FR2859750A1 - DRILLING SYSTEM WITH ROTATING HEAD - Google Patents
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Abstract
L'installation de forage comprend :a) une machine de forage (10) comprenant un train de tiges (20) ; une tête rotative de coupe (22) ; des moyens mécaniques (48) de correction de trajectoire ; des moyens de détection (46) pour détecter une éventuelle erreur de trajectoire ; et des premiers moyens de transmission d'informations (52) entre la surface du sol et les moyens de détection ;b) une station intermédiaire (12) montée sur ou à proximité desdits moyens d'entraînement comprenant des premiers moyens émetteurs/récepteurs (54) reliés auxdits premiers moyens de transmission pour recevoir les informations délivrées par moyens de détection et pour transmettre des instructions moyens de correction ; etc) une station de contrôle (14) du fonctionnement de la machine de forage disposée à distance de ladite station intermédiaire comprenant des moyens de traitement des informations reçues de ladite station intermédiaire pour élaborer des instructions de commande de fonctionnement de la machine de forage, y compris éventuellement des moyens de correction de trajectoire.The drilling installation comprises: a) a drilling machine (10) comprising a drill string (20); a rotary cutting head (22); mechanical means (48) for trajectory correction; detection means (46) for detecting a possible trajectory error; and first information transmission means (52) between the ground surface and the detection means; b) an intermediate station (12) mounted on or near said drive means comprising first transmitter / receiver means (54 ) connected to said first transmission means for receiving the information delivered by detection means and for transmitting correction means instructions; etc) a control station (14) of the operation of the drilling machine arranged remotely from said intermediate station comprising means for processing the information received from said intermediate station to prepare instructions for controlling the operation of the drilling machine, including possibly including path correction means.
Description
La présente invention a pour objet une installation de forage par têteThe present invention relates to a drilling rig per head
rotative de coupe équipée de moyens de correction de trajectoire du forage. rotary cutter equipped with drilling path correction means.
De façon plus précise, la présente invention concerne une telle installation de forage qui peut être commandée automatiquement, notamment en ce qui concerne la correction des erreurs éventuelles de trajectoire du forage et notamment de verticalité. More specifically, the present invention relates to such a drilling installation that can be controlled automatically, in particular with regard to the correction of any errors in drilling trajectory and in particular verticality.
Lors de la réalisation de pieux forés à l'aide d'une tête de forage rotative entraînée par un train de tiges, de nombreux paramètres peuvent influer sur la verticalité du forage effectivement réalisé. Ces paramètres sont notamment I'inhomogénéité du terrain que rencontre à une même profondeur la tête de forage ou encore la rigidité nécessairement limitée du train de tiges. Lorsque le forage doit être réalisé à une grande profondeur, par exemple de l'ordre de 100 mètres, on comprend qu'une déviation même d'un angle réduit par rapport à la verticale peut entraîner une erreur de positionnement du fond du forage important. Or, dans un grand nombre de cas, il est impossible de tolérer de tels écarts, en raison des tolérances imposées par les spécifications de l'ouvrage. When drilling bored piles using a rotating drill head driven by a drill string, many parameters can affect the verticality of the drilling actually performed. These parameters include the inhomogeneity of the ground that meets at the same depth the drilling head or the necessarily limited rigidity of the drill string. When the drilling must be performed at a great depth, for example of the order of 100 meters, it is understood that a deviation even at a reduced angle relative to the vertical can cause a positioning error of the bottom of the borehole. However, in a large number of cases, it is impossible to tolerate such differences, because of the tolerances imposed by the specifications of the work.
Plus généralement, on peut être amené à réaliser des forages non verticaux, par exemple des forages présentant sur toute leur profondeur une inclinaison constatée par rapport à la verticale ou encore des forages comportant plusieurs portions, chaque portion présentant une inclinaison propre par rapport à la verticale. Dans ces situations, il est important que le forage effectué respecte l'inclinaison ou les inclinaisons définies par les spécifications de l'ouvrage. More generally, it may be necessary to carry out non-vertical drilling, for example drilling having their full depth an inclination noted relative to the vertical or drilling with several portions, each portion having a proper inclination relative to the vertical . In these situations, it is important that the drilling performed respects the inclination or inclination defined by the specifications of the structure.
Il est donc très souhaitable de disposer d'une installation de forage du type à tête rotative qui permette de corriger les erreurs éventuelles de trajectoire. It is therefore very desirable to have a drilling rig of the rotary head type which makes it possible to correct any errors of trajectory.
Dans le présent texte, par "erreur de trajectoire", il faut entendre le fait que le forage effectivement réalisé à l'aide de l'outil rotatif fait un angle avec le tracé prévu pour le forage. Le plus souvent, le tracé prévu du forage est vertical et on sera donc amené à détecter des erreurs de verticalité. In the present text, the term "trajectory error" means that the drilling actually carried out using the rotary tool is at an angle to the path planned for drilling. Most often, the planned path of the drilling is vertical and one will thus be led to detect errors of verticality.
On comprend également qu'il est très souhaitable que les moyens utilisés pour corriger cette erreur de trajectoire n'entraînent pas 2859750 2 des périodes d'indisponibilité de la tête de forage significatives. On comprend aussi qu'il est intéressant de disposer d'une installation de forage de ce type dans laquelle la correction d'erreur de trajectoire est réalisée automatiquement. It is also understood that it is highly desirable that the means used to correct this trajectory error do not result in significant periods of downtime of the drill head. It is also understood that it is advantageous to have a drilling rig of this type in which the error correction path is performed automatically.
On sait également que lors de forages à l'aide d'un outil rotatif de coupe, les paramètres de forage et, en particulier, la vitesse de rotation de l'outil et la vitesse linéaire de descente de l'outil, ainsi que la poussée appliquée à l'outil dépendent de la nature du sol rencontré si on souhaite avoir des caractéristiques de forage optimales. It is also known that during drilling using a rotary cutting tool, the drilling parameters and, in particular, the speed of rotation of the tool and the linear speed of descent of the tool, as well as the thrust applied to the tool depend on the nature of the soil encountered if one wishes to have optimum drilling characteristics.
On comprend donc qu'il est très souhaitable de pouvoir commander automatiquement ces paramètres de forage à partir par exemple d'un forage de test qui permettra d'identifier les différentes couches géologiques traversées, ou d'une table de corrélation entre ces paramètres. It is therefore understood that it is very desirable to be able to automatically control these drilling parameters from, for example, a test borehole that will make it possible to identify the different geological layers traversed, or a correlation table between these parameters.
Un objet de la présente invention est de fournir une installation de forage du type mentionné ci-dessus dans laquelle aussi bien les paramètres de forage que les éventuelles corrections d'erreur de trajectoire, notamment de verticalité, peuvent être mises en oeuvre automatiquement. An object of the present invention is to provide a drilling installation of the type mentioned above in which both the drilling parameters and any corrections of trajectory error, in particular of verticality, can be implemented automatically.
Pour atteindre ce but selon l'invention, l'installation de forage par tête rotative équipée de moyens de correction de trajectoire est caractérisée en ce qu'elle comprend: a) une machine de forage comprenant: un train de tiges; 25. une tête rotative de coupe montée à l'extrémité inférieure du train de tiges; des moyens d'entraînement disposés à la surface du sol pour provoquer la rotation du train de tiges et le déplacement vertical de celui-ci; 30. des moyens mécaniques de correction de trajectoire montés sur le train de tiges à proximité de la tête de coupe; des moyens de commande des moyens de correction; . des moyens d'orientation angulaire des moyens de correction; 2859750 3 des moyens de détection montés sur ladite tête de coupe pour détecter une éventuelle erreur de verticalité et l'orientation angulaire de ladite erreur; des moyens montés sur les moyens d'entraînement pour mesurer la vitesse de rotation du train de tiges et de la profondeur de la tête de coupe; et des premiers moyens de transmission d'informations entre la surface du sol et les moyens de commande et les moyens de détection; b) une station intermédiaire montée sur ou à proximité desdits 10 moyens d'entraînement comprenant: des premiers moyens émetteurs/récepteurs reliés auxdits premiers moyens de transmission pour recevoir les informations délivrées par moyens de détection et pour transmettre des instructions aux moyens de commande des moyens de correction; et 15. des deuxièmes moyens émetteurs/récepteurs reliés auxdits moyens de mesure et auxdits moyens d'entraînement en rotation et en déplacement vertical du train de tiges, pour recevoir les informations de mesure et émettre les instructions de déplacement; et c) une station de contrôle du fonctionnement de la machine de forage disposée à distance de ladite station intermédiaire comprenant: des moyens émetteurs/récepteurs pour recevoir et émettre des informations vers des troisièmes moyens émetteurs/récepteurs de ladite station intermédiaire; des moyens de traitement des informations reçues de ladite station intermédiaire pour élaborer des instructions de commande de fonctionnement de la machine de forage, y compris éventuellement des moyens de correction de verticalité ; et des moyens de mémorisation et d'affichage d'au moins certaines des informations traitées. To achieve this object according to the invention, the rotary head drilling rig equipped with trajectory correction means is characterized in that it comprises: a) a drilling machine comprising: a drill string; 25. a rotary cutting head mounted at the lower end of the drill string; drive means disposed on the ground surface for causing rotation of the drill string and vertical movement thereof; Mechanical path correction means mounted on the drill string near the cutting head; control means of the correction means; . angular orientation means of the correction means; Detecting means mounted on said cutting head for detecting a possible verticality error and the angular orientation of said error; means mounted on the drive means for measuring the rotational speed of the drill string and the depth of the cutting head; and first means for transmitting information between the ground surface and the control means and the detection means; b) an intermediate station mounted on or near said drive means comprising: first transmitter / receiver means connected to said first transmission means for receiving the information supplied by detection means and for transmitting instructions to the control means of the means correction; and 15. second transmitter / receiver means connected to said measuring means and to said means for rotating and vertically moving the drill string, for receiving the measurement information and transmitting the moving instructions; and c) a station for controlling the operation of the drilling machine disposed at a distance from said intermediate station comprising: transmitter / receiver means for receiving and transmitting information to third transmitter / receiver means of said intermediate station; information processing means received from said intermediate station for developing operating control commands of the drilling machine, possibly including verticality correction means; and means for storing and displaying at least some of the processed information.
Il découle de la définition précédente de l'invention que dans l'installation sont prévus des capteurs à la fois pour le contrôle des paramètres de forage et pour la détection éventuelle d'une erreur de trajectoire de forage en cours de réalisation. Ces mesures peuvent être effectuées périodiquement de telle manière que notamment en ce qui concerne la correction d'erreur de trajectoire, celle-ci puisse être appliquée très rapidement dès sa détection. It follows from the preceding definition of the invention that in the installation are provided sensors for both the control of the drilling parameters and for the possible detection of a drilling trajectory error in progress. These measurements can be carried out periodically in such a way that, in particular with regard to the error correction of trajectory, this can be applied very quickly as soon as it is detected.
On voit également que toutes les opérations de contrôle du forage sont gérées à distance automatiquement. Les personnels présents autour de la machine de forage peuvent donc se consacrer entièrement aux opérations manuelles par exemple, de changement de tige du train de forage ou de mise en place du tubage si le forage doit être équipé avec ces dispositifs. We also see that all drill control operations are managed remotely automatically. The personnel present around the drilling machine can therefore devote themselves entirely to manual operations, for example, changing the rod of the drill string or setting up the casing if the drilling is to be equipped with these devices.
On comprend aussi que, du fait que la commande automatisée est réalisée à partir d'une station de contrôle qui peut se trouver à une certaine distance de la machine de forage proprement dite, cette station de contrôle peut être installée à un endroit où sa mise en place est plus aisée. En outre, on comprend que la station de contrôle peut gérer simultanément plusieurs machines de forage. It is also understood that since the automated control is carried out from a control station which may be at a distance from the actual drilling machine, this control station may be installed at a place where it is in place is easier. In addition, it is understood that the control station can simultaneously manage several drilling machines.
De préférence, lesdits moyens de correction de trajectoire sont montés sur le train de tiges à proximité de la tête de forage et comportent une partie mobile apte à venir en appui sur la paroi du forage pour exercer une poussée horizontale sur ledit train de tiges lorsqu'ils sont à l'état actif. Preferably, said path correction means are mounted on the drill string near the drill head and comprise a movable part able to bear against the wall of the drill to exert a horizontal thrust on said drill string when they are in the active state.
Le patin appuie sur la paroi de forage ou sur le tubage, s'il y en a un, pendant que l'outil continue le forage, ce qui permet de corriger la 20 direction de forage. The pad presses against the drill wall or casing, if any, while the tool continues drilling, thereby correcting the drilling direction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1A est une vue simplifiée de l'ensemble de l'installation; - la figure 1B est une vue plus détaillée de la partie supérieure de la machine de forage; - la figure 2A est une vue en élévation de la partie inférieure du 30 train de forage montrant un mode de réalisation du mécanisme de correction de trajectoire; - la figure 2B est une vue selon la ligne BB de la figure 2A; - la figure 3 est une vue plus détaillée de la partie inférieure du mécanisme de correction de trajectoire; - les figures 4A et 4B montrent l'action du mécanisme de correction sur la trajectoire du forage; 2859750 5 - les figures 5A et 5B sont des vues de principe illustrant la détection d'erreur de trajectoire. Other characteristics and advantages of the invention will appear better on reading the following description of several embodiments of the invention given as non-limiting examples. The description refers to the appended figures in which: FIG. 1A is a simplified view of the entire installation; - Figure 1B is a more detailed view of the upper part of the drilling machine; Figure 2A is an elevational view of the lower portion of the drill string showing an embodiment of the path correction mechanism; - Figure 2B is a view along the line BB of Figure 2A; FIG. 3 is a more detailed view of the lower part of the trajectory correction mechanism; FIGS. 4A and 4B show the action of the correction mechanism on the trajectory of the borehole; FIGS. 5A and 5B are principle views illustrating path error detection.
En se référant tout d'abord à la figure 1A, on va décrire l'ensemble de l'installation de forage. Dans l'ensemble particulier décrit ci-après, le forage est vertical. Les éventuels erreurs de trajectoire sont donc des erreurs de verticalité. Celle-ci comprend une machine de forage 10 sur laquelle est montée une station intermédiaire 12 de transmission et de réception d'informations, et enfin une station de contrôle 14 disposée à distance de la machine de forage 10 et capable d'échanger des informations avec la station intermédiaire 12. Referring first to Figure 1A, the entire drilling rig will be described. In the particular set described below, the drilling is vertical. The possible errors of trajectory are thus errors of verticality. This comprises a drilling machine 10 on which is mounted an intermediate station 12 for transmitting and receiving information, and finally a control station 14 disposed at a distance from the drilling machine 10 and capable of exchanging information with intermediate station 12.
Dans l'exemple illustré par la figure 1A, le forage réalisé est équipé initialement d'éléments de tubage tels que 16 appelés en anglais "casing". Le plus souvent, ce tubage est mis en place dans une phase initiale correspondant au forage dans une couche supérieure meuble, ce forage initial n'étant pas réalisé avec l'outil rotatif présentement décrit. Cependant, l'installation pourrait concerner la réalisation de forage sans tubage. In the example illustrated by FIG. 1A, the borehole made is initially equipped with casing elements such as 16 called "casing". Most often, this casing is put in place in an initial phase corresponding to drilling in a loose top layer, this initial drilling not being performed with the rotary tool presently described. However, the installation could concern drilling without casing.
La machine de forage comprend un ensemble supérieur 18 de déplacement en rotation et en translation d'un train de tiges 20 à l'extrémité inférieure duquel est monté l'outil rotatif de coupe 22. L'outil de coupe 22 est en soi connu et il ne sera donc pas décrit plus en détail. The drilling machine comprises an upper assembly 18 for moving in rotation and in translation of a drill string 20 at the lower end of which is mounted the rotary cutting tool 22. The cutting tool 22 is in itself known and it will not be described in more detail.
L'ensemble de déplacement 18 constituant la partie supérieure de la machine de forage est monté, dans l'exemple décrit, sur une plate-forme 24 supportée par les éléments de tubage 16. L'ensemble de déplacement 18 comporte tout d'abord un ensemble 24 de déplacement vertical du train de tiges 20 schématisé par la plaque 26 associée à des moyens de guidage verticaux 28. Le déplacement vertical est assuré par des moyens moteur 30 associés à des moyens de commande 32. La tête de mise en rotation 34, portée par la plaque 26, pour entraîner en rotation le train de tiges est entraînée par un moteur 36 associé à des moyens de commande 38. Dans l'élément de déplacement 18 on trouve également un certain nombre de capteurs permettant de gérer le fonctionnement de l'outil de forage. On trouve par exemple un capteur 40 de mesure de vitesse de déplacement vertical, un capteur 42 de mesure de la vitesse de rotation, etc. De préférence, on prévoit également des capteurs de mesure de couple et des capteurs de mesure des efforts verticaux appliqués à l'outil de forage. L'outil de forage 22 est équipé de détecteurs d'erreur de verticalité 46. Ces détecteurs d'erreur de verticalité permettent non seulement de déterminer l'inclinaison de l'outil et donc une éventuelle erreur de verticalité mais également l'orientation angulaire de cette inclinaison par rapport à l'axe sensément vertical du forage. A proximité de l'outil 22, le train de tiges est équipé d'un système mécanique de correction d'erreur de verticalité 48 dont un mode de réalisation sera décrit ultérieurement. L'organe mécanique 48 de correction d'erreur de verticalité est associé à un ensemble de commande 50. Les détecteurs d'erreur de verticalité 46 et le système de commande 50 des moyens de correction d'erreur 48 sont reliés à des moyens de transmission d'information 52 qui sont par exemple du type filaire. Ces moyens de transmission à leur extrémité supérieure sont par exemple reliés à des contacts tournants tels que 53. D'autres moyens de transmission pourraient être utilisés. Les brevets FR 2 777 594 et FR 2 777 595 au nom de COMPAGNIE DU SOL décrivent des techniques de transmission d'informations utilisant le train de tiges comme moyen de transmission. The displacement assembly 18 constituting the upper part of the drilling machine is mounted, in the example described, on a platform 24 supported by the casing elements 16. The displacement assembly 18 comprises first of all a assembly 24 of vertical displacement of the drill string 20 shown schematically by the plate 26 associated with vertical guide means 28. The vertical displacement is provided by motor means 30 associated with control means 32. The rotating head 34, carried by the plate 26, for rotating the drill string is driven by a motor 36 associated with control means 38. In the displacement element 18 are also a number of sensors for managing the operation of the rod. drilling tool. For example, there is a vertical displacement velocity sensor 40, a rotational speed sensor 42, and so on. Preferably, torque measurement sensors and vertical force measurement sensors applied to the drill bit are also provided. The drilling tool 22 is equipped with verticality error detectors 46. These verticality error detectors not only make it possible to determine the inclination of the tool and therefore a possible verticality error, but also the angular orientation of the tool. this inclination with respect to the sensational vertical axis of the borehole. In the vicinity of the tool 22, the drill string is equipped with a mechanical vertical error correction system 48, an embodiment of which will be described later. The mechanical vertical error correction unit 48 is associated with a control unit 50. The verticality error detectors 46 and the control system 50 of the error correction means 48 are connected to transmission means information 52 which are for example of the wired type. These transmission means at their upper end are for example connected to rotating contacts such as 53. Other transmission means could be used. Patents FR 2 777 594 and FR 2 777 595 in the name of COMPAGNIE DU SOL describe information transmission techniques using the drill string as a means of transmission.
La station intermédiaire 12 montée sur la plate-forme 24 de la machine de forage reçoit les mesures effectuées par les différents capteurs- y compris-le- c-apteur--d'erreur -de--verticalité-46 -et transmet-des instructions de fonctionnement au circuit de commande des moteurs 30 et 36, ainsi qu'au circuit de commande 50 du système de correction d'erreur de verticalité 48. La station intermédiaire 12 est équipée de moyens de communication schématisée sur la figure 1A par l'antenne 54 pour dialoguer avec la station de contrôle 14 elle-même équipée d'une antenne 56. The intermediate station 12 mounted on the platform 24 of the drilling machine receives the measurements made by the various sensors including the vertical error-correction sensor and transmits them. operating instructions to the control circuit of the motors 30 and 36, as well as to the control circuit 50 of the verticality error correction system 48. The intermediate station 12 is equipped with communication means shown schematically in FIG. 1A by the antenna 54 for dialogue with the control station 14 itself equipped with an antenna 56.
Il va de soi que la station intermédiaire 12 pourrait ne pas être montée sur la machine de forage elle-même mais disposée à proximité de celle-ci. Cependant, la solution décrite permet de simplifier le câblage entre celle-ci et les différents composants de l'ensemble de déplacement 18 des trains de tiges. It goes without saying that the intermediate station 12 may not be mounted on the drilling machine itself but disposed near it. However, the solution described simplifies the wiring between it and the various components of the moving assembly 18 of the drill string.
Il va de soi que les échanges d'informations dans un sens et dans l'autre entre la station intermédiaire 12 et la station de contrôle 14 pourraient être d'une autre nature que hertzienne. Il pourrait par exemple s'agir de liaisons téléphoniques ou plus généralement de liaisons filaires. It goes without saying that the exchange of information in one direction and the other between the intermediate station 12 and the control station 14 could be of a different nature than hertzian. It could for example be telephone links or more generally wired links.
2859750 7 La station de contrôle 14 comporte des circuits d'émissionréception 58 permettant la mise en forme des informations reçues ou des informations à transmettre vers la station intermédiaire 12. La station de commande 14 est essentiellement constituée par une unité de traitement 60 associée à des moyens mémoire 62. L'unité de traitement 60 reçoit les différentes mesures réalisées dans la machine de forage par les différents capteurs et détecteurs et cette unité traite de ces informations pour délivrer en retour des instructions de commande des moteurs 30 et 36 de l'ensemble de déplacement 18 et des moyens de commande 50 du dispositif de correction d'erreur de verticalité. The control station 14 includes receiving transmission circuits 58 for shaping the information received or the information to be transmitted to the intermediate station 12. The control station 14 essentially consists of a processing unit 60 associated with memory means 62. The processing unit 60 receives the various measurements made in the drilling machine by the various sensors and detectors and this unit processes this information to deliver control commands of the motors 30 and 36 of the assembly in return. 18 and control means 50 of the verticality error correction device.
Les moyens en mémoire 62 stockent, d'une part, des programmes permettant la gestion de l'ensemble de la machine de forage à partir des mesures effectuées par les différents capteurs notamment pour la mise en oeuvre des étapes éventuelles de correction d'erreurs de verticalité et, plus généralement, pour l'adaptation des paramètres de forage aux conditions géologiques rencontrées et, d'autre part, éventuellement des données recueillies lors de forages test. The memory means 62 store, on the one hand, programs allowing the management of the whole of the drilling machine from the measurements made by the various sensors, in particular for the implementation of the possible steps of error correction. verticality and, more generally, for the adaptation of the drilling parameters to the geological conditions encountered and, on the other hand, possibly data collected during test drilling.
On comprend qu'ainsi l'intégralité de la commande de la machine de forage aussi bien pour ce qui concerne son adaptation aux différentes couches géologiques traversées que pour la correction des erreurs de verticalité est entièrement gérée par la station de contrôle 14. Ainsi, les opérateurs présents autour de la machine de forage 10 n'ont à se préoccuper que des opérations manuelles d'adjonction ou de suppression de tiges de forage ou encore de mise en place des éléments de tubage 16. It is thus understood that the entire control of the drilling machine both as regards its adaptation to the different geological layers traversed as for the correction of the verticality errors is entirely managed by the control station 14. Operators present around the drilling machine 10 have to be concerned only manual operations of adding or removing drill pipes or setting up the casing elements 16.
La figure 1B montre plus en détails les différentes liaisons qui existent entre les capteurs et organes de commande présents dans l'ensemble de déplacement des tiges 18 avec la station intermédiaire 12. FIG. 1B shows in greater detail the various connections that exist between the sensors and control members present in the rod displacement assembly 18 with the intermediate station 12.
En se référant maintenant aux figures 2A, 2B et 3, on va décrire un mode préféré de réalisation des moyens de correction de verticalité utilisables dans l'installation décrite en relation avec la figure 1. Referring now to FIGS. 2A, 2B and 3, a preferred embodiment of the verticality correction means used in the installation described with reference to FIG. 1 will be described.
Sur ces figures, on a représenté la tête de forage rotatif 22 fixée à l'extrémité inférieure 20a du train de tiges 20 ainsi que le dispositif de correction d'erreur de verticalité qui porte la référence générale 48. In these figures, there is shown the rotary drilling head 22 attached to the lower end 20a of the drill string 20 and the verticality error correction device which has the general reference 48.
Le dispositif de correction de verticalité 48 est constitué essentiellement par un patin d'appui 70 qui est monté à une première 2859750 8 extrémité de bras formant levier 72. La deuxième extrémité 72a des bras 72 est montée pivotante autour d'un axe 74 orthogonal à l'axe vertical XX' du train de tiges. L'axe 74 est constitué par exemple par deux paliers 74a, 74b alignés et montés sur une première bague 76 qui est libre en rotation autour du train de tiges 20a mais solidaire en translation de celui-ci. Ce résultat est obtenu par exemple en interposant entre la première bague 76 et le train de tiges des roulements adaptés aux conditions d'utilisation. Le déplacement du patin 70 est obtenu par le pivotement des bras 72 autour de l'axe 74. Ce pivotement est commandé par une deuxième bague 78 disposée en dessous de la première bague 76, cette bague 78 étant montée libre en translation sur le train de tiges 20a mais solidaire en rotation de celui-ci. La périphérie de la face inférieure 78a de la deuxième bague 78 reçoit les extrémités des tiges 80a de vérins 80 fixés verticalement sur la partie supérieure 22a de la tête rotative de forage 22. The verticality correction device 48 is essentially constituted by a support pad 70 which is mounted at a first lever arm end 72. The second end 72a of the arms 72 is pivotally mounted about an orthogonal axis 74. the vertical axis XX 'of the drill string. The axis 74 is constituted for example by two bearings 74a, 74b aligned and mounted on a first ring 76 which is free to rotate around the drill string 20a but integral in translation thereof. This result is obtained for example by interposing between the first ring 76 and the drill string of bearings adapted to the conditions of use. The displacement of the pad 70 is obtained by the pivoting of the arms 72 about the axis 74. This pivoting is controlled by a second ring 78 disposed below the first ring 76, this ring 78 being mounted free in translation on the train of rods 20a but integral in rotation thereof. The periphery of the lower face 78a of the second ring 78 receives the ends of the rods 80a of cylinders 80 fixed vertically on the upper part 22a of the rotary drilling head 22.
Le nombre de vérins 80 est déterminé pour permettre d'exercer de façon symétrique la poussée souhaitée sur la deuxième bague 78. Les vérins 80 permettent donc le déplacement en translation de la bague 78 le long de la tige 20a. La face supérieure 78b de la deuxième bague 78 comporte de préférence une périphérie chanfreinée 82 sur laquelle vient en contact un galet de préférence tronconique 84 monté rotatif autour d'un axe 86 qui est lui-même solidaire des bras 72. The number of cylinders 80 is determined to allow to exert symmetrically the desired thrust on the second ring 78. The cylinders 80 thus allow the displacement in translation of the ring 78 along the rod 20a. The upper face 78b of the second ring 78 preferably comprises a chamfered periphery 82 on which comes into contact a preferably frustoconical roller 84 rotatably mounted about an axis 86 which is itself integral with the arms 72.
Lorsque les tiges 80a des vérins 80 sont en position rentrée et donc que la deuxième bague 78 est en position basse, les bras 72 sont également en position basse et le patin d'appui est en retrait. When the rods 80a of the cylinders 80 are in the retracted position and therefore the second ring 78 is in the low position, the arms 72 are also in the low position and the support pad is set back.
En revanche, lorsque les tiges de vérin 80a sont en position haute, la bague 78 est elle-même en position haute et par l'intermédiaire du galet 84 les bras 72 pivotent vers le haut et le patin d'appui 70 vient au contact de la paroi du forage. On the other hand, when the cylinder rods 80a are in the high position, the ring 78 is itself in the high position and, by means of the roller 84, the arms 72 pivot upwards and the support pad 70 comes into contact with the wall of the borehole.
Il faut ajouter que, lorsque la bague 78 est en position basse et que donc les bras 72 sont également en position basse, un ergot 90 solidaire des bras 72 pénètre dans un trou borgne 92 aménagé dans la partie inférieure 20a du train de tiges. Par effet de gravité en position basse, le patin 70 et les bras 72 sont donc solidarisés en rotation par la coopération de l'ergot 90 et du trou borgne 92 sous l'effet de la gravité. Le trou borgne 92 constitue une position de référence angulaire pour le patin par rapport à l'axe vertical XX' de la tête rotative de forage. Au 2859750 9 contraire lorsque la bague 78 est en position haute l'ergot 90 sort du trou borgne 92 et grâce à la rotation du galet 86 sur le chanfrein 82 de la bague 78, le patin 70 est désolidarisé en rotation du train de tiges 20. Ainsi la tête de forage peut continuer à travailler alors que le patin 70 maintient son appui sur la paroi du forage dans la direction initiale. It should be added that, when the ring 78 is in the low position and therefore the arms 72 are also in the low position, a lug 90 integral with the arms 72 enters a blind hole 92 formed in the lower part 20a of the drill string. By gravity effect in the low position, the pad 70 and the arms 72 are secured in rotation by the cooperation of the lug 90 and the blind hole 92 under the effect of gravity. The blind hole 92 constitutes an angular reference position for the pad relative to the vertical axis XX 'of the rotary drilling head. At the opposite 2859750 9 when the ring 78 is in the high position the lug 90 out of the blind hole 92 and through the rotation of the roller 86 on the bevel 82 of the ring 78, the pad 70 is disengaged in rotation from the drill string 20 Thus the drilling head can continue to work while the pad 70 maintains its support on the wall of the borehole in the initial direction.
Avant de ramener le patin 70 dans sa position en retrait, le train de tiges est entraîné en rotation pour amener le trou borgne 92 en regard de l'ergot 90 de telle manière que le patin 70 puisse reprendre sa position de référence. Before bringing the shoe 70 back into its retracted position, the drill string is rotated to bring the blind hole 92 opposite the lug 90 so that the shoe 70 can return to its reference position.
Le fonctionnement du système de correction d'erreur de verticalité est le suivant: lorsque l'unité de traitement 60 détecte que l'information d'inclinaison de l'outil de coupe 22 est supérieure à un seuil prédéterminé, celle-ci active le programme de correction d'erreur de verticalité contenu dans l'ensemble de mémoire 62. L'outil de forage 22 est arrêté et la rotation du train de tiges est commandée pour amener le mécanisme de correction de verticalité 50 dans l'orientation angulaire fournie par le détecteur de verticalité 46. Cette position peut être détectée par un détecteur de position angulaire 100 monté dans l'ensemble des déplacements 18 de la machine de forage en regard d'une couronne indexée 102 solidaire en rotation du train de tiges. Lorsque le train de tiges a été amené dans la position requise l'unité de traitement 60 commande l'activation des vérins 80 du système de correction d'erreur de verticalité 48. Le patin 70 vient en appui contre la paroi du forage pour exercer son effet de correction et l'unité centrale 60 commande alors la remise en rotation du train de tiges 20. Cette situation est maintenue jusqu'à ce que l'information d'inclinaison délivrée par le capteur 46 via la station intermédiaire 12 devienne inférieure à une valeur prédéterminée indiquant que l'erreur de verticalité a été corrigée. L'unité de traitement 60 commande alors l'arrêt de la rotation du train de tiges et la désactivation des vérins 80 du système de correction de verticalité. Le patin 70 reprend ainsi sa position rentrée de référence et l'unité de traitement 60 commande alors la remise en rotation du train de tiges 20 dans les conditions définies précédemment. The operation of the verticality error correction system is as follows: when the processing unit 60 detects that the inclination information of the cutting tool 22 is greater than a predetermined threshold, this threshold activates the program vertical axis error correction contained in the memory assembly 62. The drilling tool 22 is stopped and the rotation of the drill string is controlled to cause the verticality correction mechanism 50 in the angular orientation provided by the vertical detector 46. This position can be detected by an angular position detector 100 mounted in the set of displacements 18 of the drilling machine facing an indexed ring 102 integral in rotation with the drill string. When the drill string has been brought to the required position, the processing unit 60 controls the actuation of the jacks 80 of the verticality error correction system 48. The shoe 70 bears against the wall of the drill to exert its force. correction effect and the central unit 60 then controls the re-rotation of the drill string 20. This situation is maintained until the tilt information delivered by the sensor 46 via the intermediate station 12 becomes less than one. predetermined value indicating that the verticality error has been corrected. The processing unit 60 then controls the stopping of the rotation of the drill string and the deactivation of the jacks 80 of the verticality correction system. The pad 70 thus resumes its reference retracted position and the processing unit 60 then controls the reversion of the drill string 20 under the conditions defined above.
L'unité centrale 60 avec ses programmes stockés dans les mémoires 62 peut également contrôler que les conditions de forage sont optimales par rapport au terrain. L'unité centrale peut soit modifier par 2859750 10 exemple la vitesse de rotation de l'outil et sa vitesse de descente en fonction de données relatives à la nature du terrain stockées lors de forage test. Elle peut également traiter les informations relatives à la vitesse de rotation, à la vitesse de descente et à la force, à la poussée exercée sur l'outil pour s'assurer que ces trois grandeurs vérifient des critères d'optimisation de forage dans le terrain rencontré. Si tel n'est pas le cas, l'unité centrale 60 peut modifier la vitesse de rotation ou la vitesse de descente verticale. The central unit 60 with its programs stored in the memories 62 can also control that the drilling conditions are optimal with respect to the terrain. The CPU may either change the rotational speed of the tool and its rate of descent based on data relating to the nature of the terrain stored during test drilling. It can also process information relating to the speed of rotation, the speed of descent and the force, the thrust exerted on the tool to ensure that these three variables verify criteria of optimization of drilling in the field meet. If this is not the case, the central unit 60 can change the rotational speed or the vertical descent rate.
Bien entendu, d'autres systèmes mécaniques de correction d'erreur de verticalité pourraient être utilisés dès lors qu'ils sont compatibles avec un outil de coupe rotatif. Of course, other mechanical verticality error correction systems could be used as long as they are compatible with a rotary cutting tool.
En ce qui concerne le détecteur d'erreur de verticalité 46, il peut être constitué de la manière suivante. Les figures 5A et 5B illustrent ce détecteur. Il comprend un premier inclinomètre 100 disposé radialement par rapport à l'outil et un deuxième inclinomètre 102 également radial et perpendiculaire au premier. Les deux inclinomètres sont proches de la périphérie de l'outil. Les mesures faites par les deux inclinomètres permettent de déduire l'inclinaison de l'outil et la direction angulaire de cette inclinaison. De préférence, on effectue une deuxième mesure après une rotation de 180 degrés de l'outil. C'est ce qu'illustrent les figures 5A et 5B. De préférence également, il est prévu un gyroscope afin de repérer l'orientation angulaire de l'outil pour pouvoir orienter ultérieurement correctement le patin 70 de correction de verticalité. With regard to the verticality error detector 46, it can be constituted in the following manner. Figures 5A and 5B illustrate this detector. It comprises a first inclinometer 100 arranged radially relative to the tool and a second inclinometer 102 also radial and perpendicular to the first. Both inclinometers are close to the periphery of the tool. The measurements made by the two inclinometers make it possible to deduce the inclination of the tool and the angular direction of this inclination. Preferably, a second measurement is performed after a 180-degree rotation of the tool. This is illustrated in Figures 5A and 5B. Also preferably, there is provided a gyroscope to locate the angular orientation of the tool to be able to properly later guide the pad 70 verticality correction.
Afin d'obtenir des mesures très fiables, il est préférable que la mesure de verticalité faite par les capteurs 46 soit réalisée lorsque la tige de forage 22 est à l'arrêt. Un des programmes stockés dans les moyens mémoire 62 concerne cette opération. A la périodicité de mesure de verticalité prévue, l'unité de traitement 60 commande l'arrêt du train de tiges et l'activation des capteurs de verticalité. Il commande également la rotation de 180 degrés du train de tiges pour effectuer la deuxième mesure. Si l'angle d'inclinaison mesuré est supérieur à la valeur prédéterminée, le programme de correction de verticalité décrit précédemment est mis en oeuvre. Dans le cas contraire, l'outil de forage 22 est remis en action. In order to obtain very reliable measurements, it is preferable that the measurement of verticality made by the sensors 46 is carried out when the drill rod 22 is at a standstill. One of the programs stored in the memory means 62 relates to this operation. At the expected verticality measurement periodicity, the processing unit 60 controls the arresting of the drill string and the activation of the verticality sensors. It also controls the 180 degree rotation of the drill string for the second measurement. If the measured angle of inclination is greater than the predetermined value, the verticality correction program described above is implemented. In the opposite case, the drilling tool 22 is reactivated.
Dans l'exemple de réalisation de l'invention décrit ci-dessus, on a envisagé le cas d'un forage vertical et les éventuelles erreurs de 2859750 11 trajectoires sont donc des erreurs de verticalité. Il va cependant de soi, comme on l'a déjà indiqué, que l'invention s'applique également à des forages non verticaux. Dans ce cas, les mesures d'angles fournies par les capteurs 46 sont comparées aux angles définissant la trajectoire de l'outil qu'il faut suivre pour être conforme aux spécifications de l'ouvrage. Si la différence entre les angles mesurés et les angles définissant la trajectoire est supérieure à une valeur prédéterminée, le système de correction de trajectoire, constitué par exemple par le système 48 représenté sur les figures 2A, 2B et 3 est activé. In the exemplary embodiment of the invention described above, the case of vertical drilling has been considered and the possible errors of 2859750 11 trajectories are thus verticality errors. It is however self-evident, as already indicated, that the invention also applies to non-vertical drilling. In this case, the angle measurements provided by the sensors 46 are compared to the angles defining the path of the tool that must be followed to comply with the specifications of the book. If the difference between the measured angles and the angles defining the path is greater than a predetermined value, the path correction system, constituted for example by the system 48 shown in Figures 2A, 2B and 3 is activated.
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