformer Driver LTD type or a Marx generator or a TESLA transformer.
  • modules made up of energy storage devices preferably capacitors and power switches preferably gas spark gap are stacked on each other in the annular space located between said hollow axial tube and l exterior metal casing.
  • said power switches consist of annular electrodes having the shape of a ring.
  • the device further comprises an insulating connection comprising two metal parts, an upper part and a lower part, separated by an insulating material and nested between they to transmit the axial stresses as well as the torque stresses between said upper part and said lower part.
  • the electrodes comprise inserts made of hard and abrasive material, preferably of the Poly Diamond Crystalline (PDC) type or of the tungsten carbide type and / or a metal matrix comprising a powder or microparticles of hard materials, diamond preference.
  • PDC Poly Diamond Crystalline
  • the invention also relates to a rotary drilling device, comprising the bottom device according to the invention which is incorporated at the end of a drilling string comprising a set of rods and optionally drill-rods for the transmission of electric power and a drilling apparatus comprising a system for rotating a drill string and / or drill string, and drilling fluid injection drilling pumps inside the drill string and / or rod mass.
  • the invention also relates to a drilling method, by rotating the rotary drilling device according to the invention.
  • a drilling rig equipped with a derrick, a mast or any other handling system (1), a system for rotating the drilling rig (2) and pumps allowing '' inject the drilling fluid under high flow and high pressure (3), as well as a drill string and / or drill collars (4).
  • a stabilizer (8) of standard design can be provided.
  • the drill string can be rotated in a conventional manner from the surface (with rotation table and square rod or "power swivel") since no cable or other transmission system of the electrical energy is opposed to this movement.
  • the driller has a fully compatible system of drilling rig and standard procedures while ensuring control of the electrical operation of the downhole system thanks to the tool slide.
  • the electric slide switch is positioned at the level of the electric drilling tool, while in the figure 2 , it is positioned between the electric generator and the pulse generator.
  • the electric slide switch can therefore be positioned at the level of the electric drilling tool or at the interfaces between the various components of the system.
  • the figure 3 also has a configuration in which two electric slide switches are used: one at the level of the electric generator and the other at the level of the electric drilling tool.
  • the downhole equipment is used in accordance with standard drilling procedures and does not require any special arrangement of the drilling rig.
  • the drilling fluid circulates between the stator part and the rotor part of the hydraulic compartment and rotates the rotor.
  • the latter in turn drives the alternator rotor.
  • the drilling fluid penetrates inside the rotor of the alternator which consists of a hollow shaft provided with openings in the upper part.
  • the low voltage electrical current produced by the alternator powers the high voltage charger which in turn powers the capacitors of the pulse generator.
  • the design of the invention overcomes any system for transmitting electrical energy between the surface and the bottom such as electric cable, conductive rods, coiled tubing or any other system.
  • the production of electrical energy at the bottom thus eliminates a fundamental obstacle to the use of a drilling system by electrical discharges as presented in the various documents of the state of the art.
  • This design makes the rotary discharge electric discharge system of the present invention fully compatible with standard drilling procedures unlike the documents of the prior art. It improves the efficiency of the rock destruction process by combining the mechanical effect brought about by rotation and the effect of electric discharges.
  • the invention makes it possible to control the device from the surface. Without the complementary device of the invention, the driller would be unable to authorize or prohibit, from the surface, the electrical operation of the rotary drilling system by electrical discharges. Indeed, only the control of the mud circulation by the pumps makes it possible to start or stop the operation of the system. However, it is well known in the art of drilling that, as soon as a drill string is present in the hole, the permanence of the circulation of the mud is a vital necessity both with regard to the safety of the hole only with regard to personnel safety, even if the drilling tool is not strictly drilling.
  • the invention also makes it possible to achieve this objective, by using the slide switch.
  • this electric slide switch is located at the interface between the hydraulic compartment and the electric compartment (cf. figure 3 ).
  • This switch acts as a mechanical clutch.
  • the "normal" position of this switch prevents mechanical locking of the rotor of the hydraulic compartment with that of the electrical compartment. It provides a guarantee that the system cannot function until the driller has decided to do so.
  • the decision of driller to operate the system consists in applying a significant weight on the tool of several tons, for example between 2t and 15t, by putting a part of the drill string in compression. When the driller applies this force, the slide of the switch closes, the mechanical locking between the rotors of the hydraulic and electric compartments is established and the electric generator then produces the electric current.
  • this electric sliding switch makes it possible to actuate an opening / closing system of the high voltage supply of the capacitors.
  • the "normal" position of this switch prevents high voltage power supply to the capacitors. It provides a guarantee that the system cannot function until the driller has decided to do so.
  • the driller's decision to operate the system consists in applying a significant weight to the tool of several tonnes by putting part of the drill string in compression. When the driller applies this force, the switch slide closes, an electrical contact is made, and the system can then operate.
  • this electric slide switch makes it possible to actuate a mechanical locking system between the rotor of the hydraulic compartment and the rotor of the alternator (see figures 8 and 9 , infra).
  • the "normal" position of this switch prevents the alternator rotor from turning. In this position, no electric current can be produced.
  • the driller's decision to operate the system consists in applying, using the same logic as that described above, a significant weight on the tool of several tonnes by putting part of the drilling rig in compression. When the driller applies this force, the slide of the switch closes, the rotor of the hydraulic compartment engages on the rotor of the alternator and the system can then operate.
  • the system is provided with double security.
  • the upper switch in the normal position guarantees that the production of the electric generator is stopped and that no current is supplied to the system, even if the circulation of the drilling fluid is maintained.
  • the lower switch in the normal position guarantees that the capacitors of the pulse generator are discharged and cannot be recharged.
  • the electric slide switch according to the invention confer on the rotary drilling system by electric discharges the reliability, safety and performance required by the rules of drilling, in particular in the petroleum field.
  • the figures 4 and 5 represent a pulse generator and the drilling tool (slide positioned at the level of the electric drilling tool), in open slide and closed slide configuration, respectively.
  • the pulse generator (6) is connected to the stabilizer (8), integrated in the slide switch (9).
  • the device includes ground electrodes (11) and a single central or offset high voltage electrode (12) or a plurality of high voltage electrodes, between which there is an insulator (13). These electrodes, which in their end part at the high voltage chamber (36) are not separated by any solid material, deliver the electrical pulses necessary for drilling.
  • the device also comprises holes for circulation of the drilling fluid (18) and a mechanical transmission system (19), as well as sets of capacitors (16).
  • FIG. 10 The detail of the operation of the opening / closing of the high voltage supply circuit of the capacitors and their discharge is illustrated by the figure 10 , in which the electric generator (26) is connected to the circuit (27) for discharging the capacitors on a dump resistor, said discharge circuit also comprising a decoupling capacitor (30) and a contactor (31) actuated by the mechanical transmission system, this circuit being connected to the pulse generator (28) itself linked to the drilling tool (31).
  • ⁇ P P1-P2
  • F2 ⁇ P x S
  • the driller when the electric drilling tool is not supported on the bottom of the hole and the circulation of the drilling fluid is in operation, the driller not only has the certainty that the capacitors are no longer supplied but also that the latter are fully discharged.
  • the electric slide switch in the normally open position, opens the capacitor charging circuit but also closes the capacitor discharge circuit on a so-called “dump” resistor (see figure 10 ).
  • the slide closes and the transmission rod actuates the closing system / circuit opening. From this moment, the capacitor charging circuit is closed, the capacitors are no longer connected to the capacitor discharge system on a so-called “dump” resistor and rotary drilling by electrical discharges can then operate.
  • the figure 6 is a representation in which we can see the ground electrodes (11), the central or offset high voltage electrode (12), the peripheral high voltage electrodes (12bis), the insulator (13) and the high voltage chamber ( 36) defined between the electrodes.
  • the “normally prohibited” or “normally open” position of this switch is the safety position which guarantees the absence high voltage risk and electrical failure of the rotary drilling system by electrical discharges.
  • this switch consists of a slide incorporated between the hydraulic compartment (the turbine or the downhole motor) and the electrical compartment (the alternator) of the electric generator (as shown in the figures 3 , 7 and 8 ).
  • the slide consists of two sliding parts between them with a high stop and a low stop allowing a stroke of the order of a few centimeters to several decimeters, for example from 1cm to 20cm.
  • This slide is designed in a “normally open” type logic thanks to the action of a mechanical spring of robust constitution which exerts a powerful force of separation between the two sliding parts.
  • the mass suspended under the lower part of the slide reinforces the action of the spring which keeps the slide in the open position.
  • the upper part of the slide carries a hollow axis (connected to the rotor of the hydraulic compartment) mounted on a bearing to separate the rotational movements between the slide and this axis.
  • the lower part of the slide also carries a hollow axis (connected to the rotor of the electrical compartment) mounted on a bearing to separate the rotational movements between the slide and this axis.
  • the upper and lower hollow shafts are fitted with a clutch system.
  • One of the axes is also provided with seals making it possible to ensure the continuity of the flow of drilling fluid whatever the relative position of the two axes.
  • the figures 8 and 9 show a detail of the slide switch (slide positioned between the hydraulic compartment and the electrical compartment of the electric generator) in the disengaged and engaged position, respectively.
  • the circulation of drilling fluid is identified by the arrow (47). This axis is taken in an upper bearing (37).
  • the lower hollow axis (42) connected to the rotor of the electrical compartment (alternator) of the electrical generator, without rotation. This axis is taken in a lower bearing (41).
  • a seal (39) is present at the connection between the upper (36) and lower (42) axes.
  • the spring (43) is in the decompressed position, keeping the two axes separate.
  • the sliding switch system can be incorporated (i) at the level of said electric drilling tool or (ii) at the interface between said electric drilling tool the latter and said pulse generator or (iii) at said generator pulse or (iv) between said pulse generator and said electric generator or (v) at said electric generator or (vi) above said electric generator.
  • the slide is generally secured to a mechanical transmission system which actuates the circuit opening / closing system.
  • this system consists of one or more rods which slide in a housing made in the thickness of the external metallic body of the pulse generator and / or of the electric generator depending on the position of the slide in the system architecture.
  • the pulse generator is mechanically and electrically connected to the electric generator. It is the organ that creates and delivers very high voltage pulses to the electric drilling tool. It can be based on various architectures of elevation of a primary tension.
  • the first is based on the use of a Marx generator.
  • the second is based on LTD (Linear Transformer Driver) technology.
  • the third is based on Tesla's transformer technology.
  • the pulse generator is traversed in its axis by a hollow axial tube whose walls are made of an insulating material (53).
  • This hollow tube is used for the circulation of the drilling fluid (52).
  • this tube is mechanically connected to another hollow tube of the same diameter but whose walls are made of steel (54).
  • the steel tube receives the high voltage pulses which transmit them to the electrode system of the electric drilling tool.
  • the preferred arrangement is to arrange the components of the pulse generator in an annular pattern.
  • a configuration considered consists in stacking identical elementary modules (56) and easily replaceable in the ring finger between the hollow axial tube and the outer metal casing. These modules are surrounded by an insulating material (53).
  • Each module is composed of an energy storage device (here capacitors) and a power switch.
  • the capacity of a module can be between 20 nF and 1000 nF, preferably between 50 nF and 200 nF. The number of modules used determines the desired voltage range at the output of the pulse generator.
  • the elementary voltage applied to the input of the pulse generator is supplied by the high voltage charger of the electric generator. It can be between 1 kV and 50 kV, preferably between 20 kV and 40 kV. Typically the voltage at the output of the pulse generator can be between 200 kV and 1000 kV, preferably between 400 kV and 600 kV.
  • the frequency of production of the high voltage pulses to the electrode system of the drilling tool can be between 1 Hz and 100 Hz, preferably between 5 Hz and 50 Hz.
  • the power switch is a gas spark gap (49). Its electrodes are solid annular crowns (51). The electrical isolation of the power switch is ensured by a pressurized gas, which is kept or periodically renewed.
  • the annular and profiled configuration of the electrodes of the power switch makes it possible to increase the surface that can be eroded by electrode, which is likely to extend their service life.
  • the electrical insulation between modules is ensured through the use of interlocking insulators and compressed joints.
  • the output of the pulse generator is connected to the electrode system of the drilling tool by an isolated interface, the insulating element of which can be solid, liquid or gaseous.
  • the pulse generator is provided at the top, under the interface with the electric generator, of an opening / closing system for charging the capacitors and discharging the latter (as shown on the figures 3 , 4 and 9 ).
  • This system is actuated by a mechanical transmission system set in motion by the electric slide switch which is normally open.
  • the grounded electrodes are integral with the external body of the electric drilling tool and consist of protrusions with horizontal or inclined extension of robust constitution (32) designed to resist a torque and a weight on the tool allowing '' use the conventional rotation system.
  • the insulator (13) which separates the high-voltage electrode system from the grounded electrode system is a material of ceramic, epoxy or any other insulating component and resistant both to the temperature and to the mechanical forces to which it is subject to drilling conditions.
  • One of the specific features of the electric drilling tool according to the invention resides in the arrangement of the electrodes relative to the tool matrix. Indeed, the documents of the prior art show an attachment of the electrodes in a matrix and therefore induce the presence of a solid material between the high-voltage electrodes and the grounded electrodes and this near the end of the electrodes. . Other documents of the prior art do not provide any details on this aspect. Indeed, a solid material, even insulating, risks being destroyed if it is present between the electrodes in a part where the high voltage component is too close to the component to ground. When drilling, although most of the electric arcs penetrate the rock, a small proportion can be established in a straight line between the electrodes. This tendency will be all the stronger the less the physical contact between the rock and the electrodes.
  • the terminal part of the electric drilling tool of this patent consists of an interior chamber free of all solid materials except the electrodes.
  • This chamber is delimited upwards by the lower part of the insulation and on the sides by the framework of the grounded part.
  • the high voltage electrodes pass through this chamber.
  • the largest electrodes are of a size compatible with the placement on this electrode of inserts, for example of the Poly Diamond Crystalline (PDC) type (61) or of the tungsten carbide type or of any other type of hard material and abrasive without running the risk that these inserts are released by the electric arcs because the said inserts are sufficiently far from the end of the electrode from which the electric arc is created.
  • PDC Poly Diamond Crystalline
  • these inserts both on the front face but also on the lateral face of these electrodes thus equipped makes it possible to reinforce the effect of electric arcs by a mechanical action and makes it possible to protect the electrodes from premature wear generated. by rotation.
  • the insulator when the high-voltage electrode system consists of a single central electrode in the axis of the drilling tool, the insulator performs the "electrical insulation" function, mechanically secures the part to the mass with the high voltage part from an axial point of view but allows decoupling in rotation between these two parts.
  • this configuration avoids premature wear of the end of the high voltage electrodes.
  • the insulator only performs the "electrical insulation” function, and allows mechanical decoupling both from an axial and rotational point of view between the grounded part and the high voltage part.
  • this configuration not only avoids premature wear of the end of the high-voltage electrodes but also maintains permanent contact between the electrodes and the ground.

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • La présente invention se rapporte à un dispositif et un procédé de forage rotary par décharges électriques et certains éléments du dispositif.
    • ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
  • Les techniques conventionnelles de forage dans les domaines Oil & Gaz, Mines, Géothermie, Génie civil et autres activités consistent à faire tourner un outil de forage en fond de trou et à lui appliquer conjointement une force de poussée de l'ordre de quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes. La rotation de l'outil de forage est assurée par la rotation de l'ensemble du train de tiges depuis la surface (système dit « forage rotary » dans l'art) ou grâce à un moteur hydraulique de fond (turboforage). Les outils de forage utilisés sont de type tricône à molette, PDC [Poly Diamond Crystalline] ou à matrice imprégnée. Dans tous les cas, la destruction de la roche est réalisée par effet mécanique. Les débris de roche produits par l'outil (les cuttings) sont remontés vers la surface dans l'espace existant entre les parois du trou et le train de tiges (l'espace annulaire) grâce à la circulation ascensionnelle du fluide de forage.
  • Cependant ces techniques se heurtent à des vitesses d'avancement faible dans certaines formations géologiques très dures et ou très abrasives. Pour résoudre ce problème, diverses alternatives aux techniques conventionnelles ont été imaginées. Parmi ces diverses tentatives, il a été proposé une technique fondée sur l'injection répétitive d'impulsions électriques de très forte puissance dans le terrain directement grâce à des électrodes placées sous l'outil de forage. Des arcs électriques se produisent entre les électrodes, pénètrent dans le terrain et créent un tunnel de plasma. L'expansion des gaz engendrés par le plasma fracture la roche et produit des cuttings qui sont alors éliminés de façon conventionnelle par le débit de fluide. Cette technique, bien connue depuis longtemps, porte différentes appellations dans la littérature du type « drilling by electrical discharge pulses », « plasma channel drilling process » ou «pulsed electric rock drilling apparatus».
  • Le document US005845854A , faisant référence à des publications antérieures, indique comment optimiser la distance inter-électrodes en fonction du temps de montée en tension (rise time). Le document US6164388 donne des équations permettant d'optimiser le fonctionnement et revendique une conception optimisée du circuit de puissance grâce à l'utilisation de redresseurs à semi-conducteur. Le document WO-A-03/069110 donne des ordres de grandeur relatifs aux paramètres électriques de ce procédé (tension, énergie, durée d'impulsion). Cependant, ces trois brevets souffrent d'une faiblesse majeure, savoir l'alimentation électrique des électrodes. En effet, le générateur d'impulsions de ces systèmes est localisé en surface. Un moyen de transmission (par câble ou autre système) est donc nécessaire pour relier la surface au fond du puits, ce qui entraîne une complexité et des problèmes de sécurité.
  • Certains documents mettent en exergue la combinaison de cette technique avec d'autres procédés. Ainsi, le document US7416032 fait référence à un système de forage par décharges électriques avec combinaison de l'effet électrique et mécanique. Le document US7527108 fait référence à un système portatif de forage par décharges électrique en contexte minier pour des forages de linéaire métrique. Le document US7784563 fait référence à un système de forage par décharges électriques et notamment un mécanisme permettant de maintenir un contact permanent entre la roche et les électrodes. Le document EP2554780 présente une combinaison entre un système de forage par décharges électriques et un procédé de refroidissement et de pulsation du fluide de forage. Le document EP2554778 présente une combinaison entre un système de forage par décharges électriques, un système de capteurs de forage dirigé et un système de LWD (Logging While Drilling).
  • L'ensemble de ces documents présente la même faiblesse : malgré la présence du générateur d'impulsions en fond de puits, l'énergie électrique requise pour alimenter ce dernier est fournie par un câble venant de la surface. Or, la présence d'un câble est un obstacle majeur qui s'oppose à l'utilisation opérationnelle de ces systèmes. En effet, dans le cas d'utilisation de tiges conventionnelles, la présence d'un câble interdit la rotation de ces dernières. Un tel handicap contredit une règle fondamentale de la profession : pouvoir à tout moment faire tourner la garniture de tiges.
  • Certains documents évoquent toutefois la possibilité d'utiliser un générateur électrique de fond pour alimenter un système de forage par décharges électrique, comme par exemple les documents US2009/00500371 , US8109345 , US7784563 et US2013/0140086 . En particulier, le document US2013/0140086 décrit un appareil et une méthode de régulation de l'énergie fournie à un système d'énergie pulsée comprenant un commutateur de commande de charge commandant le moment où l'énergie produite par un système d'alimentation primaire alimente un câble. Le commutateur de commande de charge régule aussi la puissance fournie au système d'énergie pulsée dans un ensemble de fond de trou. Cependant ces documents ne fournissent aucun détail sur le fonctionnement du système dans une telle configuration, le premier document étant justement sur un système non- tournant. Or un des avantages principaux d'un générateur électrique de fond est de pouvoir faire tourner la garniture de forage depuis la surface. De plus, dans le cas de l'utilisation d'un générateur électrique de fond, ces documents ne traitent pas les trois questions essentielles suivantes: la maîtrise du fonctionnement du système depuis la surface, la sécurité du personnel vis-à-vis du risque haute tension lors des remontées de la garniture de forage et la compatibilité avec l'utilisation d'un MWD (Measurement While Drilling) dont l'usage est de nos jours quasiment systématique notamment en forage pétrolier.
    • RESUME DE L'INVENTION
  • Schématiquement, l'équipement de fond est incorporé à l'extrémité d'une garniture de forage (un ensemble de tiges et de masse-tiges) et se compose de quatre parties principales:
    • un générateur électrique,
    • un générateur d'impulsions,
    • un interrupteur électrique à coulisse,
    • un outil de forage électrique.
  • Le générateur électrique convertit l'énergie hydraulique du fluide de forage en énergie électrique et délivre un courant électrique qui alimente le générateur d'impulsions.
  • Le générateur d'impulsions comprend classiquement des condensateurs et de commutateurs de puissance. Les condensateurs sont alimentés par le générateur électrique. Les commutateurs de puissance délivrent des impulsions de haute tension de façon répétitive vers les électrodes de l'outil de forage électrique.
  • L'outil de forage électrique est équipé d'un système d'électrodes. Le système d'électrodes est constitué d'électrodes haute tension (reliées électriquement aux condensateurs du générateur d'impulsions) et d'électrodes à la masse.
  • L'interrupteur électrique à coulisse permet de piloter, depuis la surface, de façon simple et fiable, le fonctionnement électrique du système, et ce, sans câble de transmission.
  • Parallèlement à la mise en œuvre du procédé électrique, la garniture de forage est mise en rotation de façon conventionnelle depuis la surface puisque aucun câble ou autre système de transmission de l'énergie électrique ne s'oppose à ce mouvement. Ainsi, le foreur dispose d'un système entièrement compatible avec le « rig » de forage et les procédures standards tout en assurant le contrôle du fonctionnement électrique du système de fond grâce à l'interrupteur électrique à coulisse.
  • L'interrupteur électrique à coulisse permet de piloter à distance et rend le système fonctionnel et sûr.
  • L'invention pallie donc l'ensemble de ces faiblesses en proposant un système de forage par décharges électriques qui ne nécessite aucune liaison électrique depuis la surface et qui permet de commander le fonctionnement du système de fond depuis la surface de façon simple et sûre. L'invention est en outre entièrement compatible avec l'équipement standard des appareils de forage ainsi qu'avec les procédures de forage conventionnelles. L'invention offre donc sécurité, fiabilité et performance.
  • Ainsi, l'invention fournit un dispositif de fond pour forage rotary comprenant :
    • un générateur électrique installé au bout d'un train de tiges et/ou masse tiges et convertissant l'énergie hydraulique du fluide de forage en énergie électrique ;
    • un générateur d'impulsions relié mécaniquement et électriquement audit générateur électrique, et alimentant un système d'électrodes porté par l'outil de forage ;
    • un outil de forage électrique, connecté mécaniquement et électriquement audit générateur d'impulsions, entrainé en rotation par le train de tiges et/ou masse tiges et comprenant un système d'électrodes actives et passives ; et
    • un système d'interrupteur électrique à coulisse.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend deux interrupteurs à coulisse :
    • un premier interrupteur électrique à coulisse entre la partie du générateur électrique qui convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique et la partie du générateur électrique qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique de telle sorte qu'en position « ouverte » cet interrupteur interdit la production d'électricité et ce même si la circulation du fluide de forage est établie dans ledit compartiment hydraulique ; et
    • un second interrupteur électrique à coulisse au niveau de l'outil de forage électrique de telle sorte qu'en position « ouverte » cet interrupteur force la décharge des condensateurs (16) dudit générateur d'impulsions et empêche leur charge même dans le cas où le compartiment électrique produirait un courant électrique.
  • Selon un mode de réalisation, la rotation dudit outil de forage électrique combine l'effet mécanique desdites électrodes passives avec l'effet des décharges électriques.
  • Selon un mode de réalisation, la rotation dudit outil de forage électrique fait balayer la totalité de la surface du trou par les arcs électriques de direction radiale qui se produisent entre les dites électrodes passives et actives.
  • Selon un mode de réalisation, ladite coulisse, jouant le rôle d'interrupteur électrique, est normalement ouverte grâce à un ressort mécanique maintenant ladite coulisse ouverte et l'état ouvert du circuit d'alimentation dudit générateur d'impulsions et l'état « court-circuité » des condensateurs grâce à un circuit qui relie les deux bornes des dits condensateurs à une résistance de décharge.
  • Selon une variante, la position « normalement ouverte » de ladite coulisse est renforcée par une action positive déclenchée depuis la surface par injection de fluide de forage dans la garniture.
  • Selon l'invention, le passage de la position ouverte à la position fermée de ladite coulisse est permis par une action positive déclenchée depuis la surface consistant à appliquer un poids sur ledit outil de forage électrique.
  • Dans le dispositif selon l'invention :
    • le générateur électrique comprend une turbine ou un moteur à déplacement positif, dont le rotor, entraîné en rotation par le débit du fluide de forage, entraine à son tour le rotor de l'alternateur,
    • l'interface entre ledit rotor de la dite turbine ou dudit moteur et ledit rotor dudit alternateur comprend un interrupteur électrique à coulisse permettant un embrayage mécanique.
    Selon un mode de réalisation, dans le dispositif selon l'invention :
    • ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais solidaires mécaniquement l'un de l'autre tant d'un point de vue axial que d'un point de vue angulaire, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension ; ou
    • ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais découplés mécaniquement l'un de l'autre d'un point de vue angulaire mais non découplés d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, localisé en partie périphérique dudit outil de forage électrique, et un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, localisé en partie centrale du dit outil de forage électrique, et non solidaire mécaniquement du groupe d'électrodes passives de sorte qu'il ne soit pas entrainé en rotation par ce dernier ; ou
    • ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais découplés mécaniquement l'un de l'autre tant d'un point de vue angulaire que d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, localisé en partie périphérique, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, localisé en partie centrale du dit outil de forage électrique, doté d'une course axiale de préférence de plusieurs centimètres et soumis à la force d'un soufflet à ressort permettant aux électrodes d'être en contact permanent avec la roche ; ou
    • ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais solidaires mécaniquement l'un de l'autre d'un point de vue angulaire mais non solidaires mécaniquement d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, en position centrale désaxée par rapport à l'axe dudit outil de forage électrique, doté d'une course axiale de préférence de plusieurs centimètres et soumis à la force d'un soufflet à ressort permettant aux électrodes d'être en contact permanent avec la roche.
  • Selon un mode de réalisation, la partie terminale de l'outil de forage électrique comprend une chambre intérieure exempte de tous matériaux solides à l'exception des électrodes.
  • Selon un mode de réalisation, ledit générateur d'impulsions est traversé en son axe par un tube axial creux en matériau isolant connecté mécaniquement en partie basse dudit générateur d'impulsions à un tube métallique de telle sorte que le continuum desdits tubes assure la transmission du fluide de forage et que ledit tube métallique inférieur, de préférence seul ce tube, reçoive les décharges électriques du dit générateur d'impulsions.
  • Selon un mode de réalisation, ledit générateur d'impulsions est un générateur de type Linear Transformer Driver LTD ou un générateur de Marx ou un transformateur de TESLA.
  • Selon un mode de réalisation, plusieurs modules constitués de dispositifs de stockage d'énergie de préférence des condensateurs et de commutateurs de puissance de préférence éclateur à gaz sont empilés les uns sur les autres dans l'espace annulaire situé entre ledit tube axial creux et l'enveloppe métallique extérieure.
  • Selon une variante, lesdits commutateurs de puissance sont constitués d'électrodes annulaires ayant la forme d'un anneau.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un raccord isolant comprenant deux pièces métalliques, une pièce supérieure et une pièce inférieure, séparées par un matériau isolant et emboitées entre elles pour transmettre les contraintes axiales ainsi que les contraintes de couple entre ladite pièce supérieure et ladite pièce inférieure.
  • Selon un mode de réalisation, les électrodes comprennent des inserts en matériau dur et abrasif, de préférence de type Poly Diamond Crystalline (PDC) ou de type carbure de tungstène et/ou une matrice métallique comprenant une poudre ou des microparticules de matériaux durs, de préférence de diamant.
  • L'invention a encore pour objet un dispositif de forage rotary, comprenant le dispositif de fond selon l'invention qui est incorporé à l'extrémité d'une garniture de forage comprenant un ensemble de tiges et éventuellement de masse-tiges pour la transmission de l'énergie électrique et un appareil de forage comprenant un système d'entrainement en rotation d'un train de tiges et/ou de masse tiges, et des pompes de forage d'injection de fluide de forage à l'intérieur du train de tiges et/ou masse tiges.
  • L'invention a encore pour objet un procédé de forage, par mise en rotation du dispositif de forage rotary selon l'invention.
    • BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
    • La figure 1 représente un système d'ensemble en configuration « coulisse positionnée au niveau de l'outil de forage électrique ». Dans celle-ci :
      • 1 : appareil de forage équipé d'un derrick, d'un mât ou de tout autre système de manutention,
      • 2 : système de mise rotation de la garniture de forage,
      • 3 : pompes permettant d'injecter le fluide de forage sous fort débit et forte pression,
      • 4 : un train de tiges et / ou de masses tiges,
      • 5 : un générateur électrique,
      • 6 : générateur d'impulsions,
      • 7 : outil de forage électrique,
      • 8 : stabilisateur
      • 9 : interrupteur électrique à coulisse positionné au niveau de l'outil de forage électrique,
      • 10 : système d'électrodes.
    • La figure 2 représente un système d'ensemble en configuration « coulisse positionnée entre le générateur électrique et le générateur d'impulsions ». La légende de la figure 1 s'applique mutatis mutandis.
    • La figure 3 représente un système d'ensemble en configuration « deux interrupteurs électriques à coulisse ». Dans celle-ci :
      • 9s : interrupteur électrique à coulisse supérieur
      • 9i : interrupteur électrique à coulisse inférieur
      • 5a : compartiment hydraulique
      • 5b : compartiment électrique
      • 5 : générateur électrique
    • La figure 4 représente un générateur d'impulsions et outil de forage électrique en configuration « coulisse ouverte » - Configuration « coulisse positionnée au niveau de l'outil de forage électrique ». Dans celle-ci :
      • 6 : générateur d'impulsions
      • 8 : stabilisateur
      • 9 : interrupteur à coulisse en position « normalement ouverte »
      • 11 : électrodes à la masse
      • 12 : électrode haute tension centrale ou désaxée
      • 13 : isolant
      • 14 : ressort en position décomprimée
      • 15 : soufflet à ressort en position déployée
      • 16 : condensateur
      • 17 : système d'ouverture / fermeture du circuit de charge des condensateurs et de décharge des condensateurs sur résistance en configuration « normalement désactivée »
      • 18 : orifices de circulation du fluide de forage
      • 19 : système de transmission mécanique
    • La figure 5 représente un générateur d'impulsions et outil de forage électrique en configuration « coulisse fermée » - Configuration « coulisse positionnée au niveau de l'outil de forage électrique ». Dans celle-ci :
      • 6 : générateur d'impulsions
      • 8 : stabilisateur
      • 9 bis: interrupteur à coulisse en position « fermée »
      • 11 : électrodes à la masse
      • 12 : électrode haute tension centrale ou désaxée
      • 13 : isolant
      • 14 bis : ressort en position comprimée
      • 15 bis : soufflet à ressort en position repliée
      • 16 : condensateur
      • 17 bis : système d'ouverture / fermeture du circuit de charge des condensateurs et de décharge des condensateurs sur résistance en configuration « activée »
      • 18 : orifices de circulation du fluide de forage
      • 19 : système de transmission mécanique
      • 36 : chambre haute tension
    • La figure 6 représente un outil de forage électrique, doté d'un interrupteur électrique à coulisse, en configuration « électrodes haute tension constituées d'une électrode centrale ou désaxée et de plusieurs électrodes périphériques ». Dans celle-ci :
      • 11 : électrodes à la masse
      • 12 : électrode haute tension centrale ou désaxée
      • 12 bis : électrodes haute tension périphériques
      • 13 : isolant
      • 36 : chambre haute tension
    • La figure 7 représente un détail du fonctionnement de la partie mécanique et hydraulique de l'interrupteur électrique à coulisse lorsque positionnée au niveau de l'outil de forage électrique. Dans celle-ci, outre les références déjà données pour les figures 4 et 5 :
      • 20 : canaux de circulation du fluide de forage
      • 21 : force F1 d'ouverture de la coulisse exercée par le ressort 14
      • 22 : force F2 qui résulte de la pression engendrée par les pertes de charge [P2 (24) -P1(25)] du fluide dans les canaux (20) de l'isolant et de la section S (23) sur laquelle s'applique cette pression
      • 23 : surface sur laquelle s'exerce la pression qui résulte des pertes de charge [P2 (24) -P1(25)] du fluide dans les canaux (20) de l'isolant
      • 24 : pression P1 du fluide de forage en amont des canaux (20) de l'isolant
      • 25 : pression P2 du fluide de forage en aval des canaux (20) de l'isolant
    • La figure 8 représente un interrupteur électrique à coulisse positionné entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique du générateur électrique - position débrayée. Dans celle-ci :
      • 36 : axe creux supérieur entrainé connecté sur le rotor du compartiment hydraulique (turbine ou moteur de fond)
      • 37 : roulement supérieur
      • 38 : mouvement de rotation de l'axe creux entrainé par le rotor du compartiment hydraulique (turbine ou moteur de fond) du générateur électrique
      • 39 : joints
      • 40 : mécanisme de connexion mécanique entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'axe creux en position débrayée
      • 41 : roulement inférieur
      • 42 : axe creux inférieur connecté sur le rotor du compartiment électrique (alternateur) du générateur électrique
      • 43 : ressort en position décomprimée
      • 47 : circulation du fluide de forage
    • La figure 9 représente un interrupteur électrique à coulisse positionné entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique du générateur électrique - position embrayée. Dans celle-ci :
      • 36 : axe creux supérieur entrainé connecté sur le rotor du compartiment hydraulique (turbine ou moteur de fond)
      • 37 : roulement supérieur
      • 38 : mouvement de rotation de l'axe creux entrainé par le rotor du compartiment hydraulique (turbine ou moteur de fond) du générateur électrique
      • 39 : joints
      • 41 : roulement inférieur
      • 42 : axe creux inférieur connecté sur le rotor du compartiment électrique (alternateur) du générateur électrique
      • 44 : mécanisme de connexion mécanique entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'axe creux en position embrayée
      • 45 : mouvement de rotation de l'axe creux inférieur entrainé par l'axe creux supérieur
      • 46 : ressort en position comprimée
      • 47 : circulation du fluide de forage
    • La figure 10 représente un détail du fonctionnement d'une partie du circuit de décharge des condensateurs sur résistance de l'interrupteur électrique à coulisse. Dans celle-ci :
      • 26 : générateur électrique
      • 27 : circuit de décharge des condensateurs sur résistance
      • 28 : générateur d'impulsions
      • 29 : outil de forage électrique
      • 30 : condensateur de découplage
      • 31 : contacteur actionné par le système de transmission mécanique
    • La figure 11 représente un exemple d'une configuration du système d'électrode avec un dispositif haute tension constitué d'une unique électrode centrale désaxée. Dans celle-ci :
      • 32 : électrode à la masse
      • 33 : électrode haute tension centrale désaxée
      • 34 : distance D entre les pointes des électrodes à la masse et l'électrode centrale
    • La figure 12 représente un exemple d'une configuration du système d'électrode avec un dispositif haute tension constitué d'une électrode centrale désaxée et d'électrodes périphériques. Dans celle-ci :
      • 32 : électrode à la masse
      • 33 : électrode haute tension centrale désaxée
      • 34 : distance D entre les pointes des électrodes à la masse et l'électrode centrale
      • 35 : électrode haute tension périphérique
    • La figure 13 représente une coupe du générateur d'impulsions - configuration générateur de Marx avec éclateurs à gaz annulaires. Dans celle-ci :
      • 48 : interface électrique entre le générateur d'impulsions et le tube axial creux haute tension
      • 49 : éclateur à gaz à électrodes annulaire
      • 50 : isolant
      • 51 : électrode annulaire de l'éclateur à gaz
      • 52 : circulation du fluide de forage
      • 53 : tube axial creux en matériau isolant
      • 54 : tube axial creux haute tension
      • 55 : coque métallique externe
      • 56 : module composé d'un dispositif de stockage d'énergie (condensateur) et d'un commutateur de puissance (éclateur à gaz)
    • La figure 14 représente un raccord isolant. Dans celle-ci :
      • 57 : pièce métallique inférieure
      • 58 : pièce métallique supérieure
      • 59 : écoulement fluide de forage
      • 60 : isolant
    • La figure 15 représente une vue d'une partie d'une électrode. Dans celle-ci :
      • 61 : PDC
      • 62 : matrice imprégnée
    • La figure 16 représente une vue tridimensionnelle d'un outil selon l'invention.
    DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
  • L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
  • L'invention peut être utilisée potentiellement dans les domaines suivants :
    • domaine pétrolier (exploration et développement de gisements d'huile et/ou de gaz),
    • domaine minier (forage d'exploration),
    • domaine géothermique (forage de puits basse ou haute enthalpie),
    • domaine génie civil (forage d'évaluation géologique, forage de congélation, etc).
  • L'équipement de fond présenté est incorporé à l'extrémité d'une garniture de forage standard (un ensemble de tiges et/ou de masse-tiges) ne nécessitant aucun aménagement spécifique. Il se compose des éléments suivants :
    • un générateur électrique (5),
    • un générateur d'impulsions (6),
    • un interrupteur électrique à coulisse (9),
    • un outil de forage électrique (7).
  • Sont associés à cet équipement de fond un appareil de forage équipé d'un derrick, d'un mât ou de tout autre système de manutention (1), un système de mise rotation de la garniture de forage (2) et des pompes permettant d'injecter le fluide de forage sous fort débit et forte pression (3), ainsi qu'un train de tiges et / ou de masses tiges (4). Un stabilisateur (8) de conception standard peut être prévu.
  • Parallèlement à la mise en œuvre du procédé électrique, la garniture de forage peut être mise en rotation de façon conventionnelle depuis la surface (avec table de rotation et tige carrée ou « power swivel ») puisque aucun câble ou autre système de transmission de l'énergie électrique ne s'oppose à ce mouvement. Ainsi le foreur dispose d'un système entièrement compatible du « rig » de forage et des procédures standards tout en assurant le contrôle du fonctionnement électrique du système de fond grâce à la coulisse de l'outil.
  • Dans la figure 1, l'interrupteur électrique à coulisse est positionné au niveau de l'outil de forage électrique, tandis que dans la figure 2, il est positionné entre le générateur électrique et le générateur d'impulsions.
  • L'interrupteur électrique à coulisse peut donc être positionné au niveau de l'outil de forage électrique ou aux interfaces entre les différents composants du système.
  • La figure 3 présente également une configuration dans laquelle deux interrupteurs électriques à coulisse sont utilisés : l'un au niveau du générateur électrique et l'autre au niveau de l'outil de forage électrique.
  • L'équipement de fond est utilisé en conformité avec les procédures standards de forage et ne nécessite aucun aménagement particulier de l'appareil de forage.
  • Les différents composants du dispositif et du procédé selon l'invention sont décrits ci-après.
  • La fonction du générateur électrique (5) est de convertir l'énergie hydraulique du fluide de forage en énergie électrique. Dans une des différentes configurations considérées (en référence par exemple à la figure 3), le générateur électrique est constitué des composants suivants :
    • un compartiment hydraulique (5a) de type turbine ou moteur hydraulique de fond comprenant une partie statorique et une partie rotorique,
    • une interface mécanique assurant la transmission du mouvement de rotation du rotor du compartiment hydraulique au rotor du compartiment électrique,
    • un compartiment électrique (5b) qui dans une configuration potentielle est lui-même subdivisé en deux parties :
      • un alternateur comprenant une partie statorique qui porte les bobinages de l'alternateur et une partie rotorique qui porte les composants aimantés,
      • un chargeur qui délivre un courant haute tension par exemple de 1 kV à 50 kV, de préférence entre 20 kV et 40 kV destiné à alimenter les condensateurs du générateur d'impulsions.
  • Dans cette configuration, le fluide de forage circule entre la partie statorique et la partie rotorique du compartiment hydraulique et fait tourner le rotor. Ce dernier entraine à son tour le rotor de l'alternateur. Au niveau de l'interface entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique, le fluide de forage pénètre à l'intérieur du rotor de l'alternateur qui est constitué d'un arbre creux doté d'orifices en partie supérieure. Le courant électrique basse tension produit par l'alternateur alimente le chargeur haute tension qui à son tour alimente les condensateurs du générateur d'impulsions.
  • C'est la puissance du fluide de forage injecté par les pompes de l'appareil de forage situées en surface qui permet d'entrainer le générateur électrique. Ainsi, la conception de l'invention permet de s'affranchir de tout système de transmission de l'énergie électrique entre la surface et le fond tels que câble électrique, tiges conductrices, coiled tubing ou tout autre système. La production de l'énergie électrique au fond élimine ainsi un obstacle fondamental à l'utilisation d'un système de forage par décharges électriques tels que présentés dans les différents documents de l'état de la technique. Cette conception rend le système de forage rotary par décharges électriques de la présente invention entièrement compatible avec les procédures standard de forage contrairement aux documents de l'état de la technique. Elle permet d'améliorer l'efficacité du processus de destruction de la roche en combinant l'effet mécanique apporté par la rotation et l'effet des décharges électriques. Elle permet de réaliser les manœuvres de garniture (remontée en surface et redescente au fond) de façon conventionnelle sans le handicap d'un câble fixé sur ou dans les tiges. Le mouvement permanent de rotation de la garniture permet également d'éviter les phénomènes classiquement redoutés de collage par pression différentielle et réduit les risques d'abandon de garniture dans le trou.
  • L'invention permet de commander le dispositif depuis la surface. Sans le dispositif complémentaire de l'invention, le foreur serait incapable d'autoriser ou interdire, depuis la surface, le fonctionnement électrique du système de forage rotary par décharges électrique. En effet, seul le pilotage de la circulation de boue par les pompes permet de déclencher ou d'arrêter le fonctionnement du système. Or, il est bien connu dans le métier du forage que, dès lors qu'une garniture de forage est présente dans le trou, la permanence de la circulation de la boue est une nécessité vitale tant vis-à-vis de la sécurité du trou que vis-à-vis de la sécurité du personnel et ce même si l'outil de forage n'est pas strictement en train de forer. Cette circulation permanente permet de prévenir les risques de venue de gaz ou d'huile sur les puits du domaine Oil and Gaz et permet d'éviter toute sédimentation de débris de roches (les cuttings) évitant ainsi les risques de coincement de garniture. Dans ces conditions, l'utilisation seule du générateur électrique, sans le dispositif selon l'invention, imposerait un fonctionnement électrique permanent du système de forage rotary par décharges électriques dès lors que la circulation de la boue serait active. Une telle logique serait gravement préjudiciable à la sécurité du personnel, à la sécurité du forage et à l'efficacité du procédé.
  • Vis-à-vis de la sécurité du personnel, il est essentiel de garantir que le fonctionnement électrique du système est arrêté et que les condensateurs sont déchargés lors de la remontée en surface de la garniture de forage. Il est également souhaitable, lorsque la garniture de forage se trouve sous la circulation de fluide au « sabot » (l'extrémité) d'un tubage métallique (cuvelage métallique ou « casing ») d'arrêter le fonctionnement électrique du système. L'invention permet d'atteindre cet objectif, par emploi de l'interrupteur à coulisse.
  • En termes de performance, il est important que le système ait une durée de vie aussi grande que possible. Cette raison recommande donc de ne déclencher le système de forage rotary par décharges électriques uniquement à partir du moment où la garniture de forage est au fond du trou c'est-à-dire lorsque le système est utilisé pour forer. L'invention permet aussi d'atteindre cet objectif, par emploi de l'interrupteur à coulisse qui va activer le dispositif en fond de trou seulement si on le souhaite.
  • Enfin, il est préférable de pouvoir arrêter ponctuellement le fonctionnement électrique du système lors de la transmission « mud pulse » d'un MWD pour éviter les interférences entre les systèmes. L'invention permet aussi d'atteindre cet objectif, par emploi de l'interrupteur à coulisse.
  • Tous ces exemples (liste non exhaustive) montrent clairement qu'il est souhaitable de disposer d'un moyen de pilotage à distance du fonctionnement électrique du système de forage rotary par décharges électrique et ce tout en main. Ce pilotage depuis la surface est rendue possible grâce à l'incorporation d'un interrupteur électrique à coulisse (9) positionné à divers endroits potentiels de l'architecture du système (cet interrupteur est décrit plus avant infra).
  • Dans une configuration selon l'invention, cet interrupteur électrique à coulisse est situé à l'interface entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique (cf figure 3). Cet interrupteur joue le rôle d'un embrayage mécanique. La position « normale » de cet interrupteur empêche le verrouillage mécanique du rotor du compartiment hydraulique avec celui du compartiment électrique. Elle apporte une garantie sur le fait que le système ne peut pas fonctionner tant que le foreur ne l'a pas décidé. La décision du foreur de faire fonctionner le système consiste à appliquer un poids sur l'outil significatif de plusieurs tonnes, par exemple entre 2t et 15t, en mettant une partie de la garniture de forage en compression. Lorsque le foreur applique cette force, la coulisse de l'interrupteur se ferme, le verrouillage mécanique entre les rotors des compartiments hydraulique et électrique est établi et le générateur électrique produit alors le courant électrique.
  • Dans une des configurations considérées, cet interrupteur électrique à coulisse permet d'actionner un système d'ouverture / fermeture de l'alimentation haute tension des condensateurs..
  • La position « normale » de cet interrupteur empêche l'alimentation électrique haute tension des condensateurs. Elle apporte une garantie sur le fait que le système ne peut pas fonctionner tant que le foreur ne l'a pas décidé. La décision du foreur de faire fonctionner le système consiste à appliquer un poids sur l'outil significatif de plusieurs tonnes en mettant une partie de la garniture de forage en compression. Lorsque le foreur applique cette force, la coulisse de l'interrupteur se ferme, un contact électrique est établi et le système peut alors fonctionner.
  • Dans une autre configuration considérée, cet interrupteur électrique à coulisse permet d'actionner un système de verrouillage mécanique entre le rotor du compartiment hydraulique et le rotor de l'alternateur (voir les figures 8 et 9, infra). La position « normale » de cet interrupteur empêche le rotor de l'alternateur de tourner. Dans cette position, aucun courant électrique ne peut alors être produit. Comme dans le cas précédent, elle apporte une garantie sur le fait que le système ne peut pas fonctionner tant que le foreur ne l'a pas décidé. La décision du foreur de faire fonctionner le système consiste à appliquer, dans une même logique que celle décrite ci-dessus, un poids sur l'outil significatif de plusieurs tonnes en mettant une partie de la garniture de forage en compression. Lorsque le foreur applique cette force, la coulisse de l'interrupteur se ferme, le rotor du compartiment hydraulique embraye sur le rotor de l'alternateur et le système peut alors fonctionner.
  • Dans une autre configuration préférée, le système est doté de deux interrupteurs électriques à coulisse (comme représenté à la figure 3) :
    • un interrupteur électrique à coulisse supérieur (9s) entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique du générateur électrique,
    • un interrupteur électrique à coulisse inférieur (9i) au niveau de l'outil de forage électrique.
  • Ainsi dans cette configuration, le système est doté d'une double sécurité. L'interrupteur supérieur en position normale garantit que la production du générateur électrique est arrêtée et qu'aucun courant n'alimente le système et ce même si la circulation du fluide de forage est maintenue. L'interrupteur inférieur en position normale garantit quant à lui que les condensateurs du générateur d'impulsions sont déchargés et ne peuvent être rechargés.
  • Ainsi l'interrupteur électrique à coulisse selon l'invention, ainsi que le générateur électrique de fond confèrent au système de forage rotary par décharges électriques la fiabilité, la sûreté et la performance qu'exigent les règles du forage notamment dans le domaine pétrolier.
  • Les figures 4 et 5 représentent un générateur d'impulsions et l'outil de forage (coulisse positionnée au niveau de l'outil de forage électrique), en configuration coulisse ouverte et coulisse fermée, respectivement. Dans celles-ci, le générateur d'impulsions (6) est relié au stabilisateur (8), intégré dans l'interrupteur à coulisse (9). Le dispositif comprend des électrodes à la masse (11) et une électrode haute tension centrale ou désaxée unique (12) ou à une pluralité d'électrodes haute tension, entre lesquelles se trouve un isolant (13). Ces électrodes, qui dans leur partie terminale au niveau de la chambre haute tension (36) ne sont séparées par aucun matériau solide, délivrent les impulsions électriques nécessaires pour le forage. Le dispositif comprend par ailleurs des orifices de circulation du fluide de forage (18) et un système de transmission mécanique (19), ainsi que des jeux de condensateurs (16).
  • En position ouverte sur la figure 4, on peut voir un ressort en position décomprimée (14), un soufflet à ressort en position déployée (15), le système (17) d'ouverture / fermeture du circuit de charge des condensateurs et de décharge des condensateurs sur résistance en configuration « normalement désactivée ».
  • En position fermée sur la figure 5, on a représenté l'interrupteur (9bis), en position fermée et le ressort en position comprimée (14bis), le soufflet à ressort en position repliée (15bis) et le système (17bis) d'ouverture / fermeture du circuit de charge des condensateurs et de décharge des condensateurs sur résistance (dump des condensateurs) en configuration « activée ». Dans cette configuration de la figure 5, le circuit d'alimentation haute tension du générateur d'impulsions est donc fermé et les condensateurs peuvent donc être chargés. Le détail du fonctionnement de l'ouverture / fermeture du circuit d'alimentation haute tension des condensateurs et de leur décharge est illustré par la figure 10, dans laquelle le générateur électrique (26) est connecté au circuit (27) de décharge des condensateurs sur résistance de « dump », ledit circuit de décharge comprenant aussi un condensateur de découplage (30) et un un contacteur (31) actionné par le système de transmission mécanique, ce circuit étant connecté au générateur d'impulsions (28) lui-même lié à l'outil de forage (31).
  • La figure 7 représente un détail du fonctionnement de la partie mécanique et hydraulique de l'interrupteur à coulisse (coulisse positionnée au niveau de l'outil de forage électrique), en configuration coulisse ouverte et coulisse fermée, respectivement. Dans cette figure 7, sont à nouveau représentées les électrodes à la masse (11), haute tension centrale ou désaxée (12), l'isolant (13), le ressort en position décomprimée (14) et les orifices de circulation du fluide de forage (18). On a représenté en plus les canaux de circulation du fluide de forage (20) dans l'isolant (13), ainsi que les forces et pressions suivantes :
    • 21 : force F1 d'ouverture de la coulisse exercée par le ressort 14
    • 22 : force F2 qui résulte de la pression engendrée par les pertes de charge [P2(24) -P1(25)] du fluide dans les canaux (20) de l'isolant et de la section S (23) sur laquelle s'applique cette pression
    • 23 : surface S sur laquelle s'exerce la pression qui résulte des pertes de charge [P2(24) -P1(25)] du fluide dans les canaux (20) de l'isolant
    • 24 : pression P1 du fluide de forage en amont des canaux (20) de l'isolant
    • 25 : pression P2 du fluide de forage en aval des canaux 20) de l'isolant.
  • Dans le but de renforcer l'action passive du ressort de la coulisse, les canaux verticaux de l'isolant sont dimensionnés pour créer une perte de charge (ΔP=P1-P2) qui se traduit par une force verticale F2 dirigée du haut vers le bas égale au produit de cette perte de charge par la surface de la partie coulissante inférieure (F2 = ΔP x S). Ainsi cette force vient renforcer la force F1 du ressort et du poids suspendu sous la coulisse.
  • Ainsi, lorsque l'outil de forage électrique n'est pas en appui sur le fond du trou et que la circulation du fluide de forage est en fonction, le foreur a non seulement la certitude que les condensateurs ne sont plus alimentés mais également que ces derniers sont entièrement déchargés. En effet l'interrupteur électrique à coulisse, en position normalement ouverte, ouvre le circuit de charge des condensateurs mais également ferme le circuit de décharge des condensateurs sur résistance dite de « dump » (voir figure 10). Lorsque l'outil est en appui sur le fond du trou et qu'un poids supérieur aux forces cumulées du ressort et des pertes de charge est appliqué sur l'outil, la coulisse se referme et la tige de transmission actionne le système de fermeture / ouverture de circuit. Dès cet instant, le circuit de charge des condensateurs est fermé, les condensateurs ne sont plus reliés au système de décharge des condensateurs sur résistance dite de « dump » et le forage rotary par décharges électriques peut alors fonctionner.
  • La figure 6 est une représentation dans laquelle on peut voir les électrodes à la masse (11), l'électrode haute tension centrale ou désaxée (12), les électrodes haute tension périphériques (12bis), l'isolant (13) et la chambre haute tension (36) définie entre les électrodes.
  • Comme décrit supra, l'interrupteur électrique à coulisse assure les trois fonctions suivantes :
    • interdire passivement, dans une logique de type « normalement interdit », la rotation du rotor de l'alternateur, et/ou l'alimentation électrique du chargeur haute tension par l'alternateur et/ou le circuit d'alimentation des condensateurs du générateur d'impulsions,
    • assurer passivement, la fermeture du circuit de décharge des condensateurs sur résistance dans une logique de type « normalement déchargé » sur résistance dite de « dump »,
    • autoriser, sur action positive déclenchée par le foreur depuis la surface :
      • la rotation du rotor de l'alternateur, et/ou
      • l'alimentation électrique du chargeur haute tension par l'alternateur, et/ou
      • l'alimentation des condensateurs du générateur d'impulsions, et
      • conjointement l'ouverture du circuit de décharge des condensateurs du générateur d'impulsions sur résistance (cf figure 10).
  • Ainsi, la position « normalement interdite » ou « normalement ouverte » de cet interrupteur est la position de sécurité qui garantit l'absence du risque haute tension et le non fonctionnement électrique du système de forage rotary par décharges électriques.
  • Selon l'invention, cet interrupteur est constitué d'une coulisse incorporée entre le compartiment hydraulique (la turbine ou le moteur de fond) et le compartiment électrique (l'alternateur) du générateur électrique (comme représenté dans les figures 3, 7 et 8). La coulisse est constituée de deux parties coulissantes entre elles avec une butée haute et une butée basse autorisant une course de l'ordre de quelques centimètres à plusieurs décimètres, par exemple de 1cm à 20cm. Cette coulisse est conçue dans une logique de type « normalement ouverte » grâce à l'action d'un ressort mécanique de robuste constitution qui exerce une puissante force d'écartement entre les deux parties coulissantes. La masse suspendue sous la partie inférieure de la coulisse vient renforcer l'action du ressort qui maintient la coulisse en position ouverte. La partie supérieure de la coulisse porte un axe creux (connecté au rotor du compartiment hydraulique) monté sur roulement pour désolidariser les mouvements de rotation entre la coulisse et cet axe. La partie inférieure de la coulisse porte également un axe creux (connecté au rotor du compartiment électrique) monté sur roulement pour désolidariser les mouvements de rotation entre la coulisse et cet axe. Les axes creux supérieurs et inférieurs sont équipés d'un système d'embrayage. Un des axes est également doté de joints permettant d'assurer la continuité du flux de fluide de forage quelle que soit la position relative des deux axes. Lorsque la coulisse est ouverte, le fluide circule librement de l'espace stator / rotor du compartiment hydraulique vers l'intérieur du rotor du compartiment électrique (l'alternateur) et au-delà vers l'outil de forage électrique mais les deux rotors ne sont pas verrouillés mécaniquement. Ainsi, nonobstant la permanence de la circulation du fluide de forage, le générateur électrique ne produit aucun courant puisque le rotor de l'alternateur ne tourne pas. Lorsque la coulisse se ferme, le système d'embrayage solidarise les deux rotors et autorise alors la rotation du rotor de l'alternateur. La fermeture de la coulisse n'est possible que lorsque le foreur met une partie de la garniture de forage en compression et applique un poids sur l'outil supérieur à la force d'ouverture du ressort. Dès cet instant, le système de forage rotary par décharges électrique peut alors fonctionner.
  • Les figures 8 et 9 représentent un détail de l'interrupteur à coulisse (coulisse positionnée entre le compartiment hydraulique et le compartiment électrique du générateur électrique) en position débrayée et embrayée, respectivement.
  • Est représenté l'axe creux (36) supérieur entrainé connecté sur le rotor du compartiment hydraulique (turbine ou moteur de fond) du générateur électrique, le mouvement de rotation étant identifié par la flèche (38). La circulation du fluide de forage est identifiée par la flèche (47). Cet axe est pris dans un roulement supérieur (37).
  • Est aussi représenté l'axe creux (42) inférieur connecté sur le rotor du compartiment électrique (alternateur) du générateur électrique, sans rotation. Cet axe est pris dans un roulement inférieur (41). Un joint (39) est présent à la connexion entre les axes supérieur (36) et inférieur (42). Le ressort (43) est en position décompressée, maintenant les deux axes séparés.
  • Sur la figure 9, la position est embrayée et dans cette position le: ressort est en position comprimée (46) et il est créé un mécanisme (44) de connexion mécanique entre la partie supérieure et la partie inférieure de l'axe creux en position embrayée, ce qui conduit à un mouvement de rotation de l'axe creux inférieur entrainé par l'axe creux supérieur, identifié par la flèche (45), la connexion mécanique étant ainsi assurée.
  • Ainsi que décrit en référence aux figures et notamment la figure 6, l'interrupteur électrique à coulisse comprend trois parties
    • une coulisse mécanique,
    • un système de transmission mécanique,
    • un système d'ouverture / fermeture de circuit.
  • Le système d'interrupteur à coulisse peut être incorporé (i) au niveau dudit outil de forage électrique ou (ii) à l'interface entre ledit outil de forage électrique ce dernier et ledit générateur d'impulsions ou (iii) au niveau dudit générateur d'impulsions ou (iv) entre ledit générateur d'impulsions et ledit générateur électrique ou (v) au niveau dudit générateur électrique ou (vi) au-dessus dudit générateur électrique.
  • La coulisse est généralement solidaire d'un système de transmission mécanique qui vient actionner le système d'ouverture / fermeture de circuit. Dans un mode de réalisation ce système est constitué d'une ou plusieurs tiges qui coulissent dans un logement pratiqué dans l'épaisseur du corps métallique extérieur du générateur d'impulsions et/ou du générateur électrique en fonction de la position de la coulisse dans l'architecture du système.
  • Les systèmes d'ouverture / fermeture de circuit actionnés par la coulisse sont notamment relatifs aux circuits suivants :
    • le circuit d'alimentation du chargeur haute tension du générateur électrique ; et/ou
    • le circuit d'alimentation des condensateurs du générateur d'impulsions ; et/ou
    • le circuit de décharge des condensateurs sur résistance.
  • Dans un mode de réalisation, la coulisse est positionnée au niveau de l'outil de forage électrique. Dans cette configuration, la partie coulissante inférieure comprend des composants suivants :
    • le corps qui porte les électrodes à la masse,
    • l'isolant,
    • le système d'électrodes haute tension.
  • Le générateur d'impulsions est connecté mécaniquement et électriquement au générateur électrique. C'est l'organe qui crée et délivre les impulsions de très forte tension à l'outil de forage électrique. Il peut être basé sur diverses architectures d'élévation d'une tension primaire.
  • Trois architectures d'élévation de tension sont considérées. La première est fondée sur l'utilisation d'un générateur de Marx. La deuxième repose sur la technologie LTD (Linear Transformer Driver). La troisième est fondée sur la technologie des transformateurs de Tesla.
  • Dans les trois cas, comme représenté à la figure 13, le générateur d'impulsions est traversé en son axe par un tube axial creux dont les parois sont constituées d'un matériau isolant (53). Ce tube creux sert à la circulation du fluide de forage (52). Dans la partie inférieure du générateur d'impulsions, ce tube est connecté mécaniquement à un autre tube creux de même diamètre mais dont les parois sont en acier (54). Le tube en acier reçoit les impulsions de haute tension qui les transmet au système d'électrodes de l'outil de forage électrique.
  • Compte tenu de la présence du tube en partie axiale, la disposition préférée consiste à disposer les composants du générateur d'impulsions selon un schéma annulaire. Dans le cas de l'utilisation d'un générateur de Marx (un additionneur d'une tension élémentaire V0 selon une suite arithmétique de terme initial nul et de raison V0), une configuration considérée consiste à empiler des modules élémentaires (56) identiques et facilement remplaçables dans l'annulaire compris entre le tube axial creux et l'enveloppe métallique extérieure. Ces modules sont entourés d'un matériau isolant (53). Chaque module est composé d'un dispositif de stockage d'énergie (ici des condensateurs) et d'un commutateur de puissance. La capacité d'un module peut être comprise entre 20 nF et 1000 nF, de préférence entre 50 nF et 200 nF. Le nombre de modules utilisés détermine la gamme de tension souhaitée en sortie du générateur d'impulsions. La tension élémentaire appliquée à l'entrée du générateur d'impulsions est fournie par le chargeur haute tension du générateur électrique. Elle peut être comprise entre 1 kV et 50 kV, de préférence entre 20 kV et 40 kV. Typiquement la tension en sortie du générateur d'impulsions peut être comprise entre 200 kV et 1000 kV, de préférence entre 400 kV et 600 kV. La fréquence de production des impulsions de haute tension vers le système d'électrodes de l'outil de forage peut être comprise entre 1 Hz et 100 Hz, de préférence entre 5 Hz et 50 Hz.
  • Dans une configuration considérée, le commutateur de puissance est un éclateur à gaz (49). Ses électrodes sont des couronnes pleines annulaires (51). L'isolation électrique du commutateur de puissance est assurée par un gaz sous pression, conservé ou périodiquement renouvelé. La configuration annulaire et profilée des électrodes du commutateur de puissance permet d'augmenter la surface pouvant être érodée par électrode, ce qui est de nature à rallonger leur durée de vie.
  • L'isolation électrique entre modules est assurée grâce à l'utilisation d'emboitement d'isolants et de joints compressés. La sortie du générateur d'impulsions est reliée au système d'électrodes de l'outil de forage par une interface isolée dont l'élément isolant peut être solide, liquide ou gazeux.
  • Dans un mode de réalisation, le générateur d'impulsions est doté en partie haute, sous l'interface avec le générateur électrique, d'un système d'ouverture / fermeture du circuit de charge des condensateurs et de décharge de ces derniers (comme représenté sur les figures 3, 4 et 9). Ce système est actionné par un système de transmission mécanique mis en mouvement grâce à l'interrupteur électrique à coulisse qui est normalement ouvert. Ainsi, sans une action voulue par le foreur depuis la surface, ce dernier composant garantit que le fonctionnement électrique du système de forage rotary par décharges électrique est interrompu et que la manipulation de la garniture avec ou sans circulation de boue est possible en sécurité tant vis-à-vis du personnel que du matériel.
  • L'outil de forage électrique (voir par exemple les figures 3, 4 et 5), dans un mode de réalisation, comprend :
    • un système d'électrodes, passives et actives,
    • un corps comportant un stabilisateur de conception standard.
  • Le système d'électrodes est constitué de deux groupes d'électrodes séparés par un isolant :
    • une ou plusieurs électrodes haute tension (33 et 35),
    • un isolant (13),
    • des électrodes à la masse (11 et 32).
  • Dans un des modes de réalisation considérés, le système d'électrodes haute tension est constitué d'un axe central creux connecté aux condensateurs. L'isolant est doté de canaux verticaux (20). Le fluide de forage circule à l'intérieur de l'axe central et emprunte deux chemins :
    • l'intérieur de l'axe central jusqu'à l'extrémité de cet axe c'est-à-dire au bas de l'outil de forage électrique,
    • les canaux verticaux de l'isolant (20) grâce à des perforations pratiquées dans l'axe central au-dessus de l'isolant (18).
  • Les électrodes à la masse sont solidaires du corps extérieur de l'outil de forage électrique et sont constituées par des excroissances à extension horizontale ou inclinée de robuste constitution (32) conçues pour résister à un couple et à un poids sur l'outil permettant d'utiliser le système en rotation conventionnelle. L'isolant (13) qui sépare le système d'électrodes haute tension du système d'électrodes à la masse est un matériau de type céramique, époxy ou de tout autre composant isolant et résistant à la fois à la température et aux efforts mécaniques auxquels il est soumis en conditions de forage.
  • Une des spécificités de l'outil de forage électrique selon l'invention réside dans l'agencement des électrodes par rapport à la matrice de l'outil. En effet, les documents de l'art antérieur font apparaître une fixation des électrodes dans une matrice et induisent donc la présence d'un matériau solide entre les électrodes haute tension et les électrodes à la masse et ce à proximité de l'extrémité des électrodes. D'autres documents de l'art antérieur ne fournissent aucun détail sur cet aspect. En effet, un matériau solide, fut-il isolant, risque d'être détruit s'il est présent entre les électrodes dans une partie où la composante haute tension est trop rapprochée de la composante à la masse. Lors du forage, bien que l'essentiel des arcs électriques pénètre dans la roche, une faible proportion peut s'établir en ligne droite entre les électrodes. Cette tendance sera d'autant plus forte que le contact physique entre la roche et les électrodes sera moins bon. De plus, lorsque l'outil de forage électrique est décollé du fond du trou et dans l'hypothèse où le système serait toujours en fonctionnement (ce qui n'est pas le cas dans la présente invention grâce aux interrupteurs électriques à coulisse), c'est la totalité des arcs électriques qui passerait en ligne droite entre les électrodes détruisant alors les matériaux solides présents sur le trajet. Ainsi, la logique de constitution des systèmes d'électrodes présentés dans l'art antérieur n'est pas viable.
  • Pour répondre à ce problème, la partie terminale de l'outil de forage électrique du présent brevet est constituée d'une chambre intérieure exempte de tous matériaux solides à l'exception des électrodes. Cette chambre est délimitée vers le haut par la partie inférieure de l'isolant et sur les côtés par l'ossature de la partie à la masse. Les électrodes haute tension traversent cette chambre. Cette conception permet de garantir que, dès lors que la distance entre la partie à la masse et la partie haute tension décroit significativement en dessous de la valeur qui sépare ces deux parties au niveau de l'isolant, tout arc électrique se produisant dans cette chambre n'aura aucune conséquence sur l'intégrité de l'outil de forage électrique.
  • Il résulte de cette conception, que c'est l'isolant d'une part et la constitution des électrodes haute tension d'autre part qui confèrent à ces dernières leur résistance mécanique tant vis-à-vis des forces de compression que du couple qu'elles subissent lors du forage rotary.
  • Dans un mode de réalisation, l'isolant assure les deux fonctions suivantes :
    • assurer une isolation électrique entre l'axe haute tension et la partie à la masse en maintenant une distance entre ces deux parties significativement supérieure à la distance (34) qui sépare les extrémités du système d'électrodes haute tension et les extrémités du système d'électrodes à la masse mais également en évitant les phénomènes de propagation non maîtrisée des lignes de courant le long des surfaces de contact entre deux milieux de résistivité différentes et se soldant par la création d'un arc électrique, phénomènes connus sous le terme « rampage »,
    • solidariser mécaniquement le corps de l'outil de forage électrique à la masse et le système d'électrodes haute tension et ce tant vis-à-vis des mouvements de rotation que des mouvements axiaux afin de maintenir l'espace entre les extrémités des deux systèmes d'électrodes à une valeur constante (34).
  • Plusieurs géométries du système d'électrodes peuvent être considérées :
    • une électrode haute tension unique positionnée dans l'axe de l'outil de forage électrique et des électrodes à la masse périphériques de dimensions constantes ;
    • une électrode haute tension unique positionnée de façon centrale mais désaxée (33) par rapport à l'axe de l'outil de forage électrique et des électrodes à la masse périphériques (32) de dimensions variables et ajustées pour maintenir un espace constant (34) entre leurs extrémités et l'électrode haute tension (comme il est décrit à la figure 11) ;
    • un système d'électrodes haute tension constitué d'une électrode centrale désaxée (33) et des électrodes périphériques (35) intercalées entre les électrodes à la masse (32), l'espace (34) entre leurs extrémités et l'électrode haute tension étant de valeur constante (comme il est décrit à la figure 12).
  • L'intérêt des dispositifs haute tension désaxés est d'éviter un taux de fragmentation insuffisant au niveau de la partie centrale du trou. L'effet combiné de la position désaxée et de la rotation permet ainsi qu'aucune surface du trou ne soit exempte de la présence d'arcs électriques. De plus, une telle configuration asymétrique permet de disposer d'électrodes à la masse de dimensions variables. Certaines sont de grande dimension : celles qui sont à l'opposé de l'électrode centrale par rapport à l'axe du trou. D'autres sont de petites dimensions : celles qui sont du même côté que l'électrode centrale par rapport à l'axe du trou.
  • Les électrodes les plus grandes sont d'une taille compatible de la mise en place sur cette électrode d'inserts par exemple de type Poly Diamond Crystalline (PDC) (61) ou de type carbure de tungstène ou de tout autre type de matériau dur et abrasif sans courir le risque que ces inserts soient déchaussés par les arcs électriques car les dits inserts sont suffisamment loin de l'extrémité de l'électrode à partir de laquelle se crée l'arc électrique. Ainsi l'existence de ces inserts à la fois sur la face frontale mais aussi sur la face latérale de ces électrodes ainsi équipées permet de renforcer l'effet des arcs électriques par une action mécanique et permet de protéger les électrodes d'une usure prématurée engendrée par la rotation. Il est aussi possible d'équiper l'extrémité des électrodes avec une matrice (62) imprégnée constituée de poudre ou de microparticule de diamant ou de tous matériaux intimement mélangés à une matrice métallique dans le but de protéger les électrodes d'une usure prématurée engendrée par la rotation. Ce mode de réalisation est représenté à la figure 15.
  • Par ailleurs, l'existence d'électrodes de petite dimension permet de créer des arcs électriques très près de la périphérie du trou améliorant ainsi le ratio de couverture de la surface du trou par les arcs électriques.
  • Dans une autre mode de réalisation, lorsque le système d'électrodes haute tension est constitué d'une électrode centrale unique dans l'axe de l'outil de forage, l'isolant assure la fonction « isolation électrique », solidarise mécaniquement la partie à la masse avec la partie haute tension d'un point de vue axial mais autorise le découplage en rotation entre ces deux parties. Ainsi, cette configuration évite une usure prématurée de l'extrémité des électrodes haute tension.
  • Dans une autre mode de réalisation, l'isolant n'assure que la fonction « isolation électrique », et autorise le découplage mécanique tant d'un point de vue axial que rotationnel entre la partie à la masse et la partie haute tension. Ainsi, cette configuration évite non seulement une usure prématurée de l'extrémité des électrodes haute tension mais maintient également un contact permanent entre les électrodes et le terrain.
  • Dans un mode de réalisation, tel qu'illustré sur la figure 14, le système de forage rotary par décharges électriques est isolé électriquement de la partie supérieure de la garniture de forage par un raccord isolant. Ce raccord est constitué d'une pièce métallique supérieure (58) et d'une pièce métallique inférieure (57) séparée par un isolant (60). La géométrie de l'emboitement des pièces entre elles assure la reprise des contraintes axiales ainsi que les contraintes de couple. Ainsi, ce raccord peut être positionné immédiatement au-dessus du générateur électrique ou plus haut en fonction de l'architecture de la garniture de forage. Ce raccord contribue à deux fonctions potentielles :
    • contribuer à la sécurité du personnel situé en surface,
    • éviter les interférences potentielles avec les équipements électroniques du type MWD et LWD.

Claims (16)

  1. Dispositif de fond pour forage rotary comprenant :
    - un générateur électrique (5) installé au bout d'un train de tiges et/ou masse tiges et convertissant l'énergie hydraulique du fluide de forage en énergie électrique ;
    - un générateur d'impulsions (6) relié mécaniquement et électriquement audit générateur électrique, et alimentant un système d'électrodes porté par l'outil de forage ;
    - un outil de forage électrique (7), connecté mécaniquement et électriquement audit générateur d'impulsions, entrainé en rotation par le train de tiges et/ou masse tiges et comprenant un système d'électrodes actives (12, 12bis) et passives (11) ; caractérisé par et
    - un système d'interrupteur électrique à coulisse (9) ;
    dans lequel :
    - le générateur électrique (5) comprend une turbine ou un moteur à déplacement positif, et un alternateur ;
    - le rotor de la turbine ou du moteur à déplacement positif, entraîné en rotation par le débit du fluide de forage, entraine à son tour le rotor de l'alternateur ;
    - l'interface entre ledit rotor de la dite turbine ou dudit moteur et ledit rotor dudit alternateur comprend un interrupteur électrique à coulisse permettant un embrayage mécanique ;
    - le passage de la position ouverte à la position fermée de ladite coulisse est permis par une action positive déclenchée depuis la surface consistant à appliquer un poids sur ledit outil de forage électrique.
  2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant deux interrupteurs à coulisse :
    - un premier interrupteur électrique à coulisse (9s) entre la partie du générateur électrique qui convertit l'énergie hydraulique en énergie mécanique et la partie du générateur électrique qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique de telle sorte qu'en position « ouverte » cet interrupteur interdit la production d'électricité et ce même si la circulation du fluide de forage est établie dans ledit compartiment hydraulique ;
    et
    - un second interrupteur électrique à coulisse (9i) au niveau de l'outil de forage électrique de telle sorte qu'en position « ouverte » cet interrupteur force la décharge des condensateurs (16) dudit générateur d'impulsions et empêche leur charge même dans le cas où le compartiment électrique produirait un courant électrique.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la rotation dudit outil de forage électrique (7) combine l'effet mécanique desdites électrodes passives (11) avec l'effet des décharges électriques.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la rotation dudit outil de forage électrique (7) fait balayer la totalité de la surface du trou par les arcs électriques de direction radiale qui se produisent entre les dites électrodes passives (11) et actives (12, 12bis).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite coulisse, jouant le rôle d'interrupteur électrique, est normalement ouverte grâce à un ressort mécanique (14) maintenant ladite coulisse ouverte et l'état ouvert du circuit d'alimentation dudit générateur d'impulsions et l'état « court-circuité » des condensateurs (16) grâce à un circuit qui relie les deux bornes des dits condensateurs à une résistance de décharge.
  6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la position « normalement ouverte » de ladite coulisse est renforcée par une action positive déclenchée depuis la surface par injection de fluide de forage dans la garniture.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel
    - ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais solidaires mécaniquement l'un de l'autre tant d'un point de vue axial que d'un point de vue angulaire, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension ; ou
    - ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais découplés mécaniquement l'un de l'autre d'un point de vue angulaire mais non découplés d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, localisé en partie périphérique dudit outil de forage électrique, et un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, localisé en partie centrale du dit outil de forage électrique, et non solidaire mécaniquement du groupe d'électrodes passives de sorte qu'il ne soit pas entrainé en rotation par ce dernier ; ou
    - ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais découplés mécaniquement l'un de l'autre tant d'un point de vue angulaire que d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, localisé en partie périphérique, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, localisé en partie centrale du dit outil de forage électrique, doté d'une course axiale de préférence de plusieurs centimètres et soumis à la force d'un soufflet à ressort permettant aux électrodes d'être en contact permanent avec la roche ; ou
    - ledit système d'électrodes actives et passives comprend deux groupes d'électrodes isolés électriquement l'un par rapport à l'autre mais solidaires mécaniquement l'un de l'autre d'un point de vue angulaire mais non solidaires mécaniquement d'un point de vue axial, ledit groupe comprenant (i) un groupe d'électrodes passives, électrodes à la masse, et (ii) un groupe d'électrodes actives, électrodes haute tension, en position centrale désaxée par rapport à l'axe dudit outil de forage électrique, doté d'une course axiale de préférence de plusieurs centimètres et soumis à la force d'un soufflet à ressort permettant aux électrodes d'être en contact permanent avec la roche.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la partie terminale de l'outil de forage électrique (7) comprend une chambre intérieure (36) exempte de tous matériaux solides à l'exception des électrodes.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit générateur d'impulsions (6) est traversé en son axe par un tube axial creux en matériau isolant connecté mécaniquement en partie basse dudit générateur d'impulsions à un tube métallique de telle sorte que le continuum desdits tubes assure la transmission du fluide de forage et que ledit tube métallique inférieur, de préférence seul ce tube, reçoive les décharges électriques du dit générateur d'impulsions.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit générateur d'impulsions (6) est un générateur de type Linear Transformer Driver LTD ou un générateur de Marx ou un transformateur de TESLA.
  11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, dans lequel plusieurs modules constitués de dispositifs de stockage d'énergie de préférence des condensateurs et de commutateurs de puissance de préférence éclateur à gaz sont empilés les uns sur les autres dans l'espace annulaire situé entre ledit tube axial creux et l'enveloppe métallique extérieure.
  12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel lesdits commutateurs de puissance sont constitués d'électrodes annulaires ayant la forme d'un anneau.
  13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, comprenant en outre un raccord isolant comprenant deux pièces métalliques, une pièce supérieure et une pièce inférieure, séparées par un matériau isolant et emboitées entre elles pour transmettre les contraintes axiales ainsi que les contraintes de couple entre ladite pièce supérieure et ladite pièce inférieure.
  14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel les électrodes comprennent des inserts (61) en matériau dur et abrasif, de préférence de type Poly Diamond Crystalline (PDC) ou de type carbure de tungstène et/ou une matrice (62) métallique comprenant une poudre ou des microparticules de matériaux durs, de préférence de diamant.
  15. Dispositif de forage rotary, comprenant le dispositif de fond selon l'une des revendications 1 à 14, qui est incorporé à l'extrémité d'une garniture de forage comprenant un ensemble de tiges et éventuellement de masse-tiges pour la transmission de l'énergie électrique et un appareil de forage comprenant un système d'entrainement en rotation d'un train de tiges et/ou de masse tiges, et des pompes de forage d'injection de fluide de forage à l'intérieur du train de tiges et/ou masse tiges.
  16. Procédé de forage, par mise en rotation du dispositif selon la revendication 15.
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