FR2582049A1 - Procede et dispositif pour actionner une soupape et transmettre des signaux par impulsions de pression - Google Patents
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Abstract
LE DISPOSITIF ET LE PROCEDE DE LA PRESENTE INVENTION, DESTINES A ACTIONNER UNE SOUPAPE, SONT PARTICULIEREMENT DESTINES A APPLIQUER DES IMPULSIONS DE PRESSION DANS UN DISPOSITIF DE TELEMETRIE A IMPULSIONS DE PRESSION. LE DISPOSITIF DE L'INVENTION COMPREND UN RACCORD DE FORAGE 28 INCORPORE DANS UN TROU DE SONDAGE 20, UNE VANNE 50, UN SOLENOIDE 56 POUR ACTIONNER LA VANNE EN VUE D'APPLIQUER UNE IMPULSION DE PRESSION AU FLUIDE DE FORAGE SE TROUVANT DANS L'ALESAGE CENTRAL 48 DU RACCORD DE FORAGE, DES TRANSDUCTEURS DE PRESSION 60, 70 POUR MESURER LA PRESSIONDIFFERENTIELLE APPLIQUEE A LA VANNE ET UN REGULATEUR 66 POUR REGLER LA PUISSANCE ELECTRIQUE FOURNIE PAR UNE BATTERIE 68 AU SOLENOIDE EN VUE DE REGLER LA FORCE DE COMMANDE DE LA VANNE EN REPONSE A LA VALEUR MESUREE QUI EST CARACTERISTIQUE DE LA FORCE MINIMALE NECESSAIRE POUR ACTIONNER LA VANNE. APPLICATION A LA DIAGRAPHIE DE TROUS DE SONDE.
Description
La présente invention concerne d'une façon générale
un dispositif et un procédé servant à actionner une soupape.
La présente invention sert en particulier à actionner une soupape incorporée dans une garniture de forage, destinée à un dispositif de télémétrie à impulsions de pression. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif et un procédé pour régler la force de commande
appliquée à une soupape en réponse à une valeur caracté-
ristique de la force minimale nécessaire pour actionner
la soupape.
Ceux qui sont associés aux opérations de forage ont
depuis longtemps reconnu qu'il était souhaitable d'effec-
tuer un enregistrement de données par diagraphie d'un trou de sondage pendant ou juste après un forage. Cependant, cet enregistrement par diagraphie d'rnm-.* trou de sondage a été réalisé pendant de nombreuses années exclusivement au moyen d'outils descendus par des câbles métalliques dans le trou de sondage après retrait de la foreuse de celuici. Ces opérations d'enregistrement par diagraphie au moyen de câbles métalliques, qui nécessitent la remontée et la redescente de la garniture de forage, ont entraîné une perte de temps de forage et une forte augmentation
des coûts. En outre, des variations des valeurs de diffé-
rentes caractéristiques de formation se sont produites pendant la période comprise entre le forage effectif d'une formation et le fonctionnement de ces outils de diagraphie à câbles métalliques. Par exemple, la fuite de fluides de forage ou de fluides de formation à travers la paroi
du trou de sondage pendant cette période à souvent entrai-
né la production de valeurs d'enregistrement imprécises
et incorrectes.
Pour de nombreuses raisons, y compris celles présentées plus haut, l'homme de l'art a depuis longtemps reconnu
qu'il était souhaitable d'exécuter des opérations d'enre-
gistrement par diagraphie de trou de sondage pendant l'opé-
ration de forage. Cependant, au cours des dernières années,
on a porté un grand intérêt au développement et à l'utilisa-
tion de systèmes de mesure en cours de forage (MWD). Ce
n'est que récemment que des outils et des procédés appro-
priés pour exécuter des opérations d'enregistrement par
diagraphie en cours de forage sont devenus disponibles.
Les outils de mesure actuels doivent être résistants à l'environnement dur créé par la garniture de forage vibrant en permanence et par l'exposition prolongée aux conditions du trou de sondage. En outre, ces outils doivent être suffisamment résistants pour supporter les contraintes de la garniture de forage et suffisamment petits pour ne pas interférer avec le fonctionnement de la garniture
de forage et de ses dispositifs associés au fond du trou.
Les systèmes MWD nécessitent des dispositifs et des
procédés pour transmettre les données mesurées à la sur-
face. Bien qu'il soit théoriquement possible de mémoriser les eonnées dans un micro-ordinateur ou dans un autre dispositif de mémorisation de données placé au fond du trou pour les transférer à des dispositifs de traitement
de données appropriés placés en surface lors d'une ex-
traction du trou de sondage, ces sytèmes n'ont pas trouvé une utilisation étendue. Afin d'augmenter au maximum les
avantages de ces systèmes MWD, il est nécessaire de trans-
mettre les données immédiatement à la surface pour qu'elles soient analysées. Une analyse faite pendant la même période permet à l'opérateur de forage et au géologue de détecter immédiatement des changements dans les conditions existantes au fond du trou et de faire les réglages souhaitables
ou nécessaires pendant l'opération de forage. En consé-
quence, il faut des dispositifs et des procédés pour trans-
mettre, par télémesure, des données MWD en surface. Les systèmes de télémétrie utilisés comportent des dispositifs destinés -à transmettre des signaux électriques par des conducteurs électriques enfouis dans ou placés sur la garniture de forage, des dispositifs destinés à transmettre des signaux acoustiques dans la garniture de forage ou par les fluides de forage et des dispositifs destinés à appliquer des impulsions de pression mesurables aux
fluides de forage.
Les systèmes de télémétrie à impulsions de pression comprennent des dispositifs et des procédés pour appliquer des impulsions de pression négatives ou positives à la pression de fluide de forage relativement constante dans l'alésage central de la garniture de forage. Un exemple
de dispositif et de procédé pour transmettre par téléme-
sure des informations d'un trou de sondage à la surface par télémétrie à impulsions de pression négatives est divulgué dans le brevet des E.U.A. n 4 078 620, incorporé dans le présent mémoire par voie de référence. Cet exemple de système définit un dispositif pour envoyer un fluide de forage dans un passage formé dans la paroi d'un raccord de la garniture de forage, de l'intérieur du raccord à
la partie anrulaire afin d'appliquer des. impulsions néga-
tives à la pression du fluide de forage contenu dans la garniture de forage. Ces impulsions négatives transmettent des informations codées de l'emplacement du trou de sondage à la surface, o les impulsions négatives sont détectées
et les données décodées.
Dans un dispositif de télémétrie à impulsions de pression et à fond de trou mettant en oeuvre une soupape ou pulseur actionné électriquement, la force nécessaire pour actionner la soupape varie en fonction de la pression
différentielle à fond de trou, appliquée à la soupape.
L'alimentation en puissance doit être conçue pour fournir une énergie de sortie capable de produire une force de commande suffisante pour la pire condition prévue. Comme de l'énergie est perdue dans toutes les conditions sauf les conditions extrêmes, ces dispositifs souffrent d'un gaspillage d'énergie important. Cette déperdition d'énergie en quantités importantes est nuisible pour deux raisons principales. L'énergie électrique perdue exige l'utilisation d'une alimentation en puissance plus grande que ce qui est effectivement nécessaire pour faire fonctionner la soupape. Les alimentations en puissance sont généralement assurées par des batteries placées au fond du trou ou des générateurs électriques. Comme il est souhaitable de maintenir l'alimentation électrique aussi petite que possible, il serait avantageux de réduire au minimum cette énergie perdue. En outre, l'énergie mécanique perdue qui est engendrée par l'application d'une force de commande constante maximale à la soupape doit être dissipée dans l'ensemble pulseur. Cette énergie est dissipée sous forme d'excès de chaleur et d'usure accélérée par- une fatigue et une rupture résultant d'un choc et d'une vibration
inutilement violents sur les composants mobiles de l'en-
semble à solénoïde et soupape, les deux contribuant à
raccourcir la durée de vie de l'ensemble.
Gomme les pressions de fond de trou auxquelles sont typiquement soumis ces dispositifs sont très élevées et comme la. pression différentielle entre l'intérieur
I ' '
et l'extérieur de la garniture de forage à ces emplacements est également très élevée, la structure et le fonctionnement
de la soupape de signalisation de télémétrie sont critiques.
Ces soupapes doivent être hermétiques de façon précise pour empêcher une fuite de fluide, elles doivent agir
rapidement pour produire des impulsions de pression poin-
tues et elles doivent exiger un minimum d'énergie pour fonctionner. Un fonctionnement satisfaisant à long terme
de ces dispositifs n'a pu être obtenu en raison des diffi-
cultés rencontrées pour satisfaire les exigences ci-dessus.
Que l'alimentation électrique soit assurée par une batterie au fond du trou ou par un générateur
électrique placé dans la garniture de forage, il est sou-
haitable de réduire au minimum les besoins électriques du dispositif à soupape afin de prolonger la vie de la batterie ou de réduire au minimum la taille du générateur nécessaire. D'autres spécialistes de cette technique ont
essayé de résoudre ce problème par différents moyens.
Par exemple, le brevet des E.U.A. n'3 958 217 décrit un système de télémétrie à impulsions positives mettant en oeuvre un faible signal d'entrée pour faire fonctionner
une soupape auxiliaire grâce à laquelle la soupape princi-
pale de télémétrie est ensuite rendue active par des pres-
sions différentielles créées dans le courant de boue proprement dit. Le brevet des E.U.A. n0 4 336 564 décrit un système de télémétrie à impulsions négatives incluant un circuit de commande à solénoide pour fournir initiale- ment un grand courant au solénoïde en vue d'ouvrir la soupape, pour réduire le courant jusqu'à une valeur beaucoup plus faible afin de maintenir la soupape ouverte et pour interrompre le courant afin de fermer la soupape. Le brevet des E.U.A. n 4 351 037 décrit un système mettant en oeuvre des solénoïdes à couplage inverse pour ouvrir et fermer la soupape de sorte que la seule énergie demandée soit celle nécessaire pour actionner la soupape. Ces systèmes avaient pour but de réduire au minimum le besoin total
d'énergie qui est nécessaire pour actionner la soupape.
Ce qu'il fallait en particulier, c'était de réduire au minimum l'énergie à long terme nécessaire pour maintenir
la soupape ouverte afin d'empêcher la destruction du solé-
noide commandant l'ouverture.
Bien qu'une pression différentielle augmentée sollicitant la soupape d'un dispositif de télémétrie à impulsions de pression négatives puisse être utile pour empêcher une fuite par la soupape, la force nécessaire pour actionner la soupape est aussi directement fonction de la pression différentielle sur la soupape. Comme il
est nécessaire de s'assurer que ces dispositifs de télémé-
trie à impulsions de pression fonctionnent dans les condi-
tions de trou de sondage les plus dures prévues, il faut qu'une force et une puissance suffisantes pour actionner la soupape soient disponibles dans les conditions les
plus dures prévues.
En conséquence, les soupapes des dispositifs
de télémétrie à impulsions de pression ont été suralimen-
tées électriquement pour s'assurer qu'elles fonctionnent dans les conditions les plus dures prévues. En faisant
fonctionner en permanence la soupape avec une force suffi-
sante pour surmonter les conditions les plus dures prévues, on a raccourci les durées de vie des différents composants de soupape et de circuit électrique, par dissipation de
l'énergie mécanique et électrique en excès qui est appli-
quée dans la plupart des operations. Bien que les brevets ci-dessus révèlent des tentatives pour réduire au minimum les exigences d'énergie totale nécessaires pour faire fonctionner les soupapes de télémétrie à impulsions de pression, ils ne révèlent pas de tentatives pour réduire
au minimum la force initiale qui est appliquée pour action-
ner la soupape afin de réduire au minimum l'usure.
En conséquence, l'industrie des enregistrements de données de diagraphie des trous de sondage a ressenti depuis longtemps le besoin non satisfait, de disposer d'un dispositif et d'un procédé utiles, dans des systèmes de télémétrié à impulsions de pression, pour actionner la soupape d'application d'impulsions de pression avec la force minimale nécessaire pour à la fois conserver les alimentations critiques en énergie au fond du trou et réduire au minimum l'usure des composants de soupape
et de circuit.
La présente invention fournit un dispositif et un procédé nouveaux et perfectionnés pour actionner
une soupape. Le dispositif et le procédé définis fournis-
sent un moyen pour actionner une soupape avec le minimum de force nécessaire afin de réduire au minimum la puissance de commande et de fonctionnement exigée et de réduire au minimum à la fois l'usure mécanique par fatigue et une rupture dues à des chocs et vibrations inutiles sur les composants mobiles de soupape et la détérioration du circuit de fonctionnement par une dissipation d'un excès de chaleur. Le système défini est particulièrement utile en association avec des dispositifs et des procédés de télémétrie à impulsions de pression dans lesquels la présente invention est avantageusement utilisée avec un moyen à soupape prévu dans un raccord de la garniture de forage- au fond du trou pour appliquer des impulsions
de pression au fluide de forage.
Un dispositif selon la présente invention servant à actionner une soupape comprend des moyens pour
actionner la soupape d'une première à une deuxième posi-
tion, des moyens pour obtenir une valeur caractéristique de la force minimale nécessaire pour actionner la soupape et des moyens pour régler, en réponse à la valeur obtenue,
la force de commande qui est appliquée à la soupape.
De préférence, la valeur caractéristique est obtenue en mesurant une caractéristique physique affectant la
force minimale nécessaire pour actionner la soupape.
De la manière l#plus avantageuse, cette valeur est obtenue
en mesurant la pression différentielle sur la soupape.
La soupape est actionnée électriquement d'une manière classique, par exemple, au moyen d'un solénoide alimenté par une source classique de courant d'alimentation continu telle qu'une batterie ou un générateur électrique placé au fond du trou. Bien qu'un actionneur à un seul solénoide soit suffisant, l'exemple de réalisation actuellement préféré met en oeuvre des solénoides à couplage inverse
pour produire une soupape bistable ou à basculement.
La puissance fournie au moyen de commande électrique est réglable par tout moyen classique pour régler la force de commande appliquée à la soupape en réponse
à la valeur caractéristique de la force de commande mini-
male nécessaire. Par exemple, la puissance fournie et la force appliquée sont facilement réglées par un circuit électrique approprié pour régler le niveau de la tension ou du courant fourni au solénoide de commande. Dans l'exemple de réalisation actuellement préféré, une paire de transducteurs de pression sont disposés sur les côtés
opposés de la soupape en vue de mesurer la pression diffé-
rentielle appliquée à la soupape. La pression différen-
tielle appliquée à la soupape commande un régulateur pour régler la tension ou le courant appliqué au solénoïde de commande. Dans l'exemple de réalisation actuellement préféré, un régulateur de commutation est utilisé pour
obtenir une efficacité et une souplesse accrues.
Le mécanisme actionneur de soupape de la pré-
sente irvention est avantageusement utilisé conjointement avec un moyen à soupape dans un raccord de garniture de forage approprie pour son incorporation dans une garniture de forage en vue d'appliquer des impulsions de pression
au fluide contenu dans la garniture de forage. Ce disposi-
tif est particulièrement utile dans un dispositif de télé-
métrie à impulsions de pression incluant également un moyen pour maintenir un fluide sous pression dans l'alésage centrai de la garniture de forage et un moyen pour mesurer les impulsions de pression appliquées au fluide à un second
emplacement, de préférence en surface.
Le dispositif et le procédé de la présente invention répondent à un besoin depuis longtemps ressenti, mais non satisfait, de l'industrie MWf,; -.d'un dispositif
et dlun procédé pour réduire au minimum à la fois la puis-
sance électrique initiale et totale nécessaire pour action-
ner une soupape en vue d'appliquer des impulsions de pres-
sion mesurables dans un dispositif de télémétrie d'impul-
sions de pression, et de réduire au minimum l'usure mécani-
que des composants mobiles de soupape et la détérioration du circuit de fonctionnement. Le dispositif et le procédé de la présente invention offrent les avantages voulus en permettant d'obtenir une valeur caractéristique de la force minimale nécessaire pour faire fonctionner la soupape, de préférence en mesurant une caractéristique
physique indicative de cette force, et d'une manière préfé-
rée, indicative de la pression différentielle sur la soupape, et en réglant la puissance appliquée pour actionner la soupape en réponse à la valeur. Ces caractéristiques et avantages louables et d'autres de la présente invention
seront plus complètement appréciés d'après la description
détaillée et les revendications qui suivent.
D'autres caractéristiques et avantages de
la présente invention seront mis en évidence dans la des-
cription suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
la figure 1 est une représentation schémati-
que d'un dispositif de forage de puits incluant une garni-
ture de forage et un dispositif de télémétrie à impulsions de pression selon la présente invention; la figure 2 est une représentation schématique d'une vanne à tiroir et d'un dispositif actionneur incluant
un circuit électrique schématique selon la présente inven-
tion; la figure 3 est une représentation schématique d'une soupape à soulèvement et d'un dispositif actionneur incluant un circuit électrique schématique selon la présente invention; et la figure 4 est une représentation graphique de la relation qui existe entre la pression différentielle sur la vanne-du dispositif de la figure2 -et la tension
appliquée au solénoide de commande contenu dans le disposi-
tif selon la présente invention.
Bien que l'invention soit décrite dans la suite en relation avec l'exemple de réalisation actuellement préféré, on remarquera qu'on ne se propose pas de limiter l'invention à cet exemple de réalisation. Au contraire, on se propose de couvrir toutes les variantes, modifications et réalisations équivalentes telles qu'elles peuvent être incluses dans l'esprit de l'invention telle que définie
dans les revendications annexées.
La présente invention concerne un dispositif et un procédé servant à régler la puissance appliquée à une soupape de télémétrie à impulsions appliquées à de la boue. Dans l'exemple de réalisation actuellement
préféré, le dispositif et le procédé de la présente inven-
tion règlent la puissance d'alimentation en fonction des mesures de la pression différentielle appliquée à une soupape, par exemple, dans le trou de sondage et la
partie annulaire.
La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé servant à faire varier automatiquement la puissance fournie à la soupape de pulsation pour obtenir 1 0
une force juste suffisante pour faire fonctionner la sou-
pape, iicluant un coefficient de sécurité. La mesure
stratégique des pressions absolues ou des pressions diffé-
rentielles sur la soupape fournit une donnée indiquant la force minimale nécessaire pour actionner la soupape
de pulsation. La puissance fournie à la soupape de pulsa-
tion est réglée par le contrôle d'un ou de plusieurs des paramètres que sont la tension, l'intensité et le temps d'application du courant électrique à la soupape. Dans l'exemple de réalisation actuellement préféré, le réglage de puissance voulu est réalisé par le réglage de la tension appliquée à la soupape par l'intermédiaire d'un régulateur de tension de commutation. Le régulateur de tension de commutation réduit avantageusement au minimum, en réglant la tension a-pliquée, la consommation depuissance, l'usure mécaiique provenant de la fatigue et un risque de rupture dus à des chocs et vibrations inutiles, la détérioration du circuit de fonctionnement et des composants de soupape par dissipation d'une chaleur excessive et d'autres effets nuisibles sur les composants de la soupape et du circuit de fonctionnement. Un régulateur de courant de commutation serait pareillement avantageux en réglant le courant fourni au pulseur à soupape. D'autres moyens pour réduire au minimum la puissance utilisée, par exemple, en réglant simplement le temps d'application du courant de commande à l'ensemble de soupape, ne seraient pas aussi efficaces pour réduire l'usure mécanique et d'autres effets nuisibles
sur les composants de la soupape et du circuit de fonction-
nement. Un dispositif et un procédé selon la présente invention font fonctionner efficacement une soupape de télémétrie à impulsions de pression, tout en conservant l'alimentation précieuse en énergie électrique du fond du trou. En conséquence, la vie de la batterie et le temps de fonctionnement du système avant le remplacement de la batterie sont augmentés. En variante, on réduit au minimum la taille d'un générateur électrique placé au fond du trou et qui est utilisé èn association avec un moyen de stockage électrique approprié, par exemple, un condensateur. En outre, en réduisant au minimum la force de commande appliquée au pulseur à soupape, la vie des composants de soupape coûteux est augmentée en réduisant au minimum l'énergie mécanique et la chaleur dissipée
dans ceux-ci en excès.
La figure 1 représente schématiquement un dispositif de télémétrie à impulsions de pression, pour transmettre des données d'un emplacement près du trépan 24 à un capteur 42 en surface, en appliquant des impulsions de pression négatives à la boue de forage 10 contenue dans la garniture de forage 22. Le dispositif et le procédé
de la présente invention sont mis en oeuvre dans ce dispo-
sitif d'une manière pratique et avantageuse. La figure
1 représente un dispositif de forage 18 in.cluant une garni-
ture.de forage 22 comportant un trépan 24 fixé à son extré-
mité et servant à pénétrer dans la terre 100 pour produire un trou de sondage 20. La garniture de forage 22 comprend
souvent une ou plusieurs masses-tiges 26 placées à proxi-
mité du trépan 24 et incluant des capteurs ou d'autres
dispositifs pour déterminer une ou plusieurs caractéris-
tiques d'un ensemble de caractéristiques près du fond du trou de sondage ou de la boue de forage, de la garniture de forage pénétrant dans la formation ou de la formation que la garniture de forage perce. Typiquement, ces capteurs déterminent des informations utiles à l'opérateur de forage ou au géologue, par exemple, la résistivité ou la porosité de la formation, la densité du fluide de forage dans l'espace annulaire, la pression de trou de sondage, la température de trou de sondage, le poids appliqué au'trépan, le couple appliqué au trépan, l'accélération, le moment de flexion et autres paramètres analogues. Les données dérivées par ces instruments doivent être communiquées à la surface. Les procédés de transmission de données font intervenir des systèmes de télémétrie électriques et acoustiquesinclus dans la garniture de forage. Cependant, la télémétrie à impulsions de pression mettant en oeuvre le système, déjà existant, à boue de forage mise soUS
pression devient de plus en plus apprécié.
Afin d'empêcher des éruptions non contrôlées, il est nécessaire de compenser le poids de la terre retirée par l'opération de forage et d'équilibrer les pressions de fond de trou. En outre, il est nécessaire de retirer
les déblais du trou de sondage et de refroidir le trépan.
Ces problèmes sont tous résolus par les systèmes classiques à boue de forage qui mettent sous pression un fluide ou une boue de forage 10 dans une conduite 38 au moyen d'une pompe 36, font circuler la boue au fond d'un alésage central 48 dans la garniture de forage 22, expulsent la boue par des ouvertures formées dans le trépan 24 et renvoient la boue à la surface par l'espace annulaire 30 compris entre la garniture de forage 22 et le trou de. sondage 20..La boue 10 est renvoyée à un bassin à boue 34, par l'intermédiaire d'une conduite 32, à partir du trou de
sondage 20. La pression du fluide de forage 10 à l'inté-
rieur de la conduite 38 et de la garniture de forage 22 est maintenue à un niveau prédéterminé par la pompe 36 avec seulement de légères variations de pression provoquées par les courses de la pompe. Ce niveau de pression est représenté par l'indication de pression simulée en (a)
sur la figure 1.
Un dispositif de télémétrie à impulsions de pression de trou de sondage fonctionne en appliquant des impulsions de pression mesurables, soit négatives soit positives, à la pression relativement fixe maintenue par la pompe de fluide de forage. Par exemple, le tracé en
(b) représente les impulsions de pression mesurables super-
posées à la pression de base par un dispositif de télé-
métrie à impulsions de pression. La figure 1 représente schématiquement les parties essentielles d'un dispositif de télémétrie à impulsions de pression négatives. En plus du dispositif à garniture de forage et à fluide de forage
décrit précédemment, un dispositif de télémétrie à impul-
sionrts de pression négatives comprend un tronçon de garni-
ture 28 contenant un passage de vanne 40 pour permettre une dérivation d'une partie de la boue de forage 10 de
l'intérieur de la garniture de forage 22 à l'espace annu-
laire 30, entraînant une chute temporaire de la pression à l'intérieur de la garniture de forage 22. Cette impulsion de pression négative temporaire est mesurable à la surface par un transducteur de pression 42 qui est en communication de pression avec le fluide de forage sous pression contenu dans la garniture de forage 22 et la conduite 38. Cette donnée de pression mesurée est mémorisée et traitée de manière classique dans un ordinateur 44 ou dans un autre
dispositif de traitement de données classique et/ou visua-
lisée par un enregistreur à bande 46 ou par un autre dispo-
sitif de visualisation classique.
Oh a représenté schématiquement et plus en détail sur les figures 2 et 3 un dispositif destiné à actionner une soupape et qui est particulièrement destiné à être incorporé dans un raccord de forage approprié pour son incorporation dans une garniture de forage pour qu'il serve dans un dispositif de télémétrie d'impulsions de pression. La figure 2 représente un dispositif utile dans un dispositif de télémétrie à impulsions de pression négatives; la figure 3 représente un dispositif utile dans un dispositif de télémétrie d'impulsions de pression
positives.
La figure 2 représente un dispositif servant à moduler le débit d'un fluide de forage s'écoulant dans un alésage central 48 d'un raccord de forage 28 jusqu'à l'espace annulaire 30 compris entre le raccord de forage
et le trou de sondage 20 fait dans la formation 100.
Dans ce dispositif de télémétrie à impulsions de pression négatives, une partie du fluide de forage 10 traversant l'alésage central 48 est admise à sortir par l'alésage de paroi latérale 40 formé dans la paroi 90 du raccord de forage 28 jusqu'à l'espace annulaire 30, pour produire une impulsion de pression négative temporaire. L'homme de l'art a connaissance de nombreuses vannes appropriées qui sont utiles dans des applications à fond de trou pour
produire les impulsions de pression négatives voulues. Un exemple de vanne 50 traversée par un alésage 52 pour coopérer avec
l'alésage de paroi latérale 40, en position ouverte, est mobile dans un plan perpendiculaire à l'alésage
de paroi latérale 40. Des exemples de vannes sont représen-
tés et décrits plus en détail dans la demande de brevet
des E.U.A. n 460 461 et dans le brevet des E.U.A.
n3 389 355 qui sont incorporés dans le présent mémoire par voie de référence. La vanne 50 est couplée mécaniquement par une tige 54 à un moyen destiné à actionner la vanne entre ses positions ouverte et fermée. L'homme de l'art connaît de nombreux mécanismes de commande convenables, y compris différentes dispositions de solénoïdes. Un exemple de moyen de dommande comprend un solénoidBou de préférence deux, solénoïdes 56 à couplage inverse pour actionner la vanne 50 entre les positions ouverte et fermée. Des exemples de moyens de commande de vanne à solénoïde sont représentés et décrits plus en détail dans la demande de brevet des E.U.A. n'461 649 et dans le brevet des E.U.A. n 2 869 475 qui sont incorporés dans le présent mémoire par voie de
référence. Le mécanisme de commande et le circuit de com-
mande sont placés à l'intérieur d'une ou de plusieurs cavités 58 formées dans la paroi 90 du raccord de forage 28. L'homme de l'art sait choisir le moyen par lequel ces cavités sont formées et les instruments sont placés dans celles-ci de manière hermétique. Cependant, en général, ces cavités sont formées par des rainures ou des entailles appropriées faites dans la paroi extérieure du raccord de forage 28 dans lequel les instruments voulus sont placés et sont ensuite rendus hermétiques par des couvercles appropriés. Le dispositif comprend en outre un moyen pour obtenir une valeur caractéristique de la force minimale qui est nécessaire pour actionner la soupape. De préférence, cette valeur est obtenue en mesurant une caractéristique physique affectant la force minimale. Comme la pression différentielle sur la soupape est fonction de la force minimale nécessaire pour actionner la soupape, de la façon préférée, on mesure la pression différentielle sur la soupape. Cette pression différentielle est facilement mesurée par deux transducteurs de pression classiques
placés sur les côtés opposés de la soupape ou vanne 50.
Par exemple, un transducteur de pression 60 est placé le long de la surface intérieure 92 de la paroi 90 du raccord de forage 28 pour mesurer la pression du fluide
de forage à l'intérieur de l'alésage central 48. Pareille-
ment, un transducteur de pression 70 est placé sur la surface extérieure 94 de la paroi 90 du raccord de forage 28 pour mesurer la pression des fluides dans l'espace
annulaire 30.
Le dispositif comprend en out-re un moyen pour régler la force de commande appliquée à la soupape en réponse à la valeur caractéristique de la forme minimale nécessaire pour actionner la soupape. Bien que ce dispositif soit le plus utile pour réduire au minimum la puissance consommée pour ouvrir la vanne 50, il est également utile pour réduire au minimum la puissance consommée pour fermer la vanne 50. Les figures 2 et 3 représentent schématiquement le circuit d'un exemple de moyen de réglage. Des signaux électriques indiquantles pressionsintérieure et extérieure mesurées respectivement par les transducteurs de pression
et 70, sont transmis respectivement le long de conduc-
teurs électriques 62 et 72 jusqu'à un amplificateur diffé-
rentiel 64. La puissance nécessaire pour actionner la vanne est fournie par une batterie 68 et par une autre source de puissance classique, par exemple, une turbine
à boue ou un générateur piézoélectrique de fond de trou.
La puissance extraite de la batterie 68 est réglée par un régulateur de tension de commutation 66 en réponse
au signal de sortie de l'amplificateur différentiel 64.
L'application effective de cette puissance électrique réglée aux solénoïdes de commande 56 est commandée par un commutateur logique 76 en accord avec un matériel et un circuit classiques placés au fond du trou pour envoyer les signaux voulus à la surface. En variante, on peut régler la puissance en réponse à la valeur mesurée par un régulateur de courant de commutation ou par un autre moyen connu de l'homme de l'art pour régler la puissance appliquée tant que la puissance appliquée est suffisante pour engendrer une force de commande supérieure à la force
minimale nécessaire pour actionner la soupape.
La force de commande développée par la soupape doit être au moins égale à la force minimale nécessaire pour actionner la soupape et, de préférence, elle est un peu supérieure afin de garantir un facteur de sOreté ou de sécurité. La force développée est directement fonction de la tension ou du courant appliqué au solénoide, qui
est lui-même- directement fonction de La, pression diffé-
rent.elle dans la soupape. La pression différentielle et la tension de commande sont directement, tout en n'étant pas nécessairement linéairement ou proportionnellement, en relation d'une manière définissable ou mesurable. La figure 4 représente la relation qui existe entre la pression différentielle et la tension de commande de solénoide pour le dispositif de la figure 2. Dans cet exemple, la pression différentielle et,la tension de commande sont
directement et linéairement proportionnelles.
La figure 3 représente un dispositif selon la présente invention qui sert à produire des impulsions de pression positives dans un dispositif de télémétrie à impulsions de pression. Le circuit électrique décrit plus haut est utilisé pour régler la puissance électrique appliquée à la soupape comme on l'a expliqué plus haut et, en conséquence, la force de commande développée par la soupape. Ce dispositif comprend un clapet en forme de champignon 51 placé à l'intérieur de l'alésage central
48, d'un raccord de forage 28 pour qu'il coopère momentané-
ment avec la face 41 afin d'interdire temporairement l'écou-
lement du fluide dans l'alésage central 48 pour produire
des impulsions de pression positives mesurables en surface.
Le dispositif comprend en outre un simple solénoïde de commande 56 ou deux solénoïdes interconnectés de façon appropriée pour actionner le clapet 51 par une tige de couplage 54. Quand on utilise un simple solénoïde 56 pour fermer le clapet 51, le clapet est ouvert par simple désexcitation du solénoïde, conjointement avec les effets de la gravité et l'écoulement de la colonne de fluide à l'intérieur de la garniture de forage 22 au-dessus du
clapet 51. En variante, on utilise deux solénoïdes à cou-
plage inverse 56 pour actionner le clapet 51 d'une manière
bistable vers ses positions fermée et ouverte. Des solénoi-
des de fonctionnement et un circuit électrique de commande sont disposés à l'intérieur de cavités 58 appropriées formées dans la paroi 90 du raccord de forage 28 ou à l'intérieur dé garnitures intérieures classiques suspendues danstl'alésage central par des moyens bien connus de l'homme de l'art. L'exemple de dispositif comprend en outre deux transducteurs de pression 61 et 71 classiques qui sont disposés dans la paroi 90 du raccord de forage 28, sur les côtés opposés du clapet 51 ainsi que le long d'une paroi 92 située au-dessus du clapet 51 et de la paroi 96 située au-dessous du clapet 51. Comme l'alésage central 48 formé dans la garniture de forage 22 est en communication avec l'espace annulaire à basse pression par le trépan, représenté dans la partie inférieure de la figure, la pression mesurée par le transducteur 71 est inférieure
à celle mesurée par le transducteur 61. La puissance appli-
quée au clapet 51 et la force développée sont réglées; en réponse à la pression différentielle mesurée par les transducteurs 61 et 71, par des dispositifs - et circuits d'alimentation électrique et de commande identiques à ceux décrits plus haut en relation avec le dispositif de la figure 2. Dans un autre dispositif, les transducteurs 61 et 71 sont remplacés par des dispositifs de mesure de débit classiques ou par tout autre dispositif permettant
de mesurer une valeur fonction de la force minimale néces-
saire pour actionner le clapet 51.
258Z2049
Un dispositif de télémétrie à impulsions de pression, servant à transmettre des signaux par le fluide
de forage se trouvant dans un trou de sondage, est consti-
tué par un dispositif selon la présente invention qui est incorporé dans une garniture de forage 22 à l'intérieur d'un trou de sondage 20, et il est constitué en outre par une pompe 36 ou un autre moyen pour maintenir le fluide de forage 10 se trouvant dans l'alésage central 48 de
la garniture de forage 22 sous pression. Enfin, ce dispo-
sitif de télémétrie comprend un transducteur de pression 42 ou un autre moyen pour mesurer la pression du fluide de forage 10 se trouvant dans la garniture de forage 22, à la surface, et un ordinateur 44 et/ou un enregistreur à bande 46 ou un autre moyen approprié pour mémoriser,
traiter ou visualiser ces résultats.
1 Le procédé de la présente invention, destiné à actionner un moyen à soupape consiste à obtenir ou à mesurer une valeur caractéristique de la force minimale nécessaire pour actionner la soupape, à régler la force de commande appliquée à la soupape en réponse à la valeur obtenue ou mesurée et à actionner la soupape avec la force de commande réglée. Dans le procédé préféré, la valeur est obtenue en mesurant une caractéristique physique, de façon préférée, la pression différentielle dans le moyen à soupape. Dans le procédé préféré, la soupape est actionnée électriquement et la puissance électrique fournie au moyen de commande est réglée en réponse à la valeur obtenue ou mesurée. Bien que l'homme de l'art remarquera que la force de commande soit réglable par de nombreux moyens, dans le procédé actuellement préféré, on règle
la tension appliquée au moyen de commande de soupape.
La description précédente de l'invention a
été orientée principalement vers un exemple de réalisation et un procédé préférés particuliers selon les exigences des lois des brevets et dans un but d'explication et d'illustration. Cependant, il est évident pour l'homme de l'art que beaucoup de modifications et de changements 1q9 peuvent être faits dans le dispositif et le procédé décrits spécifiquement sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. Par exemple, la Demanderesse a représenté et décrit des dispositifs et des procédés servant à la fois dans des systèmes de télémétrie à impulsions de pression négatives et positives basés sur la mesure de la pression différentielle dans la soupape. L'homme de l'art remarquera que d'autres valeurs caractéristiques de, ou relatives à la force minimale nécessaire pour actionner la soupape peuvent être obtenues ou mesurées. Il peut être même possible de préprogrammer les réglages de la force de commande en fonction des conditions de trou de sondage prévues, bien que des réglages en fonction des
conditions mesurées réelles soient évidemment préférables.
Par conséquent, l'invention n'est pas Limitée à la forme particulière de construction et de procédé représentée et décrite, et elle couvre toutes les modifications qui
peuvent tomber dans le cadre des revendications qui suivent.
La Demanderesse se propose dans les revendica-
tions suivantes de couvrir les modifications et variantes telles qu'elles tombent dans le véritable esprit et cadre
de l'invention.
Claims (25)
1. Dispositif destiné à un système de télémétrie à impulsions de pression pour transmettre des données par un trou de sondage (20), caractérisé en ce qu'il comprend: de forage un raccord tubulaire /(28) comportant un alésage central longitudinal (48) et étant approprié pour être incorporé dans une garniture de forage (22); un passage (40) formé dans la paroi (90) du
raccord de forage (28) pour mettre en communication l'alésa-
ge central et l'extérieur du raccord de forage; une vanne transversale (50) prévue dans le passage; un solénoïde (56) couplé mécaniquement à la vanne pour actionner la vanne; une source d'alimentation --lectrique (68) relive électriquement au solénoïde pour actionner le solénoïde; un ensemble de transducteurs de pression (60,70) prévus sur le raccord de forage (28) et placés de manière à permettre la mesure de pression différentielle appliquée à la vanne; et un régulateur de tension de commutation (66)
pour régler, en réponse au signal de sortie des transduc-
teurs de pression, la force de commande appliquée à la vanne en réglant la tension de l'alimentation électrique
fournie au solénolde par la source d'alimentation électrique (68).
2. Dispositif destiné à un système de télémétrie à impulsions de pression, caractérisé en ce qu'il comprend: un raccord de forage (28) approprié pour être incorporé dans une garniture de forage (22); un moyen à soupape (51) prévu dans le raccord de forage; un moyen (56) pour actionner le moyen à soupape pour appliquer une impulsion de pression au fluide de forage se trouvant dans l'alésage central (48) du raccord de forage;
un moyen (61,71) pour obtenir une valeur carac-
téristique de la force minimale nécessaire pour actionner le moyen à soupape; et un moyen (66) pour régler la force de commande
appliquée au moyen à soupape en réponse à ladite valeur.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (61,71) pour mesurer une caractéristique
physique affectant la force minimale pour obtenir ladite valeur.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (61,71) pour mesurer la pression différen-
tielle appliquée au moyen à soupape.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen à clapet à soulèvement (51) prévu
dans l'alésage central (48) du raccord de forage (28) pour ap-
pliquer une impulsion de pression positive et un moyen (61,71) pour
mesurer le-débit du fluide dans l'alésage.
6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce
qu'il comprend un solénoïde (56) et une source d'alimentation élec-
trique (68) pour actionner le moyen à soupape.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (66) pour régler la puissance électrique
fournie au solénoïde (56) en vue de régler la force de commande.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce
qu'il comprend un moyen (66) pour régler le courant fourni au solé-
noide.
9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (66) pour régler la tension appliquée au solénoïde.
10. Dispositif destiné à actionner une soupape, carac-
térisé en ce qu'il comprend:
un moyen (56) pour actionner la soupape (50;51) d'une pre-
mière à une seconde position;
un moyen (60,70;61,71) pour obtenir une valeur caractéris-
tique de la force minimale nécessaire pour actionner la soupape; et - un moyen (66) pour régler la force de commande appliquée
à la soupape en réponse à ladite valeur.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en
ce qu'il comprend un moyen (60,70; 61,71) pour mesurer une caracté-
ristique physique affectant la force minimale pour obtenir ladite
valeur.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (60,70;61,71) pour mesurer la pression
différentielle appliquée à la soupape.
13. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de commande électrique (56) et un moyen (66) pour régler la puissance fournie au moyen de commande.
14.Dispositifde télémétrie à impulsions de pression servant à transmettre des signaux par le fluide de forage contenu dans l'alésage central (40) d'une garniture de forage (22) dans un trou de sondage (20), caractérisé en ce qu'il comprend: une garniture de forage (22) comportant un alésage central (48); un moyen (36) pour maintenir un fluide sous pression dans l'alésage central de la garniture de forage, -un raccord de forage (28) incorporé dans la garniture de forage à un premier emplacement; un moyen à soupape (50;51) prévu dans le.raccord de forage; un moyen (56) pour actionner le moyen à soupape en vue d'appliquer une impulsion de pression au fluide dans la garniture de forage;
un moyen (60,70;61,71) pour obtenir une valeur caractéris-
tique de la force minimale nécessaire pour actionner le moyen à soupape; un moyen (66) pour régler la force de commande appliquée au moyen à soupape en réponse à ladite valeur; et
un moyen (42> pour mesurer l'impulsion de pression appli-
quée au fluide dans la garniture de forage à un second emplacement.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en
ce qu'il comprend un moyen (60,70;61,71) pour mesurer une caracté-
ristique physique affectant la force minimale pour obtenir ladite
valeur.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (60,70;61,71) pour mesurer la pression
différentielle appliquée à la soupape.
17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en
ce qu'il comprend un moyen de commande électrique (56) et un moyen -
(66) pour régler la puissance fournie au moyen de commande.
18. Procédé pour transmettre des signaux par un fluide, caractérisé en ce qu'il consiste à: maintenir le fluide sous pression; obtenir une valeur caractéristique de la force minimale nécessaire pour actionner un moyen à soupape en communication avec le fluide à un premier emplacement; régler la force de commande appliquée au moyen à soupape en réponse à ladite valeur;
actionner le moyen à soupape avec la force de commande ré-
glée pour appliquer une impulsion de pression au fluide audit pre-
mier emplacement; et à
détecter l'impulsion de pression dans le fluide à un se-
cond emplacement.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qde la valeur est obtenue en mesurant une caractéristique physique
affectant la force minimale.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la pression différentielle appliquée au
moyen à soupape.
21. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il consiste à commander électriquement le moyen à soupape et à
régler la puissance électrique fournie au moyen de commande.
22. Procédé pour actionner un moyen à soupape, caractérisé en ce qu'il consiste à: obtenir une valeur caractéristique de la force minimale nécessaire pour actionner le moyen à soupape; régler la force de commande appliquée au moyen à soupape en réponse à ladite valeur; et à
actionner le moyen à soupape avec la force de commande ré-
glée.
23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que la valeur est obtenue en mesurant une caractéristique physique
affectant la force minimale.
24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la pression différentielle appliquée au
moyen à soupape.
Z582049
25. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il consiste à commander électriquement le moyen à soupape et à
régler la puissance électrique fournie au moyen de commande.
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