FR2473105A1

FR2473105A1 - DEVICE FOR THE EXECUTION OF DIRECTED DRILLING

Info

Publication number: FR2473105A1
Application number: FR8100037A
Authority: FR
Inventors: Heinz Wallussek; Martin Wiebe; Thomas Roder
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1980-01-05
Filing date: 1981-01-05
Publication date: 1981-07-10
Also published as: AT373358B; AU536279B2; CA1154749A; SE8008775L; BR8008612A; CH653406A5; GB2066878B; ATA581A; FR2473105B1; SE441376B; AU6586080A; GB2066878A

Abstract

CE DISPOSITIF COMPREND UNE PARTIE INTERIEURE ROTATIVE 3 PORTANT LA COURONNE DE FORAGE, QUI TOURILLONNE DANS UNE PARTIE EXTERIEURE FIXE 4. DES INCLINOMETRES 14 SOLIDAIRES DE LA PARTIE 4 ENVOIENT LEURS MESURES PAR UN CABLE 15 A UN POSTE DE COMMANDE DU FORAGE, LEQUEL RENVOIE SES ORDRES A DES ELECTROVANNES 16 ET 17 QUI ALIMENTENT DES VERINS 10 ET 11 POUR PROVOQUER L'ECARTEMENT DE LAMES DIRECTRICES 9 DANS LE SENS ET AVEC L'AMPLITUDE VOULUS POUR CORRIGER LA DEVIATION DETECTEE PAR LES INCLINOMETRES.THIS DEVICE INCLUDES A ROTARY INNER PART 3 CARRYING THE DRILLING CROWN, WHICH IS DRIVING IN A FIXED OUTER PART 4. INCLINOMETERS 14 SOLIDARS OF PART 4 SEND THEIR MEASUREMENTS THROUGH A CABLE 15 TO A CONTROL POST OF THE DRILLING, WHICH RETURNS ITS ORDERS TO SOLENOID VALVES 16 AND 17 WHICH SUPPLY CYLINDERS 10 AND 11 TO CAUSE THE SPREADING OF STEERING BLADES 9 IN THE DIRECTION AND WITH THE AMPLITUDE WANTED TO CORRECT THE DEVIATION DETECTED BY THE INCLINOMETERS.

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif pour l'exécution deThe present invention relates to a device for performing

forages dirigés, notamment de trous de forage dans une mine de charbon, dispositif constitué directed drilling, in particular of drilling holes in a coal mine, device consisting

par une tige de forage dirigé montée en arrière de la cou- by a directed drill rod mounted behind the cover

ronne de forage dans le train de tiges de forage. Ces dispositifs sont destinés à amener les forages aussi près que possible du but fixé. Les forages dirigés revêtent une importance-particulièrement grande pou-r les drill string in the drill string. These devices are intended to bring the boreholes as close as possible to the set goal. Directed drilling is particularly important for

forages de reconnaissance, d'approvisionnement ou de sauve- reconnaissance, supply or rescue drilling

tage.floor.

Il est connu de monter une tige de forage dirigé rigide en arrière de la couronne de forage pour stabiliser le train de tiges de forage. Ces tiges de forage dirigé sont uniquement capables de stabiliser le train de tiges de forage mais elles sont incapables d-e supprimer les défauts du forage. En particulier, avec les tiges de forage dirigé de ce type, il n'est pas possible de corriger au cours du travail de forage une déviation qui croit progressivement par rapport à la direction de forage fixée à l'avance. Un inconvénient particulier consiste en ce que l'écart qui s'est formé au cours des travaux de forage ne peut être It is known to mount a rigid directed drill rod behind the drill bit to stabilize the drill string. These directional drill pipes are only capable of stabilizing the drill string, but they are unable to remove defects from the drilling. In particular, with the directional drilling rods of this type, it is not possible to correct during the drilling work a deviation which gradually increases with respect to the drilling direction set in advance. A particular drawback is that the gap which has formed during drilling cannot be

constaté avec précision qu'au niveau du but à atteindre. noted with precision that at the level of the goal to be reached.

Du reste, on a déjà tenté de mettre en oeuvre des tiges de forage dirigé travaillant plus ou moins automatiquement Moreover, we have already tried to use directional drilling rods working more or less automatically

à l'aide d'une commande à pendule. Cette commande est re- using a pendulum control. This command is re-

lativement coûteuse et elle peut conduire, à la suite d'er- laterally expensive and it can lead, as a result of er-

reurs de réglage ou à la suite de pannes du dispositif à des déviations qui ne peuvent être vérifiées qu'au niveau du but à atteindre ou après l'achèvement du forage. Les erreurs de forage peuvent également avoir leur cause dans la adjustment errors or following faults in the device at deviations which can only be verified at the level of the goal to be achieved or after the completion of drilling. Drilling errors can also have their cause in the

plage d'inertie du dispositif de la commande à pendule. range of inertia of the pendulum control device.

L'invention se donne pour but de créer un disposi- The object of the invention is to create a device

tif au moyen duquel il soit possible de contrôler aussi tif by means of which it is possible to control also

bien que de -corriger la direction du forage. although to correct the direction of drilling.

Suivant l'invention, ce problème est résolu par le fait que la tige deforage dirigé comprend une partie 2- intérieure montée rotative et une partie extrî.eure fixe, la partie extérieure fixe portant des inclinomètres électriques ainsi que des lames directrices mobiles montées oscillantes. La tige de forage dirigé ainsi équipée permet de réaliser un contrôle continu de la direction du trou de According to the invention, this problem is solved by the fact that the directed drilling rod comprises an interior 2- part rotatably mounted and a fixed extrî.eure part, the fixed exterior part carrying electric inclinometers as well as movable guide blades mounted oscillating. The directional drill pipe thus equipped allows continuous monitoring of the direction of the drilling hole.

forage au moyen des inclinomètres électriques et une correc- drilling using electric inclinometers and a correction

tion correspondante au moyen des lames directrices qui peu- corresponding position by means of the guiding blades which can

vent être mises en extension par rapport à la partie exté- may be extended in relation to the external part

rieure fixe en fonction de la déviation. Pour ces opérations, la déviation indiquée par les inclinomètres électriques peut être transmise, par l'intermrdiaire de câbles de mesure passant dans le train de tiges de forage, au poste de commande, ou s'effectue une exploitation et <2'o sont déclencnés des contre-mesures apDpropriées ou fixed fixed according to the deviation. For these operations, the deviation indicated by the electric inclinometers can be transmitted, via measurement cables passing in the drill string, to the control station, where an operation is carried out and <2'o are triggered appropriate countermeasures or

bien d'o les lames directrices correspondantes sont commandées.Le contr6- from where the corresponding guide blades are ordered.

le et la cmnnande se produisant par pas successifs, de préférence pendant les arrêts du forage, parce que les ébranlements the and the cmnnande occurring in successive steps, preferably during the stops of drilling, because the disturbances

et autres sources d'erreur sont exclues pendant ces inter- and other sources of error are excluded during these

valles d'arrêt, mais la mesure et la commande peuvent éga- stop valves, but measurement and control can also

lement être exécutées pendant le forage. Also be performed during drilling.

Les déviations du forage peuvent avantageusement Deviations from drilling can advantageously

être combattuz au moyen d'une tige de forage dirigé équi- be fought by means of an evenly directed drill pipe

pée de cette façon et dans laquelle les lames directrices sont montée sur la tête de la tige de forage dirigé et sword in this way and in which the guide blades are mounted on the head of the drill pipe directed and

peuvent être écartées à l'aide de vérins hydrauliques agen- can be moved apart using hydraulic cylinders

cés dans la partie supérieure de la tige. De cette façon, les corrections nécessaires peuvent être effectuées avec des courses extrêmement petites des vérins et en provoquant des mouvements d'écartement des lames analogues à ceux cés in the upper part of the stem. In this way, the necessary corrections can be made with extremely small strokes of the cylinders and by causing the blades to move apart similar to those

des baleines d'un parapluie. En même temps, ce mode de mon- whales of an umbrella. At the same time, this mode of my-

tage et cette disposition des lames assurent une bonne pro- This arrangement of the blades ensures good pro-

tection des éléments nécessaires pour la commande. tection of elements necessary for the order.

Suivant une forme de réalisation de l'invention, il est prévu des électrovannes associées aux inclinomètres, qui règlent l'alimentation des vérins. Les électrovannes sont réglées de manière à solliciter les lames directrices According to one embodiment of the invention, there are provided solenoid valves associated with inclinometers, which regulate the supply of the cylinders. The solenoid valves are adjusted so as to stress the guide blades

en fonction analogique des données des inclinomètres. analog function of the inclinometer data.

Pour le contrôle et pour éviter les erreurs de mesure, il est avantageux de disposer les inclinomètres For control and to avoid measurement errors, it is advantageous to have the inclinometers

en croix. Les erreurs de mesure peuvent alors être facile- crossed. Measurement errors can then be easy-

ment détectées au poste de commande et compensées par des detected at the control station and compensated by

actions correctives.corrective actions.

La pression de service nécessaire pour la commande The operating pressure required for the order

hydraulique peut avantageusement être 'produite à l'inté- hydraulic can advantageously be produced internally

rieure même de la tige de forage dirigé. Suivant l'inven- even higher than the directional drill rod. According to the invention

tion, il est prévu à cet effet un excentrique monté sur la partie rotative de la tige de forage dirigé et par l'intermédiaire duquel la- pression de service nécessaire peut être produite, l'actionnement des vérins pouvant alors tion, there is provided for this purpose an eccentric mounted on the rotating part of the directed drill pipe and by means of which the necessary operating pressure can be produced, the actuation of the jacks can then

être obtenu, même pendant les arrêts du forage, grâce à- be obtained, even during drilling stops, thanks to-

des accumulateurs hydrauliques interposés entre le généra- hydraulic accumulators interposed between the genera-

teur de pression et les vérins.pressure sensor and cylinders.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, According to another characteristic of the invention,

pour éviter d'avoir à prévoir un câble d'alimentation pas- to avoid having to provide a cheap power cable

sant dans le train de tiges de forage et pour pouvoir pro- health in the drill string and to be able to

duire une tension d'alimentation suffisante à l'intérieur même de la tige de forage dirigé, il est prévu une roue dentée, fixée sur l'arbre d'une génératrice reliée à la partie extérieure fixe de la tige de forage dirigé, qui engrène avec une deuxième roue dentée fixée sur la partie rotative, on peut ainsi notamment obtenir une parfaite transmission de l'énergie de rotation lorsque la deuxième roue dentée est emmanchée sur la partie de la tige de forage dirigé montée rotative, qui constitue l'arbre de forage rotatif. Il est alors avantageux, pour éviter la présence de pièces saillantes, d'agencer la génératrice draw sufficient supply voltage inside the directional drill rod, there is provided a toothed wheel, fixed on the shaft of a generator connected to the fixed external part of the directional drill rod, which meshes with a second toothed wheel fixed on the rotary part, it is thus possible in particular to obtain a perfect transmission of the rotation energy when the second toothed wheel is fitted on the part of the directed drill rod rotatably mounted, which constitutes the shaft of rotary drilling. It is therefore advantageous, to avoid the presence of protruding parts, to arrange the generator

à l'intérieur de la partie fixe de la tige de forage diri- inside the fixed part of the direct drill pipe

gé. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la paroi interne de la partie extérieure fixe de la tige de forage dirigé forme le stator et la surface de la partie ge. According to another characteristic of the invention, the internal wall of the fixed external part of the directional drill rod forms the stator and the surface of the part.

montée rotative forme le rotor. Le stator est alors cons- rotary rise forms the rotor. The stator is then cons-

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4-4-

titué de préférence par un manchon tubulaire solidaire rigi- preferably fitted with a rigid tubular sleeve

dement de la partie fixe tandis que le rotor est composé d'aimants permanents qui sont solidarisés par serrage-sur la partie montée rotative. Ce mode de construction présente un très faible encombrement et est particulièrement appro- dement of the fixed part while the rotor is composed of permanent magnets which are secured by clamping-on the rotary mounted part. This construction method takes up very little space and is particularly suitable for

prié pour les cas d'application prévus suivant l'invention. requested for the application cases provided for according to the invention.

Un important avantage de l'invention consiste dans la possibilité de détecter facilement la déviation de la direction d'un forage par--des opérations de contrôle qui peuvent être répétées aussi souvent qu'on le désire et de supprimer ces déviations par des opérations de correction correspondantes.-Ceci permet d'éviter les coûts et les temps de forage additionnels, souvent considérables, qui An important advantage of the invention consists in the possibility of easily detecting the deviation of the direction of a drilling by - control operations which can be repeated as often as desired and of eliminating these deviations by operations of corresponding correction.-This avoids the costs and additional drilling times, often considerable, which

sont la conséquence de la déviation d'un forage. are the consequence of the deviation of a borehole.

Le progrès technique apporté par l'invention réside The technical progress brought by the invention lies

principalement en ce qu'avec une telle tige de forage diri- mainly in that with such a direct drill pipe

gé, on peut réaliser, du poste de forage, une correction ge, we can realize, from the drilling station, a correction

automatique en cas de déviation de la direction par rapport- automatic in case of deviation of the direction with respect to-

à la direction de forage prédéterminée en contrôlant en même temps la direction du forage au poste de forage. Le progrès technique réside encore dans le fait que les organes de mesure et de réglage logés dans la tige de forage peuvent être mis en action sans moyens supplémentaires d'amenée d'énergie. to the predetermined drilling direction by simultaneously controlling the direction of drilling at the drilling station. Technical progress still lies in the fact that the measuring and adjusting members housed in the drill pipe can be put into action without additional means of supplying energy.

D'autres caractéristiques de l'invention apparai- Other characteristics of the invention appear

tront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins tront during the description which follows. At drawings

annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, la Fig. 1 représente une tige de forage dirigé, vue en coupe partielle; la Fig. 2 est une vue en coupe d'une tige de forage dirigé munie d'un dispositif de contrôle et de correction; attached, given only by way of example, FIG. 1 shows a directed drill rod, seen in partial section; Fig. 2 is a sectional view of a directed drill pipe provided with a control and correction device;

la Fig. 3 représente une deuxième forme de réalisa- Fig. 3 represents a second form of realization

tion de la tige de forage dirigé suivant la Fig. 2. tion of the drill pipe directed according to FIG. 2.

Ainsi que le montre la vue fortement schématisée de la Fig. 1, la tige de forage dirigé 1 incorporée dans le train. di tiges de forage est essentiellement constituée par une partie intérieure 3 rotative et par une partie extérieure fixe 4. La tige 1 est traversée suivant son axe par un canal d'injection 22 par lequel la couronne As shown in the highly diagrammatic view of FIG. 1, the directed drill rod 1 incorporated in the train. di drill rods is essentially constituted by an inner rotating part 3 and by a fixed outer part 4. The rod 1 is traversed along its axis by an injection channel 22 through which the crown

de forage.non représentée est alimentée en liquide d'injec- not shown is supplied with injection liquid

tion. A la tête 2 de la tige 1, des lames directrices 9 sont reliées à la partie fixe-4 de la tige 1 au moyen de supports 8. Ces lames directrices 9 peuvent être soumises tion. At the head 2 of the rod 1, guide blades 9 are connected to the fixed part-4 of the rod 1 by means of supports 8. These guide blades 9 can be subjected

à l'action de vérins 10, 11 agencés dans la région supé- to the action of jacks 10, 11 arranged in the upper region

rieure 6 de la tige 1, de manière à s'écarter de la partie fixe 4 dans la région inférieure 7 de la tige 1 lorsqu'elles sont sollicitées de façon correspondante. Les courses de tous les vérins sont unifiées par des limiteurs de course 12, des ressorts 13 associés aux limiteurs de course 12 garantissant en même temps que les lames 9,sont ramenées à leur position initiale lorsque la pression des vérins 6 of the rod 1, so as to move away from the fixed part 4 in the lower region 7 of the rod 1 when they are stressed in a corresponding manner. The strokes of all the jacks are unified by stroke limiters 12, springs 13 associated with the stroke limiters 12 guaranteeing, at the same time as the blades 9, are brought back to their initial position when the pressure of the jacks

est relâchée.is released.

La commande des vérins 10, 11 est assurée par les électrovannes 16, 17 qui sont à leur tour commandées par les inclinomètres 14. De leur côté, les inclinomètres 14 The actuators 10, 11 are controlled by the solenoid valves 16, 17 which are in turn controlled by the inclinometers 14. On their side, the inclinometers 14

sont agencés de manière que les déviations qu'ils détec- are arranged so that the deviations they detect

tent soient en même temps transmises au poste de commande are simultaneously transmitted to the control station

par le câble de mesure ou par un autre moyen. by the measuring cable or by another means.

La pression de service nécessaire pour la commande hydraulique est produite par la partie rotative de la tige 1, plus précisément par l'excentrique 23,qui lui est associée. Les accumulateurs hydrauliques incorporés 20, limités en pression, permettent l'actionnement des vérins , 11 pendant les arrêts du forage, le liquide nécessaire étant prélevé dans le réservoir 18 par le générateur de The operating pressure necessary for the hydraulic control is produced by the rotary part of the rod 1, more precisely by the eccentric 23, which is associated with it. The built-in hydraulic accumulators 20, limited in pressure, allow actuation of the jacks, 11 during drilling stops, the necessary liquid being taken from the reservoir 18 by the generator.

pression 19.pressure 19.

Dans l'exemple représenté, l'alimentation en cou- In the example shown, the supply of

rant des inclinomètres électriques 14 et des électrovannes 16, 17 est assurée par l'intermédiaire du câble 15 utilisé en même temps comme câble de mesure et de commande, ou Rant electric inclinometers 14 and solenoid valves 16, 17 is ensured by means of the cable 15 used simultaneously as a measurement and control cable, or

par un autre moyen.by another means.

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Il est également possible de coupler directement It is also possible to couple directly

les inclinomètres aux vérins de commande correspondants. the inclinometers to the corresponding control cylinders.

Toutefois, dans ce cas, le contrôle ne peut pas être assuré However, in this case, control cannot be ensured

du poste de forage sans moyens techniques supplémentaires. of the drilling station without additional technical means.

La Fig. 2 montre une autre possibilité pour fournir la tension d'alimentation nécessaire aux inclinomètres électriques 14 et aux électrovannes 16, 17. C'est à cette Fig. 2 shows another possibility for supplying the supply voltage necessary to the electric inclinometers 14 and to the solenoid valves 16, 17. It is at this point

fonction qu'est destinée la génératrice 25 qui, pour sim- function which is the generator 25 which, for

plifier est représentée montée sur la partie extérieure fixe 4 dans la vue de la Fig. 2. Sur l'arbre 26 est calée plifier is shown mounted on the fixed outer part 4 in the view of FIG. 2. On the shaft 26 is wedged

une roue dentée 27 qui engrène avec une deuxième roue - a toothed wheel 27 which meshes with a second wheel -

dentée 28. Cette roue dentée 28 peut être, par exemple, emmanchée sur la partie intérieure rotative 3 qui constitue l'arbre de forage. On peut d'ailleurs envisager de former cette roue dentée dans l'arbre de forage, c'est-à-dire dans la partie intérieure rotative 3, de manière que l'arbre de toothed gear 28. This toothed wheel 28 can be, for example, fitted onto the rotating inner part 3 which constitutes the drilling shaft. We can also consider forming this toothed wheel in the drilling shaft, that is to say in the inner rotating part 3, so that the shaft

forage ne soit pas sollicité par des efforts additionnels. drilling is not requested by additional efforts.

Sur la carcasse de la génératrice 25 sont prévues des bornes 29 sur lesquelles est prise la tension d'alimentation des appareils consommateurs, c'est-à-dire des inclinomètres On the carcass of the generator 25 are provided terminals 29 on which the supply voltage of the consumer devices, that is to say inclinometers, is taken.

électriques 14 et des électrovannes 16,17. electrical 14 and solenoid valves 16,17.

Dans la forme de réalisation représentée sur la Fig. 3 la tige de forage dirigé 1 est construite de manière à ne comporter pratiquement aucune partie saillante. Le stator 30 est formé d'un manchon tubulaire qui est relié In the embodiment shown in FIG. 3 the directed drill pipe 1 is constructed so as to have practically no projecting part. The stator 30 is formed by a tubular sleeve which is connected

rigidement à la partie fixe 4 de la barre 1. Le rotor néces- rigidly to the fixed part 4 of the bar 1. The rotor requires

saire est constitué par des aimants permanents qui sont solidarisés par serrage avec la partie intérieure rotative 3 de la tige 1. La tension d'alimentation nécessaire pour les appareils consommateurs est prise dans ce cas sur les This is made up of permanent magnets which are secured by tightening with the rotating inner part 3 of the rod 1. The supply voltage required for consumer devices is taken in this case from the

bornes 32. -terminals 32. -

7. 2473105.7. 2473105.

Claims

REVENDI CATIONS

1 - Device for carrying out directed drilling, in particular drilling holes in a coal mine, which is constituted by a directed drilling rod mounted in a

drill string behind the drill bit, characteristic

rised in that the directional drill pipe (1) comprises an inner part (3) rotatably mounted and a fixed outer part (4), the outer part (4) carrying electric inclinometers (14) and movable guide blades (9 ) mounted

oscillating. -

2 - Device according to claim 1, characterized in that the guide blades (9) are mounted on the head (2) of the directed drill pipe (1) and can be moved angularly by means of hydraulic cylinders arranged in

the upper region (6) of the directional drill pipe (1).

3 - Device according to one of claims 1 and 2,

characterized in that the inclinometers (14) are associated with solenoid valves (16,17) which regulate the supply of

cylinders (10, 11).

4 - Device according to one of claims 1 and 2,

characterized in that the inclinometers (14) are arranged

crossed.

- Device according to claim 1, characterized in that an eccentric is mounted on the rotary part (3)

of the directional drill pipe (1).

6 - Device according to claim 1, characterized in that hydraulic accumulators (20) are interposed

between the pressure generator (1l) and the cylinders (10,11).

7 - Device according to claim 1, characterized in that, in the fixed outer part (4) of the rod

directional drilling (1) is arranged a generator which is

born by the rotating part (3) and which feeds accumul-

electric torers housed in the directional drill rod.

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8 - Device according to claim 1, character-

risé in that, on the shaft (26) of a generator (25) integral with the fixed outer part (4) of the rod

directional drilling (1), a gear wheel (27) is wedged which

grène with a second toothed wheel (28) wedged on the par-

rotating tie (3).

9 - Device according to claim 8, charac-

terized in that the second toothed wheel (28) is fitted onto the rotary part (3) of the directional drill rod (1)

which constitutes the rotary drilling shaft.

10. Device according to claim 8, character-

risé in that the generator (25) is arranged inside

of the fixed part (4) of the directional drill pipe (1).

11 - Device according to claim 1, 'character-

risé in that the inner wall of the fixed inner part (4) of the directional drill rod (1) forms a stator (30) while the outer surface of the rotating part (3) forms

a rotor (31).

12 - Device according to claim 11, character-

rised in that the stator (30) is constituted by a tubular sleeve

laire rigidly connected to the fixed outer part (4) and the rotor by permanent magnets which are secured by

tightening with the rotating part (3).