FR2618912A1 - Systeme de forage avec transmission electromagnetique d'information depuis le fond, et raccord isolant pour ce systeme - Google Patents
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Abstract
La transmission des résultats de mesure faite au fond d'un forage se fait par application d'un signal électrique alternatif entre deux zones métalliques 101, 111 de la colonne de forage. L'isolation entre ces deux zones est assurée par un raccord isolant qui doit transmettre les efforts mécaniques en service et qui comporte pour cela une vis 109 coopérant avec un écrou 110. Le filetage 103 de la vis porte un revêtement céramique qui est mis en compression permanente sur une face d'appui par vissage à couple de serrage élevé avec butée sur une portée 105 prévue à cet effet. L'invention s'applique à tous les types de forage.
Description
Système de forage avec transmission électromagnétique d'information depuis le fond, et raccord isolant pour ce système
La présente invention concerne les forages qui sont destinés à rechercher, à atteindre ou à extraire des matériaux divers en sous-sol, par exemple des hydrocarbures ou-des minéraux. Pendant de tels forages, il est souhaitable que différentes mesures physiques soient faites à quelques mètres au-dessus de l'outil de forage en fonctionnement. Ce sont par exemple des pressions, des températures, des contraintes mécaniques, la radioactivité naturelle, etc... La connaissance en temps réel des résultats de ces mesures par les opérateurs du forage permet une grande économie de moyens et renforce la sécurité.Mais, compte tenu des profondeurs de plusieurs centaines et parfois de plusieurs mIlliers de mètres qui sont atteintes, elle nécessite la présence de moyens et la définition d'un procédé spécIalement adaptés pour assurer la transmission de cette information entre le fond du forage et la surface du sol.
La présente invention concerne les forages qui sont destinés à rechercher, à atteindre ou à extraire des matériaux divers en sous-sol, par exemple des hydrocarbures ou-des minéraux. Pendant de tels forages, il est souhaitable que différentes mesures physiques soient faites à quelques mètres au-dessus de l'outil de forage en fonctionnement. Ce sont par exemple des pressions, des températures, des contraintes mécaniques, la radioactivité naturelle, etc... La connaissance en temps réel des résultats de ces mesures par les opérateurs du forage permet une grande économie de moyens et renforce la sécurité.Mais, compte tenu des profondeurs de plusieurs centaines et parfois de plusieurs mIlliers de mètres qui sont atteintes, elle nécessite la présence de moyens et la définition d'un procédé spécIalement adaptés pour assurer la transmission de cette information entre le fond du forage et la surface du sol.
Et ce procédé doit pouvoir être appliqué de manière continue pendant le forage.
De manière générale, les procédés de mesure et de transmission et les moyens matériels correspondant placés près de l'outil de forage et en surface pour répondre au besoin défini ci-dessus sont désignés par l'appellation internationale : "Measurement While Drilling" ou en abrégé "M.X.D" qui signifie en anglais "mesure pendant qu'on fore".
Pour réaliser cette transmission on peut penser à l'introduction, ou à l'intégration d'un fil électrique isolé dans les tiges de forage qui relient l'outil à la surface. Mais cela est très peu commode ou très diffIcile et parfois tout à fait impossible.
Le procédé de transmission actuellement le plus utilisé pour répondre au besoin défini ci-dessus est internationalement appelé "Mud pulse", c'est-à-dire IIà impulsion dans la boue" ou à boue pulsée". Il utilise la propagation d'une onde de pression hydraulique dans la boue de forage fluide qui est classiquement injectée à l'intérieur des tiges de forage. Cette boue est un liquide le plus généralement à base d'eau. Elle remonte autour des tiges de forage en remplissant le trou.
On a proposé un autre procédé de transmission M.W.D. Son principe est la propagation d'une onde électromagnétique à basse fréquence qui est émise depuis le fond du forage à travers la roche constituée par les couches géologiques traversées. Cette onde est modulée de telle sorte qu'elle véhicule l'information à transmettre. Elle est détectée en surface sur un récepteur approprié.
Ce procédé a les avantages suivants - Il permet dans de nombreux cas, un débit d'information plus élevé que le procédé "à boue pulsée".
- Il n'utilise pas de pièces mécaniques mobiles soumises à érosion par la boue de forage qui est chargée de particules solides ; il est ainsi plus fiable et plus facile à maintenir que le procédé "à boue pulsée".
- L'émission n'est pas directement dépendante du débit hydraulique de cette boue comme dans le procédé "à boue pulsée". Ceci étend l'application du procédé à des phases supplémentaires du forage, par exemple à la transmission d'informations depuis le fond d'un trou après le forage de ce dernier,
Pour comprendre les problèmes que posent un tel procédé de transmission électromagnétique, il convient de préciser d'abord le procédé de forage dans le cadre duquel il est destiné à être mis en oeuvre.
Pour comprendre les problèmes que posent un tel procédé de transmission électromagnétique, il convient de préciser d'abord le procédé de forage dans le cadre duquel il est destiné à être mis en oeuvre.
On appelle ci-après, appareil de forage, l'ensemble des moyens matériels placés en surface (sur terre, ou en mer sur une plate-forme posée au fond de la mer, ou sur un navire) nécessaires pour exécuter un forage, en dehors des moyens de mesure et de transmission.
Un tel appareil a notamment pour fonction d'entraîner l'outIl de forage en rotation et d'injecter la boue de forage sous pression.
Conformément à la figure 1 un appareil de forage 1 met en oeuvre un outil de forage 2 au bout d'une succession de tiges de forage creuses en acier 3 qui ont été vissées les unes à la suite des autres à l'aide de cet appareil et que l'on appelle ci-après, train de tiges 3.
Une partie des moyens de mesure et de transmission en temps réel est incluse dans le train de tiges 3 le plus près possibje-de l'outil 2.
Cette partie est intégrée dans une structure qui du point de vue mécanique et hydraulique, joue le rôle d'une tige de forage et que l'on appellera dans la suite l'émetteur 4.
La surface extérieure métallique de cet émetteur est séparée en deux zones 14 et 15 par un Intervalle constitué par un raccord isolant 18. La présence de cet intervalle permet d'inJecter dans la roche un signal électrique alternatif de transmission qui est appliqué entre ces deux zones et qui donne naissance à une onde électromagnétique se propageant dans la roche. Des organes situés à l'intérieur de l'émetteur 4 permettent d'engendrer ce signal.
En cours de forage, le trou déjà foré 6 est consolidé, au moins sur une partie de sa hauteur, par un tubage 5 (ou casing en anglais) qui est constitué d'un tube en acier, donc conducteur électrique. Ce tubage 5 est entouré d'un coulis de ciment 10 injecté à partir de la surface. Il empêche la roche 12 de se refermer et de coincer le train de tiges 3. Il empêche aussi l'arrivée d'eau ou la fuite de la boue de forage qui remplit le trou 6 et le train de tiges 4. Cette boue est habituellement électriquement meilleure conductrice que le coulis 10 ou la roche 12 tout en étant beaucoup moins bonne conductrice que l'acier du train de tiges.
Au fur et à mesure que le trou est approfondi, on place de nouveaux tubages de plus en plus profonds et étroits en passant à l'intérieur des précédents, afin de protéger une plus grande partie de la hauteur du trou.
Différents types de capteurs peuvent être utilisés pour assurer en surface la détection de l'onde électromagnétique formée par l'émetteur au fond du trou. Ils détectent cette onde sous des formes différentes
Des électrodes 7 peuvent être enfoncées en terre, ou placées au fond de la mer. Elles permettent de mesurer une différence de potentIel représentative du champ électrique engendré par l'onde électromagnétique émise par l'émetteur 4.
Des électrodes 7 peuvent être enfoncées en terre, ou placées au fond de la mer. Elles permettent de mesurer une différence de potentIel représentative du champ électrique engendré par l'onde électromagnétique émise par l'émetteur 4.
Le tubage 5 peut être utilisé pour constituer une telle électrode
On peut aussi utiliser un capteur inductif de courant conçu-sur le même principe qu'une pince ampèremétrique du commerce. Ce capteur est alors disposé autour du tubage et du train de tiges afin -de mesurer l'intensité du courant électrique qui les parcourt à leurs extrémités de surface, étant noté qu'ils sont électriquement liés par la boue de forage. L'existence d'un courant résiduel à l'extrémité supérieure du train de tiges est liée au fait que celui~ est de nouveau mis à la terre par l'appareIl de forage.Elle résulte fondaaentaleaent du fait que la propagation de l'onde électromagnétique à travers la roche depuis l'émetteur ne peut se faire sans que le train de tiges soit parcouru par un courant, de même que l'injection d'un courant dans le train de tiges s'accompagne réciproquement de la propagation d'une onde électromagnétique dans la roche. C'est-à-dire qu'il s'agit d'un seul et même phénomène qui se manifeste à la fois par un champ électromagnétique dans la roche et par un courant dans le train de tiges.
On peut aussi utiliser un capteur inductif de courant conçu-sur le même principe qu'une pince ampèremétrique du commerce. Ce capteur est alors disposé autour du tubage et du train de tiges afin -de mesurer l'intensité du courant électrique qui les parcourt à leurs extrémités de surface, étant noté qu'ils sont électriquement liés par la boue de forage. L'existence d'un courant résiduel à l'extrémité supérieure du train de tiges est liée au fait que celui~ est de nouveau mis à la terre par l'appareIl de forage.Elle résulte fondaaentaleaent du fait que la propagation de l'onde électromagnétique à travers la roche depuis l'émetteur ne peut se faire sans que le train de tiges soit parcouru par un courant, de même que l'injection d'un courant dans le train de tiges s'accompagne réciproquement de la propagation d'une onde électromagnétique dans la roche. C'est-à-dire qu'il s'agit d'un seul et même phénomène qui se manifeste à la fois par un champ électromagnétique dans la roche et par un courant dans le train de tiges.
Les signaux fournis par le capteur sont transmis par des liaisons électriques à des moyens électroniques et/ou informatiques d'amplification, de filtrage, de démodulation et de décodage. L'ensemble constitue un récepteur de surface 8.
Outre la détection de l'onde électromagnétique en surface, deux problèmes importants pour l'emploi d'un tel procédé sont celui de l'émission d'un signal de puissance suffisante par l'émetteur 4 et celui de la transmission des efforts mécaniques à travers le raccord de forage isolant 18.
Pour résoudre ces problèmes le document dé brevet US-A-4 495 174 (Mc Donald et autres) décrit un système de forage avec. transmission électromagnétique d'information depuis le fond, ce système comportant les organes de forage suivants, à partir du fond, - un outil de forage pour creuser un trou de forage, - un train de tiges portant cet outil et constitué de tiges de forage métalliques creuses mécaniquement résistantes qui sont liées à la suite les unes des autres du fond à la surface en un nombre qui est accru par adjonction de nouvelles tiges au fur et à mesure que la profondeur du trou de forage croit, ce train et des organes qu'il porte constituant une colonne de forage qui présente un axe longitudinal selon l'axe du trou de forage et à laquelle les parois de ce trou éventuellement non rectiligne peuvent appliquer des efforts de flexion en service, - et un appareil de forage en surface notamment pour appliquer en service audit outil de forage, par l'intermédiaire dudit train de tiges, des efforts longitudinaux de poussée et de traction, ainsi que des efforts circonférentiels de rotation, pour effectuer ladite adjonction de nouvelles tiges, et pour injecter dans ledit train de tiges une boue de forage afin qu'elle en sorte au contact de cet outil et qu'elle remonte dans le trou de forage autour de ce train, cette boue mettant ce train de tiges en contact électrique résistif avec la roche autour du trou sur toute l'épaisseur traversée par ce train, - ce système de forage comportant encore au moins un capteur de fond porté par ce train près dudit outil pour fournir une information sur la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit, - -et un système de transmission pour transmettre cette information jusqu'à la surface du sol, ce système de transmission comportant pour cela les organes suivants - un générateur d'émission connecté à ce capteur près dudit outil pour former un signal électrique d'émission représentatif de cette information, - une antenne d'émission enterrée constituée par au moins deux électrodes formées chacune par une zone conductrice de la surface extérieure dudit train de tiges, ces deux électrodes étant séparées par un raccord de forage isolant inclus dans ce train au voisinage dudit outil, ledit signal d'émission étant appliqué entre ces deux électrodes de manière à engendrer une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers la roche notamment vers la surface au sol en se manifestant à la fois par un champ électromagnétique et des courants dans la roche et par un courant longItudinal dans le train de tiges au dessus dudit intervalle isolant, - et un récepteur de surface pour recevoir cette onde électromagnétique affaiblie, pour en former un signal de réception, et pour démoduler ce signal de réception de manière à former un signal démodulé permettant de reconstituer ladite information, - ledit raccord isolant constituant une dite tige de forage creuse devant supporter lesdits efforts en service et conduire ladite boue de forage et étant constitué pour cela de deux éléments tubulaires qui présentent le même dit axe et qui sont disposés longitudinalement à la suite l'un de l'autre, chacun de ces éléments s'étendant entre d'une part une extrémité de raccordement isolant jointe à celle de l'autre élément tubulaire et d'autre part une extrémité de raccordement normal située à une extrémité dudit raccord isolant, l'un de ces deux éléments tubulaires étant un element mâle qui ferre, à son extrémité de raccordenent isolant, une vis axiale creuse capable de supporter lesdits efforts en service et présentant un filetage mâle de raccordement isolant, l'autre de ces éléments étant un élément femelle qui forme, à son extrémité de raccordement isolant, un écrou capable lui aussi de supporter lesdits efforts en service, cet écrou présentant un filetage femelle de raccordement isolant doopére avec ledit filetage mâle de manière à réaliser entre ces deux éléments une liaison qui est également capable de supporter lesdits efforts en service, une isolation électrique étant réalisée entre ces deux filetages mâle et femelle, chacun de ces deux éléments tubulaires comportant à son extrémité de raccordement normal, des moyens pour réaliser entre cet élément et une tige de forage adjacente une liaison capable de supporter lesdits efforts en service.
Ces dispositions de ce sytème connu sont communes au moins quant à leurs finalités, à ce système connu et au système selon la présente invention.
L'émetteur de ce système de forage connu est du type à couplage par toroide. Son raccord de forage isolant présente desdits filetages mâle (194) et femelle (192) (voir Fig.7 du document) qui sont coniques, avec une section de filet sinusoidale, et un intervalle généralement uniforme entre les filetages mâle et femelle. L'isolation électrique est réalisée par le fait que cet intervalle généralement uniforme est rempli d'un matériau diélectrique (198) dont la nature n'est pas précisée.
Des moyens de portée constitués par une bague plate isolée (200) sont interposés entre les deux éléments tubulaires pour renforcer la structure (voir revendication 6).
Ce raccord de forage isolant connu présente notamment l'inconvénient que, lorsque le matériau diélectrique employé a été soumis à des efforts variés et importants pendant une longue durée de service, ce matériau s'altère et que l'intégrité mécanique de la colonne de forage n'est alors plus convenablement assurée. La manière dont ce matériau s'altère dépend évidemment de sa composition, mais il n'apparait pas possible d'éviter cette altération dans des conditions économiquement acceptables.
De plus, à la fabrication du raccord, l'obtention dudit intervalle généralement unIforme nécessite l'emploI d'entretoises de butée.
La présente invention a notamment pour but de réaliser de manière simple et économique un raccord de forage isolant capable, lorsqu'il est inclus dans une colonne de forage comme précédemment indiqué, de résister auxdits efforts en service de manière prolongée et sans altération appréciable.
Elle a notamment pour objet un système présentant les dispositions communes précédemment indiquées et caractérisé par le fait que lesdits filetages de raccordement isolant mâle et femelle sont des filetages cylindriques, les deux dits éléments tubulaires mâle et femelle présente tant respectivement deux portées de butée en regard pour limiter l'enga- gement de ladite vis dans ledit écrou, cette vis étant vissée en butée dans cet écrou avec une force suffisante pour établir un-appui mutuel permanent de ces deux portées de butée et un appui mutuel permanent de deux faces d'appuI de ces deux filetages respectivement, avec déformation élastique permanente limitée et formation d'un
Intervalle permanent dissymétrique entre ces deux filetages, cet intervalle étant localisé en dehors de ces faces d'appui, - ladite isolation électrique étant réalisée entre ces deux filetages par le fait que l'un de ces filetages est revêtu d'un revêtement céramique mince au moins sur ladite face d'appui et à son voisinage.
Intervalle permanent dissymétrique entre ces deux filetages, cet intervalle étant localisé en dehors de ces faces d'appui, - ladite isolation électrique étant réalisée entre ces deux filetages par le fait que l'un de ces filetages est revêtu d'un revêtement céramique mince au moins sur ladite face d'appui et à son voisinage.
Selon l'invention on peut adopter de plus, selon les circonstances les dispositions complémentaires souvent avantageuses suivantes - Les deux dites faces d'appuis présentent, en section par un plan axial, la forme de deux segments rectilignes d'appui formant un même angle d'inclinaison par rapport à l'axe et occupant chacun au moins 40% de la profondeur radiale du filetage correspondant de manière à répartir la force d'appui sur une surface importante de ladite couche céramique.
- Ledit filetage revêtu présente, en section par un plan axial, de part et d'autre dudit segment d'appui, des formes arrondis avec un rayon de courbure supérieur à 20 de ladite profondeur du filetage, de manière à favoriser une bonne continuité mécanique de ladite couche céramique.
- Ledit angle d'inclinaison dudit segment d'appui est compris entre 80 et 45 degrés environ, de manière à faciliter le dépôt dudit revêtement céramique tout en limitant la pression sur ce revêtement en service.
- LadIte portée de butée de l'élément tubulaire qui comporte ledit file tage revêtu est elle aussi revêtue d'un revêtement céramique en contre nuité avec celui de ce filetage.
- Ledit filetage revêtu est ledit filetage mâle de manière à faciliter le dépôt dudit revêtement céramique.
- Ledit revêtement céramique forme une couche continue sur l'ensemble de la surface dudit filetage mâle qui est sensiblement symétrique en section par un plan axial, par rapport à des droites perpendiculaires à l'axe dudit raccord, pour faciliter le dépôt de cette couche continue.
- Ledit revêtement céramique a une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,5 mn, et plus particulièrement entre 0,05 et 0,1 mm environ de manière à diminuer l'importance des fissures dans ce revêtement.
- Ledit revêtement céramique est constitué d'alumine Al2O3, ledit filetage revêtu qui porte ce revêtement étant constitué d'acier de même que l'autre dit filetage qui frotte au vissage contre ce revêtement.
- Une colle occupe ledit intervalle permanent entre lesdits filetages mâle et femelle de manière à diminuer le risque de dévissage.
- Lesdites portées de butée sont réalisées dans l'intervalle radial entre lesdits filetages cylindriques et la surface cylindrique extérieure dudit raccord isolant.
- Ledit raccord isolant comporte des revêtements isolants au contact de la boue de forage et formés dans les surfaces extérieure et intérieure de ce raccord en continuité d'isolation électrique avec ledit revêtement céramique. Ces derniers revêtements sont constitués d'un matériau au moins partiellement organique et présentent une épaisseur supérieure à celle dudit revêtement céramique.
La présente invention a également pour objet le raccord de forage isolant du système défini ci-dessus.
A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre dans le cadre#de l'exposé qui en a été donné ci-dessus. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
Le mode de mise en oeuvre décrit comporte les dispositions mentionnées ci-dessus comme souvent avantageuses selon la présente invention. il doit être compris que les éléments mentionnes peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques
La figure 1 a déJà été décrite et représente une vue d'un système de forage notamment selon l'invention.
La figure 1 a déJà été décrite et représente une vue d'un système de forage notamment selon l'invention.
La figure 2 représente les variations de divers signaux dans l'émetteur de ce système selon l'invention.
La figure 3 représente le spectre d'un signal d'émission qui serait obtenu à partir d'un signal porteur sinusoïdal.
La figure 4 représente le spectre du signal d'émission du même système selon l'invention.
La figure 5 représente un schéma par blocs de l'émetteur de ce système selon l'invention.
La figure 6 représente un schéma par blocs de l'organe d'alimentation de cet émetteur.
,aeri La figure 7 représente une vue en;coupe ax axiale du raccord de forage isolant du même système selon l'invent-on.
VIII
La figure 8 représente un détail/ de la figure v à échelle agrandie.
La figure 8 représente un détail/ de la figure v à échelle agrandie.
Dans le système décrit ledit générateur d'émission est un circuit commutateur de sorte propre à transmettre aux deux dites électrodes, en réponse à un signal de commutation, soit l'une soit l'autre de deux tensions électriques continues qui sont fournIes par un organe d'alimentation de puissance. Ledit signal d'émission est ainsi engendré sous la forme de la succession alternative de ces deux tensions sans dissipation gênante d'énergie dans ce générateur
Pour élaborer ce signal de commutation un signal de modulation est formé à partir de l'information à transmettre et présente seulement deux valeurs. Il est synchronisé sur des instants d'horloge qui se succèdent périodiquement à une fréquence d'horloge de modulation.
Pour élaborer ce signal de commutation un signal de modulation est formé à partir de l'information à transmettre et présente seulement deux valeurs. Il est synchronisé sur des instants d'horloge qui se succèdent périodiquement à une fréquence d'horloge de modulation.
Un générateur de signal de commutation fournit ledit signal dé commutation sous la forme d'un signal porteur modulé par ledit signal de modulation, ce signal porteur étant périodique lorsqu'il n1 est pas modulé et présentant alors deux valeurs qui se succèdent alternativement à une fréquence porteuse multiple de ladite fréquence d'horloge de modulation en synchronisme avec ce signal de modulation. La modulation de ce signal porteur est réalisée par le fait que sa phase est remplacée par la phase opposée chaque fois que ce signal de modulation change de valeur.
On fait ainsi apparaitre en surface un signal de réception sensiblement sinusoïdal à ladite fréquence porteuse avec une modulation permettant de former ledit signal démodulé.
En se référant aux figures 5 et 2 le capteur de fond précédemment mentionné est représenté en 20. Des moyens connectés au capteur pour fournir le signal de modulation M sont constitués par une partie d'un processeur 22 qui constitue en même temps le générateur du signal de commutation C. Ce processeur comporte une horloge de commutation à ladite fréquence porteuse f . Les instants d'horloge de modulation sont
o obtenus par division à partir des instants définis par cette horloge de commutation.
o obtenus par division à partir des instants définis par cette horloge de commutation.
La fréquence porteuse doit être égale au moins au double de la fréquence d'horloge pour permettre une restitution de l'information par démodulation à la réception. Elle est en général comprise entre 2 et 200 z, et de préférence entre 5 et 10 Fz environ. On choisit ensuite la fréquence d'horloge et donc le débit d'information susceptible d'être transmis, en divisant cette fréquence porteuse par un nombre entier qui est d'autant plus grand que l'épaisseur de roche à traverser est grande.
La démodulation du signal de réception se faisant après son passage à travers un filtre, ce nombre est choisi suffisamment grand pour que la bande passante de ce filtre puisse être suffisamment étroite pour abaisser le bruit de fond à un niveau acceptable. Ce nombre est généralement compris entre 2 et 10. Comme on le sait la modulation réalisée à la fréquence d'horloge fH ainsi obtenue permet de transmettre un signal Informatif dont la bande de fréquences est limitée par une fréquence maximale f c fR/2.
Sur la figure 2 les instants d'horloge du signal de modulation sont représentés en H et leur fréquence f est représentée comme égale au tiers de la fréquence porteuse fO.
Le signal porteur P est mentionné et représenté pour faciliter la compréhension mais il n'est pas nécessaire qu'il apparaisse réellement dans le processeur 22.
Le signa de commutation C est appliqué au circuit commutateur de sortie qui porte la référence 26 et qui est constitué par exemple à l'aide de quatre transistors de commutation. Ce circuit fournit un signal d'émission E qui reproduit le signal de commutation C mais avec une intensité très supérieure.
La tension transmise par ce circuit pour constituer ce signal est fournie par un organe d'alimentation de puissance qui porte la référence 24 et qui est lui-même alimenté à partir d'un générateur dynamoélectrique 27. Ce dernier est un alternateur entraîné par la boue de forage par l'intermédiaire d'une turbine non représentée. Il fournit une tension alternative à une fréquence qui varie au cours du forage, par exemple de 50 å 300 herz sous une tension et une impédance interne qui varient en même temps. Ces variations résultent des variations du débit de la boue de forage, ce dernier débit étant imposé par des conditions de forage indépendantes des problèmes de transmission.
La figure 3 représente le spectre du signal d'émission qui serait formé par modulation d'un signal porteur sinusoïdal à la fréquence fO.
Ce signal d'émission présente un spectre qui s'étend entre les fréquences fo - fc et fo + fc. Le signal de réception présente un spectre analogue, mais avec une puissance beaucoup plus faible.
La figure 4 représente le spectre d'un signal d'émission tel que présentant la -ême puissance et obtenu à partir du même signal de modula tion tel que, avec un signal porteur tel que P de même fréquence f
o mais de forme carrée et obtenu comme précédemment expliqué.
o mais de forme carrée et obtenu comme précédemment expliqué.
Ce spectre comprend d'abord une bande fondamentale comprise entre les fréquences tO - fc et E + fc et très analogue à celle du signal d'émissIon à porteur sinusordal de la figure 7, quoique avec une puissance légèrement diminuée. Il comprend ensuite des bandes supérieures de même largeur centrées sur les fréquences 3fO, 5f etc... c'est-à-dire sur les multiples impairs de la fréquence porteuse fo. La puissance correspondant à l'ensemble de ces bandes supérieures est relativement faible.
Le spectre du signal de réception correspond à peu près à la bande fondamentale du signal d'émission. Ce signal est donc voisin quant à sa forme de celui qui serait obtenu à partir du signal d'émission de la figure 3. #'es-à-dlre qu'il doit être démodulé å peu près de la même manière que si le signal de modulation était appliqué à un signal porteur parfaitement sinusoldal.
En fait, il est souvent préférable de faire précéder cette démodulation par un filtrage à l'aide d'un filtre passe bande 12 (voir
fig.l), qui arrête en même temps certaines composantes du bruit notamment aux basses fréquences. Ce filtre est incorporé-dans le récepteur 8 après un premier étage d'amplification non représenté. Il arrête les composantes qui subsistent aux fréquences des bandes supérieures du signal d'émission et qui déformeraient le signal résultant de la démodulation.
fig.l), qui arrête en même temps certaines composantes du bruit notamment aux basses fréquences. Ce filtre est incorporé-dans le récepteur 8 après un premier étage d'amplification non représenté. Il arrête les composantes qui subsistent aux fréquences des bandes supérieures du signal d'émission et qui déformeraient le signal résultant de la démodulation.
Comme représenté sur la figure 6 ledit organe d'alimentation de puissance 24 comporte - le générateur dynamoélectrique rotatif 27 entrainé par la boue de forage et fournissant une première tension alternative à une première fréquence et avec une impédance initiale, - un premier redresseur 28 recevant cette première tension alternative et fournissant une première tension continue, - un circuit hacheur 30 hachant cette première tension continue et fournissant une deuxième tension alternative hachée à une deuxième fréquence supérieure à la première, - un transformateur 32 recevant cette deuxième tension alternative et fournissant une troisième tension alternative avec une impédance abaIssée, - et un deuxième circuit redresseur 34 recevant cette troisième tension alternative et fournissant une tension continue de sortie avec une impédance de sortie qui est aussi celle dudit signal d'émission. Ce deuxième circuit redresseur constitue avec ce transformateur et ce hacheur un convertisseur continu-continu abaisseur d'impédance 36. Le signal d'émission (2) est ainsi engendré de manière durable sans dissipation gênante d'énergie avec une impédance qui convient à la transmission et qui peut être obtenue à l'aide d'un transformateur 32 de dimensions réduites.
L'alternateur qui constitue le générateur 27 fournit aussi l'énergie nécessaire aux capteurs tels que 20 et au processeur 22, ceci par l'intermédiaire d'un organe d'alimentation secondaire non représenté.
La fréquence du hacheur 30 est par exemple de quelques dizaines de kiloherz, ce qui permet à la fois de réaliser facilement ce hacheur et de donner de petites dimensions au transformateur 32.
Les avantages de ce type d'organe d'alimentation électrique de puissance peuvent être expliqués comme suit
La charge 11, en sortie de l'émetteur a une impédance particulièrement faible ; en d'autres termes l'émetteur doit fournir un courant élevé sous une tension faible. L'ordre de grandeur que l'on peut citer actuellement est pour le courant de dix à quelques centaines d'ampères, et pour la tension de un à quelques dizaines de volts.
La charge 11, en sortie de l'émetteur a une impédance particulièrement faible ; en d'autres termes l'émetteur doit fournir un courant élevé sous une tension faible. L'ordre de grandeur que l'on peut citer actuellement est pour le courant de dix à quelques centaines d'ampères, et pour la tension de un à quelques dizaines de volts.
Il est possible de trouver une source d'énergie électrique dont l'impédance interne est telle qu'elle est adaptée à la fourniture d'un tel courant haut sous une telle tension. En particulier une batterie de piles pourrait convenir. Cependant, dans le cas du forage, une batterie de piles a une durée de service trop faible, compte tenu du volume disponible et de la quant té d'énergie nécessaire. Il est préférable dans bien des cas de mettre en oeuvre une source d'énergie plus durable telle qu'un alternateur entraîné par la boue de forage par exemple.
Celui-ci a normalement une impédance interne beaucoup plus forte et de plus fortement variable avec le débit de la boue de forage, ce qui oblige à introduire un dispositif capable de fournir à sa sortie une puissance avec une impédance adaptée à la charge, alors qu'il reçoit cette puissance avec une impédance définie par la source d'énergie.
Divers schémas électroniques existent dans la littérature qui permettent de construire un tel organe d'alimentation. Certains sont connus sous le nom de convertisseur continu-continu. Dans le système décrit le convertisseur est conçu de telle sorte que les composants électroniques formant le hacheur travaillent en commutation afin d'obtenir le meilleur rendement. D'autre part ces dispositifs contiennent un transformateur.
Celui-cl a une taille très réduite parce que la fréquence du courant alternatif utilisé est élevée (quelques kilohertz à quelques dizaines de kilohertz).
Les dispositions ci-dessus permettent de résoudre le problèm#e de l'émission d'une onde électromagnétique de puIssance suffisante. elles qui vont l'être permettent de résoudre celui de la transmission des efforts mécaniques qui sont appliqués en service au raccord isolant 18, tout en assurant bien entendu l'isolation électrique éncessaire.
Conformément aux figures 7 et 8, le raccord isolant de forage selon l'invention est principalement composé de deux éléments tubulaires 101 et 111 qui constituent partiellement lesdites électrodes 14 et 16 et qui, une fois assemblés, ont le diamètre extérieur et les filetages standards de raccordement respectivement 102 et 112 d'un "drill-collar", ce terme international désignant les tiges de forage les plus proches de l'outil de forage.
L'élément tubulaire mâle 101 présente un filetage standard de raccordement 102 à l'une des extrémités qui constitue ladite extrémité de raccordement normal. A son autre extrémité, qui est celle de raccordement isolant, il porte une vis creuse 109 comportant un filetage cylindrique mâle 103 spécial et une portée de butée 105. Ce filetage et cette portée coopérent avec le filetage femelle cylindrique 113 d'un écrou 110 et avec la portée de butée 114 de l'élément tubulaire femelle 111.
A la fabrication du raccord les deux éléments tubulaires 101 et 111 sont vissés et bloqués à un couple de serrage supérieur aux couples habituellement appliqués pour visser et bloquer les drill-collars entre eux, ceci afin que le raccord isolant de forage ne se dévisse pas lors des opérations de forage. Ce couple de serrage est par exemple de 3000 mkg pour un diamètre extérieur de filetages de 140 mm et un nombre de filets de 25.
Le filetage cylindrique mâle 103 et la portée d'appui 105 sont revêtus, d'une manière uniforme et continue, par un revêtement diélectrique de surface du type céramique 104, comme par exemple une projection d'alumine à la torche plasma ou au canon à détonation.
Ce filetage est conçu de façon spéciale afin de concilier les contraintes de réalisation de ce type de revêtement de surface avec les contraintes mécaniques appliquées au raccord isolant.
En effet, en coupe, les flancs de filet comportent un segment rectiligne 106 le plus grand possible afin d'obtenIr la meilleure répartition des pression spécIfiques de contact lors de la transmission desdits efforts en service à travers le raccord Isolant. Ce segment rectiligne constitue ledit segment d'appui. D'autre part, les fonds de filet 107 et les sommets de filets 108 sont arrondis afin d'éviter toutes arêtes vives d'usinage, néfastes au bon accrochage du revêtement céramique de surface.
Le filetage cylindrique 113 de l'élément tubulaire femelle 111 nta comme contrainte de réalisation que de posséder des flancs de filet à génératrice rectiligne en concordance avec les flancs de filet 106 de l'élément tubulaire 101. Les fonds de filet et les sommets de filets ne subissent aucune opération après leur usinage. Ils peuvent prendre n'importe quelle forme, à section arrondie ou rectiligne. Une identité des formes des deux filetages en section constitue cependant une bonne solution.
L'intervalle permanent 124 entre les deux filetages est rempli par une colle non représentée qui limite les risques de dévissage mais qui ne participe presque pas à la transmission des autres efforts en service et qul pourrait être électriquement conductrIce.
Afin d'augmenter la longueur d'isolation extérieure du raccord isolant de forage, les deux éléments tubulaires 101 et 111 possèdent une gorge extérieure 121 dans laquelle est déposé un revêtement diélectrique extérieur 120 comme par exemple un caoutchouc, un élastomère, un maté riau composite...etc. La gorge extérieure '21 et le revêtement diélectrique extérieur 120 ont une épaisseur telle que la continuité de la surface extérieure cylindrique du drill-collar est assurée.
De même afin d'augmenter la longueur d'isolation intérieure du raccord, les deux éléments tubulaires 101 et 111 possèdent un alésage intérieur 131 sur lequel est déposé un revêtement diélectrique intérieur 130 fait des mêmes matériaux. L'alésage intérieur 131 revêtu de son revêtement diélectrique intérieur 130 reconstitue le diamètre intérieur du raccord.
Le raccord isolant de forage selon l'invention présente de nombreux avantages - Il peut être réalisé à partir d'une liaison classique par filetage très légèrement modifiée, ce qui constitue une solution intéressante par sa simplicité, - la forme symétrique du filetage mâle est adaptée pour recevoir un revêtement de surface du type Projection de Céramique à la torche plasma ou au canon à détonation
Par rapport aux revêtements du type résines, plastiques, composites,..., ces revêtements céramiques ont les avantages de
. supporter des pressions spécifiques très importantes,
. adhérer parfaitement à la pièce support,
. ne pas s'extruder,
. résister aux hautes températures,
. résister aux attaques chimiques.
Par rapport aux revêtements du type résines, plastiques, composites,..., ces revêtements céramiques ont les avantages de
. supporter des pressions spécifiques très importantes,
. adhérer parfaitement à la pièce support,
. ne pas s'extruder,
. résister aux hautes températures,
. résister aux attaques chimiques.
- Le profil très arrondi en fond de filet de la vis, et éventuellement celui de l'écrou, réduit au maximun les concentrations de contraintes.
- L'isolation électrique entre les deux éléments tubulaires du raccord est obtenue simplement par le dépôt d'un revêtement de céramique ; ceci permet la suppression des entretoises de butées qui sont nécessaires au montage des raccords lorsque ceux-ci sont isolés par des revêtements du type résines, plastiques ou composites.
Claims (15)
1/ Système de forage avec transmission électromagnétique d'information depuis le fond, ce système comportant les organes de forage suivants, à partir du fond, - un outil de forage (2) pour creuser un trou de forage, - un train de tiges (3) pOrtant cet outil et constitué de tiges de forage métalliques creuses mécaniquement résistantes qui sont liées à la suite les unes. des autres du fond à la surface en un nombre qui est accru par adjonction de nouvelles tiges au fur et à mesure que la profondeur du trou de forage croit, ce train et des organes qu'il porte constituant une colonne de forage qui présente un axe longitudinal (A) selon l'axe du trou de forage et à laquelle les paroIs de ce trou éventuellement non rectiligne peuvent appliquer des efforts de flexion en service, - et un appareil de forage (1) en surface notamment pour appliquer en service audit outil de forage, par l'intermédiaire dudit train de tiges, des efforts longitudinaux de poussée et de traction, ainsi que des efforts circonférentiels de rotation, pour effectuer ladite adjonction de nouvelles tiges, et pour injecter dans ledit train de tiges une boue de forage afin qu'elle en sorte au contact de cet outil et quelle remonte dans le trou de forage autour de ce train, cette boue mettant ce train de tiges en contact électrique résistif avec la roche autour du trou sur toute l'épaisseur traversée par ce train, - ce système de forage comportant encore au moins un capteur de fond (20) porté par ce train près dudit outil (2) pour fournir une information sur la valeur qu'au moins une grandeur présente à cet endroit, - et un système de transmission pour transmettre cette information jusqu'à la surface du sol, ce système de transmission comportant pour cela les organes suivants - un générateur d'émission (26) connecté à ce capteur près dudit outil pour former un signal électrique d'émission représentatif de cette information (M),
- une antenne d'émission enterrée constituée par au moins deux électrodes (74, 16) formées chacune par une zone conductrice de la surface extérieure dudit train de tiges, ces deux électrodes étant séparées par un raccord de forage isolant (18) inclus dans ce train au voisinage dudit outil, ledit signal d'émission étant appliqué entre ces deux électrodes de manière à engendrer une onde électromagnétique qui se propage avec affaiblissement à travers la roche (11) notamment vers la surface au sol en se manifestant à la fois par un champ électromagnétique et des courants dans la roche et par un courant longitudinal dans le train de tiges au dessus dudit intervalle isolant, - et un récepteur de surface (8) pour recevoir cette onde électromagnétique affaiblie, pour en former un signal de réception, et pour démoduler ce signal de réception de manière à former un signal démodulé permettant de reconstituer ladite information, - ledit raccord isolant constituant une dite tige de forage creuse devant supporter lesdits efforts en service et conduire ladite boue de forage et étant constitué pour cela de deux éléments tubulaires qui présentent le même dit axe (A) et qui sont disposés longitudinalement à la suite l'un de l'autre, chacun de ces éléments s'étendant entre d'une part, une extrémité de raccordement isolant Jointe à celle de l'autre élément tubulaire et d'autre part, une extrémité de raccordement normal située à une extrémité dudit raccord isolant, l'un de ces deux éléments tubulaires étant un élément mâle (101) qui forme, à son extrémité de raccordement isolant, une vis axiale creuse (109) capable de supporter lesdits efforts en service et présentant un filetage mâle de raccordement isolant (103), l'autre de ces éléments étant un élément femelle (111) qui forme, à son extrémité de raccordement isolant, un écrou (110) capable lui aussi de supporter lesdits efforts en service, cet écrou présentant un filetage femelle de raccordement isolant (113) qui coopére avec ledit filetage mâle de manière à réaliser entre ces deux éléments une liaison qui est également capable de supporter lesdits efforts en service, une isolation électrique étant réalisée entre ces deux filetages mâle et femelle, chacun de ces deux éléments tubulaires comportant à son extrémité de raccordement normal, des moyens (102, 112) pour réaliser entre cet élément et une tige de forage adjacente une liaison capable de supporter lesdits efforts en service, - ce système de forage étant caractérisé par le fait que lesdits filetages de raccordement isolant mâle (103) et femelle (113) sont des filetages cylindriques, les deux dits éléments tubulaires mâle et femelle présentant respectivement deux portées de butée en regard (105, 114) pour limiter l'engagement de ladite vis dans ledit écrou, cette vis étant vissée en butée dans cet écrou avec une force suffisante pour établir un appui mutuel permanent de ces deux portées de butée et un appui mutuel permanent de deux faces d'appui de ces deux filetages respectivement, avec déformation élastique permanente limitée et formation d'un intervalle permanent (124) dissymétrique entre ces deux filetages, cet intervalle étant localisé en dehors de ces faces d'appui, - ladite isolation électrique étant réalisée entre ces deux filetages par le fait que l'un de ces filetages (103) est revêtu d'un revêtement céramique mince (104) au moins sur ladite face d'appui (106) et à son voisinage.
2/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux dites faces d'appuis présentent, en section par un plan axial, la forme de deux segments rectIlignes d'appui (106) formant un même angle d'inclinaison par rapport à l'axe et occupant chacun au moins 40% de la profondeur radiale du filetage correspondant de manière à répartir la force d'appui sur une surface importante de ladite couche céramique.
3/ Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit filetage revêtu (103) présente, en section par un plan axial, de part et d'autre dudit segment d'appui, des formes arrondies avec un rayon de courbure supérieur à 20% de ladite profondeur du filetage, de manière à favoriser une bonne continuité mécanique de ladite couche céramique.
4/ Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit angle d'inclinaison dudit segment d'appui est compris entre 80 et 45 degrés environ, de manière à faciliter le dépôt dudit revêtement céramique (104) tout en limitant la pression sur ce revêtement en service.
5/ Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite portée de butée ClOS) de l'élément tubulaire (101) qui comporte ledit filetage revêtu (103) est elle aussi revêtue d'un revêtement céramique (104) en continuité avec celui de ce filetage.
6/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit filetage revêtu est ledit filetage mâle (103,' de manière à faciliter le dépôt dudit revêtement céramique (104).
7/ Système selon à la fois la revendicatIon 4 et la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit revêtement céramique (104) forme une couche continue sur l'ensemble de la surface dudit filetage mâle (103) qui est sensiblement symétrique en section par un plan axial, par rapport à des droites perpendiculaires à l'axe dudit raccord, pour faciliter le dépôt de cette couche continue.
8/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit revêtement céramique (104) a une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,5 mm.
9/ Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit revêtement céramique (104) a une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,1 mn environ de manière à diminuer l'importance des fissures dans ce revêtement.
10/ Système selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ledit revêtement céramique (104) est constitué d'alumine Al203, ledit filetage revêtu (103) qui porte ce revêtement étant constitué d'acier de même que l'autre dit filetage (113) qui frotte au vissage contre ce revêtement.
11/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu' une colle occupe ledit intervalle permanent (124) entre lesdits filetages mâle (103) et femelle (113) de manière à diminuer le risque de dévissage.
12/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites portées de butée (105, 114) sont réalisées dans l'intervalle radial entre lesdits filetages cylindriques (103, 113) et la surface cylindrique extérieure dudit raccord isolant (101, 111).
13/ Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit raccord isolant (101, 111) comporte des revêtements isolants (120, 130) au contact de la boue de forage et formés dans les surfaces extérieure et intérieure de ce raccord en continuité d'isolation électrique avec ledit revêtement céramique (104).
14/ Système selon la revendication 13, caractérisé par le fait que lesdits revêtements isolants (120, 130) au contact de la boue sont cons- titués d'un matériau au moins partiellement organique et présentent une épaisseur supérieure à celle dudit revêtement céramique (104).
15/ Raccord de forage Isolant tel que décrit à l'une quelconque des revendications précédentes.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR8710815A FR2618912B1 (fr) | 1987-07-30 | 1987-07-30 | Systeme de forage avec transmission electromagnetique d'information depuis le fond, et raccord isolant pour ce systeme |
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| FR8710815A FR2618912B1 (fr) | 1987-07-30 | 1987-07-30 | Systeme de forage avec transmission electromagnetique d'information depuis le fond, et raccord isolant pour ce systeme |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2618912A1 true FR2618912A1 (fr) | 1989-02-03 |
| FR2618912B1 FR2618912B1 (fr) | 1989-12-22 |
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ID=9353722
Family Applications (1)
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| FR8710815A Expired FR2618912B1 (fr) | 1987-07-30 | 1987-07-30 | Systeme de forage avec transmission electromagnetique d'information depuis le fond, et raccord isolant pour ce systeme |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2618912B1 (fr) |
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