FR2862696A1 - Systeme et procede de capteur d'outil de forage - Google Patents

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Abstract

Un appareil et un procédé pour déterminer les forces exercées sur un outil de forage de fond de puits sont proposés. L'outil de forage de fond de puits est pourvu d'une masse-tige fonctionnellement connectable à l'outil de forage et d'un capteur monté autour de la masse-tige. Le capteur est adapté pour mesurer la déformation de la masse-tige de telle manière que les forces exercées sur l'outil de forage soient déterminées. Le capteur faire partie d'un système de mesure de force, un système de jauge de contrainte ou système de coulisse de forage. La masse-tige est adaptée pour amplifier et/ou isoler la déformation appliquée au train de tiges de forage.

Description

pour forer le long du trajet souhaité. En déterminant et en analysant les
forces exercées sur l'outil de forage, des décisions peuvent être prises pour faciliter et/ou améliorer le processus de forage. Ces
forces permettent également à un opérateur de forage d'optimiser les conditions de forage de sorte qu'un puits de forage puisse être foré d'une manière plus économique. La détermination des forces sur le trépan est importante parce qu'elle permet à un opérateur, par exemple, de détecter l'apparition de problèmes de forage et corriger des situations indésirables avant une défaillance d'une partie quelconque du système, telle que le trépan ou le ccrain de tiges de forage. Certains des problèmes qui peuvent être détectés en mesurant ces forces de fond de puits comprennent, par exemple, un moteur calé, un tuyau coincé et une tendance du BHA. Dans le cas où un tuyau est coincé, il peut être nécessaire de descendre un outil de "pêche" dans le puits de forage pour enlever le tuyau coincé.
Des techniques mettant en oeuvre des outils, tels que des coulisses de forage, ont été développés pour libérer un BHA coincé dans le puits de forage. Un exemple d'une telle coulisse de forage est décrit dans le brevet U.S. n 5 033 557 assigné au cessionnaire de la présente invention.
Les forces exercées sur l'outil de forage qui peuvent affecter l'opération de forage et sa position consécutive peuvent comprendre, par exemple, le poids au trépan ("WOB") et le couple au trépan ("TOB"). Le WOB décrit la force descendante que le trépan exerce sur le fond du puits de forage. Le TOB décrit le couple appliqué au trépan qui conduit à sa rotation dans le puits de forage. Un problème significatif lors du forage est la flexion, la flexion du train de tiges de forage ou les forces de flexion appliquées sur le train de tiges de forage et/ou la ou les masse- tige(s). La flexion peut résulter du WOB, du TOB ou d'autres forces de fond de puits.
Des techniques ont été développées pour mesurer le WOB et le TOB à la surface. Une telle technique utilise des jauges de contrainte pour mesurer des forces sur le train de tiges de forage près du trépan. Une jauge de contrainte est un petit dispositif résistif qui est attaché à un matériau dont la déformation doit être mesurée. La jauge de contrainte est attachée de telle manière qu'elle se déforma conjointement avec le matériau auquel elle est attachée. La résistance électrique de la jauge de contrainte change au fur et à mesure qu'elle est déformée. En appliquant un courant électrique à la jauge de contrainte et en mesurant la tension différentielle de part et d'autre de celle-ci, la résistance, et donc la déformation, de la jauge de contrainte peut être mesurée.
Un exemple d'une technique utilisant des jauges de contrainte est décrit dans le brevet U.S. 5 386 724 délivré à Das et al ("le brevet Das"), cédé au cessionnaire de la présente invention. Le brevet Das décrit une cellule de charge constituée d'un cylindre à paliers. Des jauges de contrainte sont positionnées sur la cellule de charge et la cellule de charge est située dans une poche radiale dans le train de tiges de forage. Lorsque le train de tiges de forage se déforme sous l'effet des forces de fond de puits, la cellule de charge est également déformée. Les jauges de contrainte sur la cellule de charge mesurent la déformation de la cellule de charge, qui est reliée à la déformation de la masse-tige. Comme décrit dans le brevet Das, la cellule de charge peut être insérée dans la masse-tige de telle manière que la cellule de charge se déforme avec la masse-tige.
Les figures 3A et 3B représentent la cellule de charge 300 décrite dans le brevet Das. La cellule de charge 300, comme décrit sur la figure 3A, a huit jauges de contrainte situées sur la surface annulaire 301. Les jauges de contrainte comprennent quatre jauges de contrainte de poids 311, :312, 313 et 314, et quatre jauges de contrainte de couple 321, 322, 323 et 324. Les jauges de contrainte de poids 311 à 314 sont disposées le long des axes vertical et horizontal et les jauges de contrainte de couple 321 à 324 sont disposées entre les jauges de contrainte de poids 311 à 314. La figure 3B représente la cellule de charge 300 disposée dans une masse-tige 331. Lorsque la masse-tige 331 est déformée sous l'effet de forces de fond de puits, la cellule de charge 300 disposée dans la masse- tige 331 est également déformée, ce qui permet que la déformation soit mesurée avec les jauges de contrainte.
D'autres exemples de cellules de charge et/ou jauges de contrainte sont décrits dans le brevet U.S. n 5 386 724 et la demande de brevet U.S. en instance n 10/064 438, tous deux cédés au cessionnaire de la présente invention. Les cellules de charge peuvent être typiquement constituées d'un matériau qui a une très faible contrainte résiduelle t est plus adapté pour la mesure par jauge de contrainte. De nombreux tels matériaux peuvent comprendre, par exemple, INCONEL X-750, INCONEL 718 ou d'autres, connus de l'homme du métier.
Malgré les avancées dans le domaine des jauges de contrainte, il persiste un besoin de proposer des techniques permettant d'effectuer des mesures précises dans des conditions de forage rigoureuses. Les capteurs conventionnels sont souvent sensibles à la flexion autour de l'axe de la masse-tige. De plus, les capteurs conventionnels sont souvent sensibles à des fluctuations de température souvent rencontrées dans le puits de forage, telles que des gradients sur la paroi de la masse-tige à l'emplacement du capteur et la température uniforme augmente a partir de la température ambiante.
Il est souhaitable qu'un système soit proposé qui est en mesure d'éliminer les interférences générées par les forces exercées sur le train de tiges de forage entre le trépan et la surface. Il est en outre souhaitable qu'une telle technique amplifie les déformations reçues afin de faciliter la mesure et/ou la manipulation. Il est préférable qu'un tel système soit capable de fonctionner avec une précision suffisante malgré les fluctuations de température rencontrées dans l'environnement de forage, et d'éliminer les effets de la pression hydrostatique sur les résultats des mesures. La présente invention est proposée pour répondre au besoin de développer des systèmes capables d'améliorer la fiabilité des mesures résultant de l'interférence du puits de forage, des problèmes de montage et/ou des fluctuations de température, entre autres.
Il est encore nécessaire, cependant, un capteur de charge plus précis et fiable ayant une longue durée de vie qui n'est pas affecté par les conditions de travail de forage.
Résumé de l'invention L'invention concerne un système de mesure de force pour un outil de forage. Ces systèmes constituent un moyen pour amplifier une déformation mécanique de la masse-tige et un élément de détection de déformation disposé sur le moyen pour amplifier la déformation mécanique.
Dans au moins un aspect, l'invention concerne un appareil pour mesurer les forces sur un outil de forage suspendu dans un puits de forage par l'intermédiaire d'un train de tiges de forage. L'appareil comprend une masse-tige pouvant être raccordée fonctionnellement au train de tiges de forage, la masse-tige étant adaptée pour amplifier la déformation résultant des forces exercées sur celle-ci. Le capteur est adapté pour mesurer la déformation de la masse--tige de telle manière que les forces exercées sur l'outil de forage soient déterminées. Dans différents aspects, l'invention peut concerner un système de mesure de force, un système de jauge de contrainte et un système de coulisse de forage.
Le système de mesure de force utilise une paire de plaques et un diélectrique, les plaques étant positionnés à distance l'une de l'autre avec le diélectrique entre elles. Le système peut utiliser un capteur capacitif, à transformateur différentiel à variation linéaire, à impédance, à réluctance à variation différentielle, à courant de Foucault et/ou inductif.
Le système de jauge de contrainte utilise une jauge de contrainte positionnée sur la masse-tige. Un manchon est positionné autour de la masse-tige. La masse-tige peut être pourvue d'une découpe partielle à travers celle-ci de telle manière que la masse-tige agisse comme un ressort, oa séparée en parties. Le manchon peut être utilisé pour raccorder des parties de la masse-tige. En variante, la jauge de contrainte peut être montée sur un logement positionné à l'intérieur de la masse-tige.
Le système de coulisse de forage comprend une masse-tige ayant des première et seconde parties et un élément élastique entre elles. Dans certains cas, un manchon est utilisé pour raccorder les parties et définissent une cavité ent:_e elles. Le capteur est adapté pour mesurer les variations de pression dans la cavité.
Dans un autre aspect, l'invention concerne un procédé de détermination d'une charge exercée sur un outil de forage. Le procédé comprend la détermination d'une propriété électrique d'un capteur disposé dans l'outil de forage lorsque la charge est appliquée à l'outil de forage et la détermination de l'intensité de la charge sur la base de la différence entre la propriété électrique du cap-:eur lorsque la masse-tige est dans un état de charge et la propriété électrique du capteur lorsque la massetige est dans un état relaxé. La propriété électrique du capteur est modifiée parce que la charge cause un changement de l'un choisi parmi la position relative d'un premier et un second élément du capteur et l'aire entre le premier et le second élément. Le procédé peut comprendre en outre la détermination de la quantité de déformation de l'outil de forage lorsque l'outil est dans un état de charge, la transmission des mesures des capteurs à la surface, l'analyse des mesures pour déterminer les forces exercées sur l'outil de forage et/ou la prise de décisions de forage sur la base des mesures analysées.
Dans un autre aspect, l'invention concerne un capteur de fond de puits pour mesurer la charge exercée sur un outil de forage suspendu dans un puits de forage par l'intermédiaire d'un train de tiges de forage. Le capteur comprend un premier élément de capteur positionné dans l'outil de forage et un second élément de capteur positionné dans l'outil de forage. Le premier élément de capteur et le second élément de capteur sont couplés à l'outil de forage de telle manière que l'une choisie parmi la position relative du premier et du second élément du capteur et l'aire entre le premier et le second élément soit modifiée lorsque l'outil de forage est soumis à la charge.
D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après et des revendications annexées.
Brève description des dessins
La figure 1 représente une coupe transversale partielle d'un système de forage comprenant un outil de forage avec un ensemble de fond de puits.
La figure 2 représente l'ensemble de fond de puits de la figure 1.
La figure 3A représente une vue plane d'une cellule de charge de l'art antérieur.
La figure 3B représente une vue plane de la cellule de charge de l'art antérieur de la figure 3A.
La figure 4A représente une coupe transversale longitudinale schématique d'un système de capteur de fond de puits qui peut être utilisé pour mesurer le WOB.
La figure 4B représente le système de capteur de fond de puits de la figure 4A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 5A représente une vue schématique d'un autre système de capteur de fond de puits qui peut être utilisé pour mesurer le TOB.
La figure 5B représente une coupe transversale radiale du système de capteur de fond de puits de la figure 5A.
La figure 5C représente le système de capteur de fond de puits de la figure 5A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 6A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer la flexion axiale.
La figure 6B représente le système de capteur de fond de puits de la figure 6A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 6C représente une coupe transversale radiale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer le TOB.
La figure 7A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer la flexion radiale.
La figure 7B représente le système de capteur de fond de puits de la figure 7A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 7C représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer la flexion radiale ayant des plates-formes montées sur la masse-tige pour soutenir des plaques diélectriques.
La figure 7D représente le système de capteur de fond de puits de la figure 7C, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 8A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer le WO3 utilisant des plaques parallèles à l'axe de force.
La figure 8B représente le système de capteur de fond de puits de la figure 8A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 9A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer le TOP comprenant des plaques conductrices qui se déplacent l'une face à l'autre.
La figure 9B représente une coupe transversale longitudinale du système de capteur de fond de puits de la figure 9A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 10A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits pour mesurer la flexion ayant des plaques conductrices qui tournent l'une par rapport à l'autre.
La figure 10B représente le système de capteur de fond de puits de la figure 10A, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 11A représente une vue en perspective tronquée d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de jauge de contrainte avec une découpe hélicoïdale.
La figure 11B représente une vue en perspective du système de capteur de fond de puits de la figure 11A.
La figure 11C est une coupe transversale d'une partie du système de capteur de fond de puits de la figure 11A.
La figure 11D est une coupe transversale longitudinale du système de capteur de fond de puits de la figure 11A.
La figure 12A est une vue en perspective d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de jauge de contrainte avec un élément central.
La figure 12B représente une coupe transversale d'une partie du système de capteur de fond de puits de la figure 12.
La figure 12C est une vue en perspective d'un 30 autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de jauge de contrainte avec une cellule de charge.
La figure 12D représente une coupe transversale longitudinale du système de capteur de fond de puits de la figure 12C.
La figure 13A est une vue en perspective d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de coulisse de forage.
La figure 13B représente une vue en coupe transversale d'une partie du système de capteur de fond de puits de la figure 13A.
La figure 13C représente une coupe transversale longitudinale du système de capteur de fond de puits de la figure 13A.
La figure 14A est une vue en perspective d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de coulisse de forage avec une chambre à fluide.
La figure 14B représente une coupe transversale 20 d'une partie du système de capteur de fond de puits de la figure 14A.
La figure 14C représente une coupe transversale longitudinale partielle du système de capteur de fond de puits de la figure 14A.
La figure 15 représente un organigramme décrivent un procédé de conduite de mesures de fond des forces exercées sur un outil de forage.
La figure 16A représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un transformateur différentiel à variation linéaire (LVDT).
La figure 16B représente une coupe transversale radiale du système de capteur de fond de puits de la figure 16A.
La figure 17 représente une coupe transversale radiale d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un LVDT avec une bobine et un noyau.
La figure 18A représente une coupe transversale radiale d'un autre système de capteur de fond de puits positionné dans le moyeu d'une masse- tige.
La figure 18B représente une coupe transversale longitudinale du système de capteur de fond de puits de la figure 18A.
La figure 18C représente le système de capteur de fond de puits de la figure 18B, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 18D représente le système de capteur de fond de puits de la figure 18A ayant des plaques de condensateur dans une position alignée.
La figure 18E représente le système de capteur de fond de puits de la figure 18D, une force étant appliquée à celui-ci.
La figure 19 représente un organigramme décrivant un procédé de détermination d'une propriété électrique d'un capteur.
La figure 20 représente une coupe transversale radiale d'un autre système de capteur de fond de puits pour déterminer les effets de la dilatation thermique et de la pression.
La figure 21 représente une coupe transversale radiale de la masse-tige d'un outil de forage ayant un revêtement thermique.
La figure 22 représente une coupe transversale longitudinale d'un autre système de capteur de fond de puits utilisant un système de capteur non capacitif.
Description détaillée
Les figures 1 et 2 décrivent un outil de forage et un environnement de puits de forage conventionnels. Comme décrit précédemment, l'outil de forage conventionnel comprend un train de tiges de forage 104 suspendu à un appareil de forage 101. Le train de tiges de forage est constitué d'une pluralité de masse-tiges (parfois appelées tiges de forage), raccordées par filetage pour former le train de tiges de forage. Chacune des masse-tiges a un passage à travers celle-ci (non représenté) pour l'écoulement des boues de forage depuis la surface vers le trépan. Certaines de ces masse-tiges, telles que le BiA 200 (figure 2) et/ou la masse-tige 107, sont pourvues de circuits, de moteurs ou d'autres systèmes pour effectuer des opérations de fond de puits. Dans la présente invention, une ou plusieurs de ces masse-tiges peuvent être pourvues de systèmes pour effectuer des mesures de fond de puits, telles que le WOB, le TOB et la flexion. Des paramètres supplémentaires concernant l'outil de forage et/ou l'environnement de fond de puits peuvent également être déterminés.
SYSTEMES DE DETECTION DE FORCE
Les figures 4A à 14C et 16A à 18E concernent différents systèmes de détection de force pouvant être positionnés dans une ou plusieurs massetiges pour déterminer les forces exercées sur l'outil de forage, telles que le WOB, le TOB et la flexion. Dans chacun de ces modes de réalisation, les systèmes sont positionnés sur, dans ou autour d'une masse-tige pour mesurer les paramètres souhaités.
Les figures 4A à 10B décrivent différents modes de réalisation d'un système capacitif comprenant des plaques conductrices l'une face à l'autre. Le système capacitif de ces figures est utilisé pour déterminer les forces exercées sur l'outil de forage, telles que le WOB, le TOB et la flexion. Les faces sont, de préférence, mais pas toujours, parallèles l'une à l'autre et perpendiculaires à la direction de charge.
Les figures 4A et 4B décrivent un système capacitif 400. Le système capacitif est disposé dans une masse-tige 402 pouvant être fonctionnellement raccordée à un train de tiges de forage conventionnel, tel que le train de tiges de forage 104, et utilisable dans un environnement de forage conventionnel, tel que l'environnement décrit sur les figures 1 et/ou 2. Le système capacitif 400 est utilisé pour mesurer la déformation causée par les forces WOB exercées sur un train de tiges de forage.
Le système capacitif 400 comprend deux plaques 404 et un diélectrique 406. De préférence, comme décrit sur les figures 4A et 4B, les plaques 404 et le diélectrique 406 sont positionnés dans un passage 408 s'étendant à travers la masse-tige 402. Le passage 408, utilisé pour l'écoulement des boues de forage à travers celui-ci, est défini par la surface interne 412 de la masse-tige 402. La surface interne 412 définit une plate-forme 407 capable de soutenir les plaques 404 et le diélectrique 406. Comme décrit sur les figures 4A et 4B, les plaques 404 et le diélectrique 406 sont en position colinéaire avec les forces WOB exercées sur la masse-tige 402. Les plaques 404 peuvent être montées dans la masse-tige 402 de telle manière qu'elles soient parallèles l'une à l'autre, ou l'une en face de l'autre à la distance définie L4.
Dans certains modes de réalisation présentement décrits, différentes plaques sont positionnées dans la masse-tige sur différents supports (dans certains cas décrits). Cependant, la configuration du support n'est pas destinée à limiter l'invention.
Les plaques 404 sont, de préférence, constituées d'un matériau conducteur, tel que l'acier ou un ou d'autre(s) métal(aux) conducteur(s). Les plaques 404 sont, en outre, de préférence, placées l'une face à l'autre à une distance L4 l'une de l'autre. Le diélectrique 406 peut être un diélectrique conventionnel quelconque et est positionné entre les plaques 404. Les plaques 404 sont positionnées de manière à leur permettre de présenter une propriété physique dérivée appelée capacité.
La capacité décrit la capacité du système de conducteurs et de diélectriques à stocker l'énergie électrique lorsqu'il existe une différence de potentiel. Dans un système simple, cette capacité, C, est reliée à l'aire des deux faces, A, la distance entre les deux faces, L, et la constante diélectrique du matériau entre les deux faces, Er, comme suit: C = E ErA LEquation 1 où ò est la constante diélectrique du vide. La constante diélectrique est reliée à la capacité d'un matériau à maintenir un champ électrique. Typiquement, la constante diélectrique est constante ou prévisible. Par conséquent, la capacité du système peut être modifiée en modifiant l'aire des faces ou la distance entre les faces.
La capacité est mesurée en appliquant un courant variable à l'une des faces et en mesurant la différence de potentiel résultante entre les faces. Celle-ci est caractérisée à l'aide de l'impédance Z du système définie comme suit: Z = L = 1 27TfCoErA 27tfCEquation 2 où f est la fréquence du courant variable. Présentement, ce concept est appliqué à la mesure des forces exercées sur un train de tiges de forage. Les forces exercées sur un train de tiges de forage conduisent le train de tiges de forage à se déformer. Cette déformation peut être transférée et captée en mesurant la variation de capacité entre deux plaques conductrices dans le train d'outils.
Le système capacitif peut être utilisé pour déterminer les forces exercées sur l'outil de forage, telles que le WOB, le TOB et la flexion, entre autres.
La déformation est transférée au dispositif de mesure par l'intermédiaire d'un élément porteur de charge déformable. La longueur de l'élément déformable est mesurée par la variation de distance entre les deux faces ou la variation de L. Certains capteurs de l'art antérieur, tels que la cellule de charge décrite dans le brevet Das (brevet U.S. n 5 386 724, décrit dans le Contexte), utilisent des jauges de contrainte pour mesurer la déformation de la masse-tige sous l'effet d'une charge. Les jauges de contrainte se déforment avec la masse-tige et la quantité de déformation peut être déterminée à partir de la variation de résistivité de la jauge de contrainte. La présente invention, cependant, utilise d'autres principes électriques, telles que la capacité, l'inductance et l'impédance, pour déterminer les forces qui sont exercées sur une massetige sur la base de la quantité de déformation subie par la masse-tige sous l'effet d'une charge.
La présente description utilise le mot "force" de manière générique pour désigner toutes les charges (par exemple, des forces, des pressions, des couples et des moments) qui peuvent être appliquées à un trépan ou un train de tiges de forage. Par exemple, l'utilisation du mot "force" ne doit pas être interprétée de manière à exclure un couple ou un moment. Toutes ces charges causent une déformation correspondante qui peut être mesurée en utilisant un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention.
La capacité du système 400 est définie par sa configuration. En référence à la figure 4A, les plaques de condensateur 404 ont chacune une zone de surface qui est face à l'autre plaque. Cela définit l'aire capacitive du système 400. De plus, les plaques de condensateur 404 sont séparées par une distance L4. Un matériau diélectrique entre les plaques de condensateur 404 a une permissivité électrique particulière E4. Ces paramètres sont combinés pour obtenir un capteur d'une capacité spécifique, qui peut être quantifiée en utilisant l'équation 1 ci-dessus.
La figure 4B représente le système 400 sous la charge du WOB. La massetige 402 se déforme - par compression - et la quantité de déformation est proportionnelle à l'intensité du WOB. La déformation par compression de la masse-tige 402 déplace les plaques de condensateur 404 l'une vers l'autre, de telle manière qu'elles soient séparées par une distance L'4. La distance L'4 sur la figure 4B est plus courte que la distance L4 sur la figure 4A en raison de la déformation par compression.
Les plaques 404 se déplacent l'une par rapport à l'autre parce qu'elles sont couplées à la masse-tige 402 à différents points axiaux le long de la masse-tige 402. Une déformation quelconque de la masse-tige 402 cause une variation correspondante de la distance L4 entre les plaques 404.
L'équation 1, ci-dessus, montre que la diminution de la distance entre les plaques de condensateur 404 (c'est-à-dire, de L4 à L'4) cause une augmentation de la capacité C du système 400. La détection de l'augmentation de capacité permet la détermination de la déformation, ce qui permet la détermination du WOB.
Dans certains cas, par exemple, lorsc.u'un ordinateur est utilisé pour calculer Le WOB, le WOB peut être déterminé à partir de la variation de capacité sans déterminer spécifiquement la déformation. De tels modes de réalisation ne s'écartent pas de la portée de l'invention.
Sur les figures 4A et 4B, les plaques 404 sont sensiblement parallèles l'une à l'autre. Dans d'autres modes de réalisation, les plaques peuvent ne pas être parallèles l'une à l'autre. I l apparaît=ra à l'homme du métier la conception d'autres configurations de plaques sans s'écarter de la portée de la présente invention.
Sur la figure 4B, les plaques de condensateur 404 sont agencées de manière sensiblement perpendiculaire à la direction dans laquelle le WOB agit (c'est-à-dire que les plaques 404 sont positionnées de manière sensiblement horizontale et le WOB est exercé sensiblement verticalement). Dans cet agencement, le déplacement des plaques de ccndensateur 404 est maximal pour la déformation du train de tiges de forage 402 due au WOB. Bien que cet agencement soit avantageux, il n'est pas requis par tous les modes de réalisation de l'invention.
Il apparaîtra que la description de la position relative des plaques l'unepar rapport à l'autre (par exemple, sensiblement paralèle) et la position des plaques par rapport à la direction de la charge à mesurer (par exemple, perpendiculaire) s'applique à d'autres modes de réalisation de l'invention. Comme décrit ci-après, d'autres capteurs peuvent avoir des plaques qui sont parallèles l'une à l'autre et perpendiculaires à la direction de la charge à mesurer. De plus, bien que de tels agencements soient avantageux, il apparaîtra qu'ils ne sont pas requis par tous les modes de réalisation de l'invention.
Dans certains cas, la capacité dans le système est déterminée en connectant le système dans un circuit avec une source d'alimentation alternative. à courant constant. Les variations de la tension de part et d'autre du capteur permettent la détermination de la capacité, sur la base de la valeur connue de la source de courant alternative.
Dans certains cas, la variation de tension entre les plaques de capteur est utilisée pour déterminer la variation de l'impédance du capteur. L'impédance, généralement désignée par Z, est l'opposition qu'un élément de circuit applique à un courant électrique.
L'impédance d'un condensateur est définie dans l'équation 2, ci-dessus. La variation d'impédance affecte la tension conformément à l'équation 3: V - I ZcAP Equation 3 où ZcAP est l'impédance du condensateur (par exemple, le système 400). Par conséquent, la variation de tension dans le système 400 indique une variation d'impédance, qui indique elle-même une variation de capacité. L'amplitude de la variation de capacité est liée à la déformation, qui est liée au WOB.
Un système de détection 400 peut être situé dans une masse-tige MWD (par exemple, 106 sur la figure 2) dans un BHA (par exemple, 200 sur la figure 2). Dans un autre agencement, un système est situé dans une masse- tige séparée, telle que la masse-tige 107 décrite sur les figures 1 et 2. L'emplacement du capteur dans un système de forage n'est pas destiné à limiter l'invention.
Un autre terme utilisé pour décrire des mesures qui sont effectuées durant le processus de forage est l'enregistrement en cours de forage ("LWD"). Comme il est connu dans l'art, LWD désigne généralement des mesures liées aux propriétés de la fcrmation et des liquides dans la formation. Par opposition à MWD, qui désigne généralement des mesures liées au trépan, telles que la température et la pression du puits de forage, WOB, TOB et la trajectoire du trépan. Etant donné qu'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention concernent la mesure de forces exercées sur un trépan, le terme "MWD" est utilisé dans cette description. Il doit être noté, cependant, que la distinction n'est pas prcpre à cette invention. L'utilisation de MWD n'est pas destinée à exclure l'utilisation de modes de réalisation de l'invention avec des outils de forage LWD.
La capacité est un exemple de technique associée au système de mesure de fond de puits. D'autres dispositifs de mesure de déplacement: sans contact peuvent également être utilisés à la place de la capacité, tels qu'un un capteur à transformateur différentiel à variation linéaire, à impédance, à réluctance à variation différentielle, à courant de Foucault et/ou inductif. De telles techniques peuvent être mises en oeuvre en utilisant deux bobines dans un logement pour former des éléments de détection et de compensation. Lorsque la face du capteur est amenée à proximité étroite d'un matériau ferreux ou très conducteur, la réluctance de la bobine de détection est modifiée, tandis que la bobine de compensation sert de référence. Les bobines sont excitées par une excitation à onde sinusoïdale à haute fréquence, et leur réluctance différentielle es: mesurée en utilisant un démodulateur sensible. La différence entre les sorties des deux bobines constitue une mesure sensible du signal de position, tout en corrigeant les variations causée par la température. Les cibles ferreuses modifient la réluctance des bobines de détection en altérant la perméabilité des circuits magnétiques; les cibles conductrices (telles que l'aluminium) fonctionnent par l'interaction de courants de Foucault induits dans la peau de la cible avec le champ autour de la bobine de détection. Une explication d'un exemple de formules et de théories concernant cette technologie est disponible au site Web suivant: hLtp://eb.ask.com/redIr?bba-httu sa 2 K. o om s2fw,b..>f 3deddy%lbcurrent,_bdispla. e._t 2b eesure ment t 26 3ci0 upage 3d3&q=eddy cursen':+disp1aceme;.t.+mea susement&u=btt 2 ftm.ivc.ask. com 2rr,:3fS 3c,a..2 3 a%2,uic - 3d0 155?039D9B 695.3126sic l3dlEC25699 2F885CZ F3 ide 3d2Ah575684BFE7F46ABCD1"; 4420281ABA%266eS3d8.26sv 3dza5cbOd89.,26ask 3deddy.2bcurrent 2bdisplaceTM:ent 2bn-Le asurement%26uip 3dd8886712%2E n::dte-26eoSs3d- Jr 3dSensors>2b-%2bSeptember%2b19 2b2bDesigning%2bandl2bBuildinc%2ban%2bEddy,2bCurren 26a c_3d24>26gs3d__; 26pg 1%26ep%3dl%26te par%3d:0426u33d http'3a 2f%2fwww.sensorsmag. com%2fart clFis 2fO99Bs2fedd 09 f airi. stT: l z s=a&bu-=nt _p 3a. f. ..Am. sensa,r sma:; . mi 2fO9c2fedd2 9 8 _'fma.n.shtml Le site Web décrit ui capteur à courant de Foucault et son utilisation pour la mesure de position et de déplacement sans contact. Fonctionnant selon le principe d'induction magnétique, un capteur à courant de Foucault peut mesurer la position d'une cible métallique, même à travers des matériaux non métalliques interposés, tels que des plastiques, des fluides opaques et des salissures. Les capteurs de courant de Foucault sont robustes et peuvent fonctionner dans de larges plages de température dans des environnements contaminés.
Typiquement, un capteur de déplacement à courant de Foucault comprend quatre composants: (1) une bobine de détection; (2) une cible; (3) l'électronique de commande; et (4) un bloc de traitement de signal. Lorsque la bobine de détection est excitée par un courant alternatif, elle génère un champ magnétique oscillatoire qui induit des courants de Foucault dans un objet métallique proche (c'est-à-dire, la cible). Les courants de Foucault circulent dans une direction opposée à celle de la bobine, réduisant le flux magnétique dans la bobine et donc, son inductance. De plus, les courants de Foucault dissipent l'énergie, ce qui augmente la résistance de la bobine. Ces principes électriques peuvent être utilisés pour déterminer le déplacement de la cible par rapport à la bobine.
Un exemple de la théorie relative au capteur LVDT et son fonctionnement est disponible sur le site Web suivant: http://www.macrosensors. com/primerframe.htm Dans la partie concernée, le site Web ci-dessus indique qu'un transformateur différentiel à variation linéaire ("LVDT") est un émetteur-récepteur électromécanique qui peut convertir un déplacement rectiligne en signal électrique. Suivant le système particulier, un LVDT peut être sensible à des mouvements aussi petits que quelques fois 25,4 nm (quelques millionièmes de pouce).
Un LVDT type comprend une bobine et un noyau. L'ensemble de noyau consiste en un enroulement primaire au centre de l'ensemble de bobine et deux enroulements secondaires de chaque côté de l'enroulement primaire. Typiquement, les enroulements sont formés sur du verre thermiquement stable et enveloppés dans un blindage magnétique à perméabilité élevée. L'ensemble de bobine est typiquement la section stationnaire d'un capteur LVDT.
L'élément mobile d'un LVDT est le noyau, qui est typiquement un élément cylindrique qui peut se déplacer dans l'ensemble de bobine avec un certain dégagement radial. Le noyau est généralement constitué d'un matériau magnétiquement très perméable.
En fonctionnement, l'enroulement primaire est excité avec un courant électrique alternatif, appelé excitation primaire. La sortie électrique du LVDT est une tension différentielle entre les deux enroulements secondaires, qui varie suivant la position axiale du noyau dans l'ensemble de bobine.
L'enroulement primaire du LVDT est excité par une source alternative à amplitude constante. Le flux magnétique développé est couplé par le noyau aux enroulements secondaires. Si le noyau est déplacé plus près du premier enroulement secondaire, la tension induite dans le premier enroulement secondaire augmente, tandis que la tension induite dans l'autre enroulement secondaire est réduite. Cela résulte en une tension différentielle.
Les figures 5A à 5C représentent cette application capacitive pour un dispositif de mesure de type TOB.
Les figures 5A à 5C décrivent un autre mode de réalisation d'un système capacitif 500. Ce système 500 est le même que le système 400, sauf que le système 500 comprend des plaques ccnductrices 504 et un diélectrique 506 dans une autre configuration soumis à des forces de rotation TOB. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 502 et la force TOB est transférée par l'intermédiaire de l'axe de la masse-tige.
Dans le système capacitif 500 décrit sur les figures 5A à 5C, les plaques 504 sont montées le long de la surface interne de la masse-tige 502 sur un support ou montage (non représenté). Chaque plaque 504 est montée à différentes positions radiales et elles s'étendent radialement vers l'intérieur dans la direction du centre de la masse-tige 502. Les plaques 504 sont positionnées de telle manière que, lorsque l'outil tourne, les plaques 504 se déplacent le long de l'axe de la masse-tige. En d'autres termes, lorsque l'outil tourne, la distance L5 entre les plaques 504 s'étend et se rétracte en réponse aux forces TOB appliquées. La figure 5B est une coupe transversale le long de la ligne 5B-5B sur la figure 5A. La figure 5B représente la distance L5 entre les plaques parallèles 504 dans leur position initiale. La figure 5C représente la distance L'5 entre les plaques parallèles 504 une fois que la force TOB de rotation est appliquée. Dans ce cas, L'5 est supérieur à L5.
Les figures 6A et 6B représentent cette application capacitive pour un dispositif de mesure de type flexion. Les figures (;A et 6B représentent un autre mode de réalisation d'un système capacitif 600. Ce système 600 est le même que le système 400, sauf que le système 600 comprend des plaques conductrices 604 et un diélectrique 606 dans une autre configuration soumis à une flexion axiale. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 602 et la flexion est transférée en tant que moment le long de l'axe de la masse-tige 602.
Dans le système capacitif 600 décrit sur la figure 6A, les plaques 604 sont montées le long de la surface interne de la masse tige 602 à une distance L6 l'une de l'autre le long de l'axe central de la masse- tige 602. Les plaques 604 sont positionnées perpendiculairement à l'axe de masse-tige 602 de telle manière que, lorsque l'outil est fléchi, les plaques 604 se déplacent en réponse, comme décrit sur la figure 6B. En d'autres termes, lorsque l'outil est fléchi, la distance L6 entre les plaques 604 s'étend et se rétracte en réponse aux forces de flexion appliquées. La figure 6B décrit le système 600 et la distance résultante L'6 entre les plaques 604 une fois que la force de flexion est appliquée.
L'un ou plusieurs des systèmes décrits ci-dessus sont situés le long de l'axe d'une masse-tige. A cet emplacement, les systèmes de capteurs sont sensibles aux déformations résultant du WOB. Dans certains cas, ils peuvent présenter l'avantage supplémentaire de ne pas être sensibles à la flexion. Avec le système de capteur de la figure 4A, par exemple, l'effet du WOB sera de déplacer toutes les parties des plaques de condensateur 404 les unes vers les autres. Si la masse- tige 402 fléchissait, cependant, l'effet serait de déplacer les plaques 404 les unes vers les autres sur une moitié du capteur 400 et les éloigner les unes des autres sur l'autre moitié du capteur 400. Cet effet annule l'effet de la flexion, ce qui rend le capteur 400 sensiblement insensible à la flexion.
Les figures 6A et 6B, décrites ci-dessus, représentent un système 600 qui est situé à l'écart de l'axe de la masse-tige 602. Au lieu de cela, le système 600 est situé à une position telle qu'il soit capable de détecter une flexion du train de tiges de forage.
La figure 6C représente une coupe transversale radiale d'une autre massetige 602a. La masse-tige 602a est la même que sur les figures 6A et 6B, sauf que la masse-tige 602a comprend trois systèmes de masse-tige 610, 620, 630. Chaque système de masse-tige 610, 620, 630 sur la figure 6C est situé dans une lame 603a, 603b, 603c de la masse-tige 602a et est capable de détecter des charges de fond de puits. Une partie centrale ou moyeu 607 de la masse tige 602a peut contenir d'autres capteurs ou matériel. Lorsque la masse-tige 602a subit une déformation par compression, due au WOB, par exemple, les systèmes 610, 620, 630 subiront chacun une variatio:z de capacité. Lorsque la masse-tige 602a est fléchie, cependant, au moins l'un des systèmes 610, 620, 630 subit une augmentation de la distance entre les plaques (par conséquent, une diminution de capacité), et au moins l'un des systèmes 610, 620, 630 subit une diminution de la distance entre les plaques (par conséquent, une augmentation de capacité). Suivant la direction de la flexion, le troisième capteur peut subir une compression ou une dilatation due à la flexion. L'utilisation des trois systèmes 610, 620, 630 dans une masse- tige 602a permet la détermination simultanée du WOB et de la flexion.
Les figures 7A à 7D représentent cette application capacitive pour un autre dispositif de mesure de type flexion. Les figures 7A et 7B décrivent un autre mode de réalisation d'un système capacitif 700. Ce système 700 est le même que le système 600, sauf que le système comprend une plaque conductrice 704 et un diélectrique 706 dans une autre configuration soumis à des forces de flexion radiales. De plus, une plate-forme 710 est positionnée dans la masse-tige pour soutenir les plaques 704. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 702 et la flexion est transférée en tant que moment le long de l'axe de la masse-tige.
Dans le système capacitif 700 décrit sur la figure 7A, les plaques 704 sont montées sur la plate-forme 710 positionnée dans le passage 708. La plate- forme 710 a une partie de base 716 montée sur la surface interne 712 de la masse-tige 702 et une partie d'arbre 714 s'étendant depuis la partie de base 716 le long de l'axe central de la masse-tige 702. L'une des plaques 704 est positionnée sur l'arbre central 714, une autre plaque 704 est positionnée sur la surface interne 712 à une distance L7 de la première plaque. Les plaques 704 sont positionnées parallèlement à l'axe de masse-tige de telle manière que, lorsque l'outil est fléchi, les plaques 704 se déplacent en réponse comme décrit sur la figure 7B. En d'autres termes, lorsque l'outil est fléchi, la distance L7 entre les plaques 704 s'étend et se rétracte en réponse aux forces de flexion radiales appliquées. Comme décrit sur la figure 7B, une force de flexion appLiquée à la masse-tige 702 décale la position de la masse-tige 702 et la plate- forme 710 conjointement avec les plaques respectives 704 positionnées sur celles-ci. La distance L'7 résulte du déplacement du système 700.
Les figures 7C et 7D décrivent un autre mode de réalisation d'un système capacitif 700a. Ce système 700a est le même que le système 700, sauf que le système 700a comprend des plaques conductrices 704a et un diélectrique 706a dans une autre configuration soumis à une flexion radiale. De plus, une plate-forme 710a et un support 720a sont positionnés dans la massetige pour soutenir les plaques 704a. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 702a.
Dans le système capacitif 700a décrit sur la figure 7C, les plaques 704a sont montées sur la plate- forme 710a positionnée dans le passage 708a. La plate-forme 710a a une partie de base 716a montée sur la surface interne 712a de la masse-tige et une partie d'arbre 710a s'étendant depuis la partie de base le long de l'axe central de la masse-tige. L'une des plaques 704a est positionnée sur l'arbre central, une autre plaque 704a est positionnée sur le support 720 monté sur la surface interne 712a à une distance L7A de la première plaque avec une aire projetée A7A entre elles. Les plaques 704a sont positionnées perpendiculairement à l'axe de masse-tige de telle manière que, lorsque l'outiest fléchi, les plaques 704a se déplacent parallèlement l'une à l'autre en réponse comme décrit sur la figure 7D. En d'autres termes, lorsque l'outil est fléchi, la distance L7A entre les plaques 704 s'étend et se rétracte en réponse aux forces de flexion radiales appliquées. De plus, le déplacement parallèle des plaques modifie l'aire entre les plaques à A'7A. Comme décrit sur la figure 7D, une flexion appliquée à la masse-tige 702a décale la position de la masse-tige 702a et la plate-forme conjointement avec les plaques respectives positionnées sur celles-ci. La distance L'7A et l'aire A'7A résultent du déplacement du système.
En référence ci-après aux figures 8A et 8B, un mode de réalisation d'un système capacitif ayant des plaques conductrices parallèles l'une à l'autre et placées parallèlement à l'axe de charge est décrit. La déformation est mesurée pa:: la variation d'aire de projection entre les deux plaques:Lorsqu'elles se déplacent l'une par rapport à l'autre. Ces figures représentent l'application capacitive pour un dispositif de mesure de type WOB. Les figures 8A et 8B décrivent un autre mode de réalisation d'un système capacitif 800. Ce système 800 est le même que le système 400, sauf que le système 800 comprend des plaques conductrices 804 et un diélectrique 806 dans une autre configuration. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 802 et la force WOB est transférée par l'intermédiaire de l'axe de masse-tige.
Dans le système capacitif 800 décrit sur la figure 8A, les plaques 804 sont montées sur une plate-forme 810 positionnée dans un passage 808 défini par la surface interne 812 de la masse-tige 802. La plate-forme 810 soutient les plaques 804 dans celle-ci avec une aire A8 entre elles. Les plaques 804 sont positionnées de telle manière que, lorsqu'un WOB est appliqué à l'outil, les plaques 804 se déforment le long de l'axe de masse-tige en réponse. En d'autres termes, lorsque l'outil est:omprimé ou étendu, l'aire A8 entre les plaques 804 varie en réponse aux forces WOB appliquées. La déformation est mesurée par la déformation des plaques conductrices 804 se déformant proportionnellement à la déformation de l'élément porteur de charge. Comme décrit sur la figure 8B, la face est alors déformée en rapport avec la déformation de l'élément porteur de charge résultant en une aire modifiée A18.
En référence ci-après aux figures 9A à 10B, un mode de réalisation d'un système capacitif ayant des plaques conductrices parallèles l'une à l'autre et se déplaçant dans une direction opposée l'une par rapport à l'autre est décrit. La déformation est mesurée par la variation d'aire de projectiDn entre les deux plaques lorsqu'elles se déplacent l'une devant l'autre. Les figures 9A et 9B représentent cette application pour un dispositif de mesure de type TOB. La figure 9 décrit un autre mode de réalisation d'un système capacitif 900. Ce système 900 est le même que le système 400, sauf que le système 900 comprend une plaque conductrice 904 et un diélectrique 906 dans une autre configuration. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la masse-tige 902 et la force TOB est transférée par l'intermédiaire de l'axe de masse-tige.
Dans le système capacitif 900 décrit sur les figures 9A et 9B, une plate-forme 910 est positionnée dans un passage 908 défini par la surface interne 912 de la masse-tige 902. La plate-forme 910 est montée sur la surface interne 912 et s'étend à travers le passage 908 de la masse-tige 902. Une première plaque est positionnée sur la plate-forme 910 et la seconde plaque est en position adjacente à la première plaque sur la surface interne 912 de la masse-tige 902. Les plaques 904 sont, de préférence, parallèles avec une aire A9 entre elles. Les plaques 904 sont positionnées de telle manière que, lorsqu'un TOB est appliqué à l'outil, la masse-tige 902 se déforme radialement et les plaques se déplacent en rapport avec la déformation en réponse à celle-ci. En d'autres termes, lorsque des forces sont appliquées à la masse-tige 902, les plaques 904 tournent l'une par rapport à l'autre autour de l'axe de masse-tige en réponse aux forces TOB appliquées. La déformation de la masse-tige 902 est ensuite mesurée par la variation d'aire projetée de chevauchement du capteur. L'aire de chevauchement varie en réponse à la déformation de la masse-tige. La figure 9A décrit la position des plaques et l'aire A9 entre les plaques 904 avant que le TOB soit appliqué. La figure 9B décrit la position des plaques et l'aire A'9 entre les plaques 904 avant que le TOB soit appliqué.
Les figures 10A et 10B représentent cette application capacitive pour un dispositif de mesure de type à flexion. La figure 10 décrit un autre mode de réalisation d'un système capacitif 1000. Ce système 1000 est le même que le système 400, sauf que le système 1000 comprend une plaque conductrice 1004 et un diélectrique 1006 dans une autre configuration. Dans ce mode de réalisation, l'élément porteur de charge est la massetige 1002 et la flexion est transférée en tant que moment le long de l'axe de masse-tige.
Dans le système capacitif 1000 décrit sur les figures 10A et 10B, les plaques 1004 sont montées sur une plate-forme 1010 positionnée dans un passage 1008 défini par la surface interne 1012 de la masse-tige 1002. La plate-forme 1010 soutient les plaques 1004 dans celle-ci avec une aire Alo entre elles. Les plaques 1004 sont positionnées de telle manière que, lorsqu'une flexion est appliquée à l'outil, les plaques 1004 se déforment radialement par rapport à l'axe de masse-tige en réponse à celle-ci. En d'autres termes, lorsque l'outil est fléchi, les plaques 1004 tournent l'une par rapport à l'autre autour du moment de flexion et l'aire Alo est modifiée en réponse aux forces de flexion appliquées. La déformation de la masse-tige 1002 est ensuite détectée par la variation d'aire projetée de chevauchement du capteur. L'aire de chevauchement varie en réponse à la déformation de la masse-tige 1002.
Comme décrit sur les figures 4A à 10B, le système capacitif est contenu dans une seule masse-tige.
Cependant, le système peut être positionné à d'autres positions dans l'outil de forage, ou dans des masse-tiges multiples. De plus, plus d'un système peut être contenu dans une seule masse-tige et/ou positionné pour effectuer des mesures de plus d'un type de force.
D'autres capteurs peuvent être combinés dans l'un ou plusieurs de ces systèmes pour effectuer des mesures comprenant, par exemple, des pressions, température, densité, pression manométrique, pression différentielle, choc transversal, choc roulant, vibration, tourbillonnement, tourbillonnement inverse, broutage, rebond, accélération et profondeur de fond de puits, entre autres. Des émetteurs, des ordinateurs ou d'autres dispositifs peuvent être reliés aux capteurs pour permettre la communication des mesures à la surface (de préférence, à des débits de données élevés), l'analyse, la compression ou un autre traitement pour générer des données et permettre une action en réponse à celles-ci.
JAUGE DE CONTRAINTE
Les figures 11A à 12B décrivent différents systèmes de jauge de contrainte utilisables dans un outil de forage. Chacun de ces modes de réalisation incorpore une masse-tige connectable à un train de tiges de forage, tel que le train de tiges de forage des figures 1 et 2, pour mesurer des forces de fond de puits, telles que le WOB, le TOB et la flexion, sur un outil de forage.
Les figures 11A à 11D décrivent un système de jauge de contrainte 1100 comprenant une masse-tige 1102 ayant une découpe ou espacement hélicoïdal 1106 à travers celle-ci, et une jauge de contrainte 1104. La masse-tige 1102 peut être pourvue d'extrémités filetées (non représentées) pour raccordement fonctionnel à un train de tiges de forage, tel que le train de tiges de forage des figures 1 et 2.
La découpe hélicoïdale 1106 dans la masse-tige est utilisée pour amplifier les forces appliquées à la masse-tige et/ou réduire l'effet de la pression hydrostatique sur les valeurs de mesure. La force axiale exercée sur la masse-tige due au poids au trépan peut être transformée en un moment de torsion. La contrainte de cisaillement due au moment de torsion peut être mesurée et est une fonction linéaire du poids appliqué dans la direction de l'axe de la masse-tige.
L'espacement 1106 s'étend, de préférence, autour d'une partie centrale de la masse-tige pour séparer partiellement la masse-tige en une partie supérieure 1108, une partie inférieure 1110 et une partie centrale 1111 entre celles-ci. L'espacement s'étend à travers la paroi de la masse-tige pour permettre une plus grande déformation de la masse-tige en réponse aux forces résultant en un mouvement de ressort. De préférence, comme décrit par les lignes pointillées sur la figure 11A, une partie de la masse-tige reste unie aux sections 1120 et 1122 pour fixer les parties de la masse-tige conjointement. Comme décrit sur la figure 11B, l'espacement est disposé hélicoïdalement autour d'une partie centrale de la masse-tige. Cependant, d'autres géométries ou configurations sont envisagées.
Avec l'espacement, la capacité de la masse-tige à transférer le couple nécessaire pour le forage peut être réduite. Pour produire le couple nécessaire, un manchon de charge est fixé à la masse-tige. Comme décrit sur les figures 11C et 11D, un manchon 1112 est positionné, de préférence, autour de la masse-tige le long de l'espacement. Le manchon 1112 comprend une partie externe 1114, un manchon 1116, des bagues filetées 1118 et une clé de transmission de couple 1120. Un contre-écrou 1115 peut également être disposé pour fixer le manchon à la masse-tige. Des joints d'étanchéité 1123 sont également disposés pour empêcher l'écoulement de fluide à travers le manchon. Le manchon 1116 est, de préférence, monté sur l'intérieur de la masse-tige le long de l'espacement.
La partie externe 1114 est disposée autour de la surface externe de la masse-tige pour contribuer à fixer les parties de la masse-tige conjointement. La partie externe transmet le couple appliqué à la massetige et réduit les forces axiales. La partie externe peut également empêcher la Noue de s'écouler dans la masse-tige à travers l'espacement. La partie interne 1116 est positionnée le long de la surface interne de la masse-tige pour isoler la masse-tige des boues de forage. La partie interne isole également la masse-tige des fluctuations de température. Les bagues filetées 1118 et le contre-écrou 1115 sont positionnés sur les surfaces interne et externe de la masse-tige, adjacents aux parties du manchon pour fixer le manchon en place autour de la masse-tige.
Les clés de transmission de couple 1120 sont, de préférence, positionnées autour de la surface externe de la masse-tige adjacente à la partie externe. Une première clé transmet le couple de la partie supérieure de la masse-tige au manchon. La deuxième clé transmet le couple du manchon à la masse-tige inférieure. Les clés sont, de préférence, disposées pour permettre un mouvement axial et/ou séparer les écoulements de boue interne et externe. Une jauge de contrainte 1104, telle qu'une jauge de contrainte à feuille
métallique, est, de préférence, positionnée à 45 degrés par rapport à l'axe de la masse-tige pour mesurer les contraintes de cisaillement qui sont une fonction du WOB, du TOB et de la flexion destinés à être mesurés.
Les figures 12A et 12B décrivent une autre configuration possible d'un système de jauge de contrainte 1200 comprenant une masse-tige 1202, un élément central 1208 et un manchon de pression 1203. Dans ce mode de réalisation, les forces normalement appliquées à la masse-tige lors de l'opération de forage sont appliquées à l'élément central. L'élément central raccorde une première partie 1214 et une deuxième partie 1216 de la masse-tige. L'élément central a, de préférence, une section transversale plus petite que la masse-tige pour amplifier les déformations subies lorsqu'une force est appliquée à la masse-tige et/ou l'élément central.
L'élément central 1208 comprend une gaine externe 1206, une gaine interne 1204, des joints d'étanchéité 1212, un contre-écrou 1219 et des jauges de contrainte 1211. L'élément central 1208 est raccordé fonctionnellement entre une première partie 1214 et une deuxième partie 1216 de la massetige 1202. La connexion est, de préférence, non séparable, de telle manière que la première partie, l'élément central et la deuxième partie forment un composant unique. Une autre possibilité est de fabriquer une partie de la masse-tige et l'élément central en une pièce unitaire et raccorder la deuxième partie de la masse-tige avec un contre-écrou (non représenté). Bien que le manchon de charge et ses composants soient décrits comme étant des composants séparés, il apparaîtra que de tels composants peuvent être intégrés.
Un passage 1218 est, de préférence, disposé dans l'élément central pour permettre que le fluide à l'intérieur de la masse-tige s'écoule dans la zone adjacente aux jauges de contrainte. L'écoulement de fluide déforme la partie de l'élément central soutenant les jauges de contrainte de telle manière que la déformation due à la pression hydrostatique soit pratiquement éliminée. Les passages peuvent être d'une autre géométrie quelconque et la zone sur laquelle les jauges de contrainte sont positionnées peut être d'une géométrie quelconque de sorte que la déformation totale de la zone due à la pression hydrostatique soit sensiblement nulle.
Le manchon de pression est fixé à la section supérieure de la masse-tige et est déplaçable par coulissement et/ou rotation par rapport à la partie inférieure de la masse-tige. Des joints d'étanchéité 1220 sont positionnés entre les parties de la masse-tige et le manchon de pressio:fl.
La fonctionnalité de la masse-tige est séparée en une fonction porteuse de charge et une fonction de pression et/ou séparation de boue. La fonction de charge est remplie par l'élément central 1208. La fonction de pression et/ou séparation de boue est remplie par le manchon de pression 1203.
L'élément central est fixé rigidement entre les parties de la masse-tige. L'élément central transfère les charges axiale et de couple que le train de tiges de forage reçoit. Le manchcn de pression absorbe la pression interne et externe appliquée à la masse-tige et étanchéifie les deux parties de la masse-tige. Ce manchon, de préférence, ne contribue pas à la rigidité de l'ensemble à la flexion.
Les déformations de la masse-tige dues à la pression hydrostatique sont réduites par le passage 1218. La zone de jauge de contrainte est conçue de telle manière que les contraintes de traction dues à la pression hydrostatique dans le passage 1218 soient superposées aux contraintes de compression et circonférentielles causées par la présence de pression hydrostatique sur le diamètre externe de l'élément central et les surfaces frontales de l'élément central. Par exemple, une déformation en dôme sous les jauges de contrainte peut être réalisée.
Les effets de gradients de température sur la masse-tige et l'effet d'une variation de température à l'état stationnaire depuis une température de référence sans contrainte de la masse-tige peuvent également être réduit et/ou empêché d'être transféré à l'élément central. Bien que l'élément central lui-même subisse une déformation due à la variation de température, un pont de Wheatstone complet standard (non représenté) peut être monté sur l'élémen= central pour diminuer la sortie du capteur due à la variation de température. La déformation de l'élément central due à la flexion autour des axes de masse-tige est plus faible en raison du fait que le rayon de l'élément de détection est faible par rapport au rayon de la masse-tige.
Les figures 12C et 12D décrivent un autre mode de réalisation d'un système de jauge de contrainte 1200a.
Le système consiste en une masse-tige 1202a qui comprend un passage 1276 travers celle-ci et un système de cellule de charge 1278 positionné dans le passage. Des zones d'écoulement 1279 sont disposées entre le système de cellule de charge et la masse-tige pour permettre l'écoulement de boue à travers celles-ci. Les passages et/ou zones d'écoulement peuvent avoir différentes géométries, par exemple, circulaire ou irrégulière.
Le système de cellule de charge 1278 comprend un logement de cellule de charge 1284 soutenu dans le passage 1276, une cellule de charge 1280, un piston 1281 et un contre-écrou 1282. Le logement 1284 a une première cavité 1286 dans celui-ci cui contient la cellule de charge et une deuxième cavité 1288 qui contient le piston. Le piston se déplace à travers la seconde cavité pour transférer une pression hydrostatique depuis la première cavité avec la cellule de charge. La cellule c.e charge consiste, de préférence, en une zone de jauge de contrainte faible 1290, deux zones résistantes 1292 et une cavité centrale cylindrique 1294.
Le contre-écrou 1282 maintient la cellule de charge en place durant les opérations et raccorde rigidement la cellule de charge à la masse-tige de telle manière que les déformations axiale, circonférentielle et radiale, ainsi que la déformation due au couple sur la masse-tige, soien-: transférées à la cellule de charge. Le contre-écrou peut avoir une cavité cylindrique circulaire 1296 pour modifier la rigidité du contre-écrou dans la direction de l'axe de masse-tige.
La géométrie du contre-écrou et de la cellule de charge est, de préférence, choisie de telle manière que la déformation de la masse-tige sur la longueur entière de l'ensemble soit concentrée dans la zone faible 1290 du contre-écrou et donc, détectée par les jauges de contrainte. De plus, la géométrie de la cavité cylindrique 1296 dans la cellule de charge est choisie de telle manière que les contraintes expérimentées par la cellule de charge dues à la charge de pression hydrostatique sur la masse tige soient égalisées et, donc, annulées par les contraintes qui sont subies par la cellule de charge sous l'effet de la charge de pression sur la cavité cylindrique.
COULISSE DE FORAGE
Les figures 13 à 14C décrivent des systèmes de coulisse de forage utilisables dans un outil de forage. Chacun de ces modes de réalisation incorpore une coulisse de forage connectable à un train de tiges de forage, tel que le train de tiges de forage des figures 1 et 2, pour mesurer les Forces de fond de puits, telles que le WOB, le TOB et la flexion, sur un outil de forage. Les coulisses de forage sont des dispositifs typiquement utilisés en comb__naison avec des outils de "pêche" pour enlever un tuyau coincé d'un puits de forage. Un exemple d'une telle coulisse de forage est décrit dans le brevet U.S. n 5 033 557 cédé au cessionnaire de la présente invention. Les coulisses de forage, dans le présent contexte, incorporent différents aspects des cculisses de forage pour utilisation dans la conduite de différentes mesures de fond de puits.
La coulisse de forage 1300 des figures 13A à 13C comprend une masse- tige 1302 ayant une partie supérieure 1316 et une partie inférieure 1318 raccordées de manière coulissante l'une à l'autre. La coulisse de forage comprend en outre un contre-écrou 1304, une clé de transmission de couple 1306, un piston 1308, des capteurs de déplacement 1310, 1312 et un ressort 1314. La coulisse de forage peut également être pourvue d'un châssis et de joints d'étanchéité (non représentés).
Le déplacement des première et deuxième parties de la masse-tige est contrôlé par le ressort ou élément élastique 1314. Le contre-écrou 1304 est disposé pour empêcher la masse- tige de se séparer. Les capteurs de déplacement 1310, 1312 sont montés dans la masse-tige pour mesurer la distance parcourue entre les parties de masse-tige. Cette distance est une fonction de la force WOB qui est appliquée à la masse-tige. Le piston 1308 est, de préférence, disposé pour compenser la pression et pour empêcher le déplacement entre les parties de masse-tige dû à la pression hydrostatique. La clé de transmission de couple est également, de préférence, disposée de manière à transmettre la rotation des parties de masse-tige respectives au trépan.
Les parties de la masse-tige sont raccordées pour transmettre le couple (au moyen de la clé 1306). Entre les parties, l'élément élastique 1314, tel qu'un ressort ou un solide ayant une élasticité significativement supérieure à l'acier est introduit. L'espace dans lequel l'élément élastique est installé est, de préférence, à la pression hydrostatique.
Lorsque la masse-tige est comprimée, l'élément élastique se déforme lorsque les parties se déplacent l'une vers l'autre. La distance est mesurée.
Les déformations de la masse-tige résultant de facteurs autres que le poids, tels que la dilatation thermique, les gradients thermiques et les transitions thermiques, sont faibles comparées à la déformation de l'élément élastique due au poids. La compensation doit donc être moins précise que pour des solutions dans lesquelles la déformation de la massetige elle-même est mesurée, qui est d'un ordre de grandeur plus faible pour le WOB que pour d'autres charges.
Les figures 14A à 14C décrivent un autre mode de réalisation 1400 de la coulisse de forage des figures 13A à 13C. La coulisse de forage 1400 utilise une configuration de chambre de fluide à la place de la configuration de ressort décrite sur les figures 13A à 13C. La coulisse de forage 1400 comprend une masse-tige 1402 ayant une partie supérieure 1416, une partie intermédiaire 1404 et une partie inférieure 1418. La coulisse de forage 1400 comprend en outre une clé de transmission de couple 1406, un châssis électronique 1408, un capteur de pression 1410, une carte à circuit électronique 1412 et un contre-écrou 1405.
Le châssis électronique 1408 est disposé autour de la surface interne de la masse-tige adjacente à l'emplacement où les parties se rencontrent. Le châssis électronique est, de préférence, disposé pour soutenir l'électronique pour mesurer la pression du capteur. L'électronique peut être utilisée pour transmettre les données collectées au BHA.
Les parties de la masse-tige sont déplaçables de manière coulissante les unes par rapport aux autres et fixées conjointement à l'aide d'un contreécrou 1405. Les parties de la masse-tige sont raccordées pour former un compartiment cylindrique étanchéifié sous pression 1424 autour de la circonférence de la masse-tige. Le compartiment est rempli de fluide hydraulique. La pression du fluide augmente lors de l'augmentation de la pression hydrostatique et de la compression axiale. Un arrêt mécanique (non représenté) peut être utilisé pour protéger le compartiment contre la pression de rupture. La pression du fluide diminue lors de la diminution de la pression hydrostatique et des charges axiales de traction. Un autre arrêt mécanique (non représenté) peut également être utilisé pour empêcher les parties de masse-tige d'être désassemblées en cas de traction excessive.
Un capteur de pression peut être disposé pour mesure la pression de fluide dans la chambre. La pression dans la chambre de fluide est une fonction de la force WOB appliquée sur la masse-tige. La pression et la température du fluide sont surveillées et ajustées en fonction du changement de volume du compartiment 1424. Ce changement de volume est une fonction de la force axiale exercée sur la masse-tige. La pression de boue peut également être mesurée et utilisée pour compenser la mesure de déformation axiale. Ces mesures peuvent être utilisées pour définir et analyser plus avant les forces de fond de puits.
La figure 15 est un organigramme décrivant les étapes en option qui peuvent être utilisées dans la conduite de mesures. Les forces de fond de puits peuvent être déterminées une fois que le train de tiges de forage et l'outil de forage sont dans le puits de forage. Les forces exercées sur l'outil de forage sont mesurées à l'aide des capteurs (tels que ceux sur l'une quelconque des figures 4A à 14C). Les mesures peuvent être transmises à la surface en utilisant des systèmes de télémétrie connus. Les mesures sont analysées pour déterminer les forces. Des processeurs ou d'autres dispositifs peuvent être positionnés en fond de puits ou à la surface pour traiter les données de mesure. Des décisions de forage peuvent être prises sur la base des données et informations générées.
Le procédé comprend le positionnement d'un train de tiges de forage avec un outil de forage dans un puits de forage, à l'étape 1501. Le procédé comprend ensuite la mesure des forces exercées sur l'outil de forage en utilisant des capteurs, à l'étape 1502. Cela peut comprendre la mesure d'une propriété électrique du capteur. Les données sont reliées à une déformation de l'outil de forage, qui est reliée à la charge sur l'outil de forage.
Le procédé peut ensuite comprendre plusieurs étapes possibles. Par exemple, le procédé peut comprendre l'analyse des mesures pour déterminer l'action des forces sur l'outil de forage ou pour déterminer le déplacement de l'outil de forage, à l'étape 1511 et 1503. Dans certains cas, la détermination des forces comprend la détermination de la déformation de l'outil de forage sous l'effet de la charge. En variante, la charge peut être déterminée sans déterminer spécifiquement la déformation de l'outil de forage.
En continuant dans les étapes possibles après 1502, le procédé peut ensuite comprendre la transmission des mesures à la surface, à l'étape 1504. Cela peut être effectué en utilisant un procédé de télémétrie quelconque connu dans l'art, par exemple, la télémétrie à impulsion des boues. Finalement, le procédé peut comprendre l'ajustement des paramètres de forage sur la base des mesures des forces de fond de puits, charges et déplacements, à l'étape 1505.
Dans une autre voie possible, le procédé peut comprendre l'enregistrement des mesures ou des mesures analysées dans une mémoire, à l'étape 1521. Cela peut être effectué en utilisant les mesures (à partir de l'étape 1502) ou en utilisant les mesures analysées (étape 1511).
Dans un autre procédé possible, les mesures peuvent être transmises à la surface, à l'étape 1531, où elles sont analysées pour déterminer les forces et les charges exercées sur l'outil de forage, à l'étape 1532. Les paramètres de forage peuvent ensuite être ajustés sur la base des mesures des charges de fond de puits.
Les mesures effectuées par l'outil de forage peuvent comprendre une combinaison d'accéléromètres, de magnétomètres, de gyroscopes et/ou d'autres capteurs. Par exemple, une telle combinaison peut comprendre un magnétomètre à trois axes, un accéléromètre à trois axes et un accéléromètre angulaire pour déterminer la position angulaire, la position azimutale, l'inclinaison, le WOB, le TOB, la pression annulaire, la pression interne, la température des boues, la température de masse- tige, la température transitoire, le gradient de température de la masse- tige et autres.
Les mesures sont, de préférence, effectuées à une fréquence d'échantillonnage élevée, par exemple, environ 1 kHz.
La figure 16A représente un autre système 1600 selon l'invention qui utilise un LVDT pour déterminer la déformation par compression. Le système 1600 est disposé dans une masse-tige 1602 et il comprend une "bobine" annulaire 1611 et un "noyau" annulaire 1612. Le noyau 1612 est capable de se déplacer dans la bobine 1611. La figure 16B est une coupe transversale radiale du capteur 1600 faite le long de la ligne 16B-16B sur la figure 16A. Le noyau 1612 est situé dans la bobine 1611 et le capteur entier 1600 est situé le long de l'axe de la masse-tige.
La bobine 1611 est un cylindre creux qui comprend un enroulement primaire au centre et deux enroulements secondaires près des extrémités du cylindre (des enroulements sont connus dans l'art et ils ne sont pas représentés sur les figures). Le noyau 1612 peut être constitué d'un matériau magnétiquemen:: perméable et dimensionné de sorte qu'il puisse se déplacer axialement dans la bobine 1611, sans contact entre eux. L'enroulement primaire est excité avec un courant alternatif et le signal de sortie, une tension différentielle entre les deux enroulements secondaires, est relié à la position du noyau 1612 dans la bobine 1611. En couplant la bobine 1611 et le noyau 1612 à différents points axiaux dans la masse-tige 1602, le noyau 1612 et la bobine 1611 se déplacent l'un par rapport à l'autre lorsque la masse-tige 1602 subit une déformation due à une charge, telle que le WOB.
L'amplitude du déplacement est reliée à l'intensité du WOB, qui peut alors être déterminée.
Le système sur les figures 16A et 16B utilise un principe similaire d'induction pour déterminer la déformation. C'est-à- dire qu'avec une source d'alimentation alternative à courant constant, les variations de tension différentielle mesurée indiquent une variation de l'inductance du capteur. La relation entre l'impédance et l'inductance est décrite dans l'équation 4: Z = 2nL Equation 4 où L est l'inductance du capteur. Etant donné que la variation d'inductance est causée par le mouvement du noyau 1612 dans la bobine 1612, la variation d'impédance est reliée à l'amplitude de la déformation et du WOB.
La figure 17 représente un autre système de capteur de forage LVDT 1700. Le système 1700 est similaire au système 500 des figures 16A et 16B, sauf que la bobine 1711 et le noyau 1712 sont arqués ou courbés de telle manière qu'ils puissent se déplacer l'un par rapport à l'autre lorsque la masse-tige 1702 subit un TOB. Dans certains modes de réalisation, la bobine 1711 et le noyau 1712 sont couplés à la masse- tige 1702 à différentes positions axiales de telle manière que la déformation de la masse-tige 1702 due au TOB provoque un déplacement relatif entre la bobine 1711 et le noyau 1712. Par exemple, un support 1721 peut être couplé à la masse-tige 1702 à une position axiale différente du support 1722.
La figure 18A représente une coupe transversale radiale d'un système de capteur 1800. Le système de capteur 1800 est situé dans un moyeu central 1801 de la masse-tige 1802, le long de l'axe de la masse-tige 1802. Le système de capteur 1800 comprend quatre plaques de condensateur 1811, 1812, 1821, 1822. Une première plaque de condensateur 1811 et une troisième plaque de condensateur 1821 sont dis'oosées sur une paroi intérieure 1809, espacées à 180 degrés l'une de l'autre. Une colonne 1805 est située au centre de la masse-tige 1802. Une deuxième plaque de condensateur 1812 et une quatrième plaque de condensateur 1822 sont fixées sur la colonne 1805 de telle manière qu'elles soient à 180 degrés l'une par rapport à l'autre et soient face à la première plaque de condensateur 1811 et la troisième plaque de condensateur 1821, respectivement. Trois pétales 1803a, 1803b, 1803c de la masse-tige 1802 s'étendent vers l'intérieur, tout en permettant encore à la boue de s'écouler à travers les passages 1808.
La figure 18B représente une coupe transversale longitudinale du système de capteur 1800 le long de la ligne 18B-18B sur la figure 18A. La première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812 sont espacées d'une distance L18-A. La troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822 sont séparées par une distance L18-B. Dans certains modes de réalisation, les distances L18-A, L18-B sont approximativement identiques dans un état relaxé ou non fléchi, mais les distances L18-A, L18-B ne sont pas nécessairement identiques dar..s l'état relaxé.
La figure 18C représente une coupe transversale du système de capteur 1800 (et de la masse--tige - 1802 sur la figure 18A) lorsqu'il subit une flexion. La colonne 1805 est configurée de telle manière qu'elle ne fléchisse pas, même si la masse-tige subit une flexion.
En raison de cette configuration, la distance L'l8-A entre la première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812 est plus courte que la distance L18_A dans l'état relaxé (décrit sur la figure 18B). La distance L'18_A plus courte réduit la capacité entre la première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812, conformément à l'équation 1.
Dans l'état fléchi décrit sur la figure 18C, la distance L'18_B entre la troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822 est supérieure à la distance L18_B entre la troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822 dans un état relaxé (décrit sur la figure 18B). Cette augmentation de distance diminue la capacité entre la troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822, conformément à l'équation 1.
En utilisant le capteur décrit sur les figures 18A à 18C, la flexion de la masse-tige 1802 peut être déterminée à partir de la variation de capacité de paires de plaques de condensateur. Une variation de la capacité entre la première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812 indique une flexion dans la masse-tige 1802. De plus, une variation de capacité entre la troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822 indique une flexion dans la masse-tige 1802. La variation de capacité est reliée à la déformation de flexion. Les deux paires de plaques de condensateur (c'est-à-dire, 1811 et 1812, 1821 et 1822) sont redondantes pour mesurer la flexion. Un système pourrait être conçu qui comprend seulement une paire de plaques.
Le capteur décrit sur les figures 18A à 18C permet en outre la détermination du TOB. La figure 18D représente une coupe transversale du système de capteur de la figure 18B faite le long de la ligne 18D-18D, où la première plaque 1811 et la troisième plaque 1821 sont couplées à la surface interne 1809 à un point axial. La deuxième plaque 1812 et la quatrième plaque 1822 sont couplées à la colonne 1806, qui est couplée à la masse-tige 1802 à un point axial différent de la première plaque 1811 et la troisième plaque 1821. Lorsque la masse-tige (1802 sur la figure 18A) est soumise à un TOB, la déformation résultante et les différentes positions axiales où les plaques sont couplées à la masse-tige 18D2 conduisent la première plaque 1811 et la troisième plaque 1821 à se déplacer par rapport à la deuxième plaque 1812 et la quatrième plaque 1822.
Dans l'état relaxé, ou:L'état sans couple, décrit sur la figure 18D, la première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812 ont une aire capacitive A18_A, et la troisième plaque 1821 et la quatrième plaque 1822 ont une aire capacitive A18_B. La figure 18E représente une coupe transversale du système de capteur 1800 de la figure 18D, un couple étant appliqué à la masse-tige 1802, tel qu'un TOB, par exen.ple. La première plaque de condensateur 1811 a tourné par rapport à la deuxième plaque de condensateur 1812. Le déplacement relatif conduit l'aire capacitive à diminuer de A1$_A (sur la figure 18E) à A'18_A. De manière similaire, le couple appliqué conduit la troisième plaque de condensateur 1821 à se déplacer par rapport à la quatrième plaque de condensateur 1822. Le déplacement relatif conduit l'aire capacitive à diminuer de A18_B (sur la figure 18E) à A'18_B.
2862696 54 L'équation 1 indique qu'une diminution de l'aire capacitive entre deux plaques de condensateur cause une diminution de la capacité entre les plaques. Par conséquent, lorsqu'un couple est appliqué à la masse- tige, la déformation résultante peut être déterminée à partir de la variation de capacité entre deux plaques de condensateur (par exemple, la première plaque 1811 et la deuxième plaque 1812).
La configuration particulière décrite sur les figures 18A à 18E permet la détermination du TOB et de la flexion de la masse-tige. La flexion de la masse-tige cause une augmentation de la capacité d'une des paires de plaques de condensateur et une diminution de la capacité de l'autre paire de plaques de condensateur. Le TOB cause une diminution de la capacité des deux paires de plaques de condensateur. En raison de cette différence, une variation quelconque de la capacité des paires de plaques de condensateur peut être différenciée en un TOB et une flexion dans la masse-tige.
Les figures 18A à 18E représentent un capteur comprenant deux paires de plaques de condensateur.
D'autres modes de réalisation pourraient être conçus qui utilisent seulement une paire oc plus de deux paires de plaques de condensateur sans s'écarter de la portée de l'invention. Dans un mode de réalisation particulier, ayant une seule paire de plaques de condensateur, le capteur peut ne pas être capable de différencier le TOB et la flexion. Néanmoins, de tels modes de réalisation ne s'écartent pas de la portée de l'invention. De plus, l'invention n'est pas limitée à des plaques de condensateur qui sont espacées de 180 degrés l'une de l'autre. Cet espacement particulier est présenté uniquement à titre d'exemple. La première plaque de condensateur 1811 et la deuxième plaque de condensateur 1812 sont représentées avec l'aire capacitive maximale dans l'état relaxé (figure 18D). D'autres modes de réalisation avec des agencements différents des plaques de condensateur peuvent être conçus sans s'écarter de la portée de l'invention.
La figure 19 représente un procédé selon un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention. Le procédé comprend la détermination d'une propriété électrique d'un capteur lorsque le train de tiges de forage est dans un état de charge (décrit à l'étape 1901). Le procédé comprend en outre la détermination de l'intensité de la charge sar le train de tiges de forage sur la base de la différence entre la propriété électrique du capteur lorsque le train de tiges de forage est dans l'état de charge et la propriété électrique du capteur lorsque le train de tiges de forage est dans un état relaxé (décrit à l'étape 1905).
La charge peut être déterminée parce que la différence de la propriété électrique du capteur entre l'état relaxé et l'état de charge est reliée à la déformation de la masse-tige. La déformation est, elle- même, reliée à la charge.
Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend la détermination de l'amplitude de la déformation de la masse-tige (décrit à l'étape 1903).
Cela peut être avantageux parce que cela permet la 2862696 56 détermination de l'effort et de la contrainte exercées sur la masse-tige.
Une masse-tige ou un BHA peuvent comprendre un nombre quelconque de modes de réalisation de capteur selon l'invention. L'utilisation de modes de réalisation multiples du capteur peut permettre la détermination simultanée du WOB, du TOB et de la flexion, ainsi que d'autres forces qui sont exercées sur un train de tiges de forage lors du forage. Par exemple,une masse-tige peut comprendre un mode de réalisation d'un capteur qui est similaire au mode de réalisation décrit sur la figure 4A, ainsi qu'un mode de réalisation d'un capteur similaire au mode de réalisation décrit sur la figure 18A.
Les variations de terr.pérature et de pression peuvent avoir des effets significatifs sur la déformation du train de tiges de forage. Par exemple, la température dans le puits de forage peut varier entre 50 C et 200 C et la pression hydrostatique, qui augmente avec la profondeur, peut aller jusqu'à 2054,4 bars (30 000 psi) dans des puits profonds. La dilatation thermique et la compression dues à la pression hydrostatique peuvent causer des déformations qui sont plus élevées de plusieurs ordres de grandeur que les déformations causées par un WOB. Ainsi, par exemple, la distance entre les plaques de condensateur 404 sur la figure 4 est la somme des effets de WOB, dilatation thermique et compression par pression. La compensation des effets de la dilatation thermique et de la pression permettent des mesures plus exactes des forces de fond de puits.
La figure 20 représente un système de capteur 2000 pour déterminer les effets de la dilatation thermique et de la pression. Deux plaques de condensateur 2004 sont disposées dans une masse-tige 2002. Les plaques de condensateur 2004 sont orientées verticalement et espacées l'une de l'autre dans la direction radiale. Un support 2015 est positionné derrière la plaque extérieure 2004 et un matériau diélectrique 2006 est positionné entre les plaques 2004. Lorsque la pression hydrostatique augmente, le support 2015, ainsi que le reste de la masse-tige 2002, conduit les plaques 2004 à se déplacer l'une vers l'autre. Cette déformation cause une augmentation en correspondance de la capacité du système 2000.
Le système 2000 est également réactif aux variations de température qui causent une dilatation thermique de la masse-tige 2002. Etant donné que le système 2000 est disposé à l'intérieur de la masse-tige 2002, il se dilate et se contracte avec la masse-tige 2002 en réponse aux variations de température et de pression.
En raison de l'orientation verticale des plaques 2004 et étant donné qu'elles sont couplées à la masse-tige sensiblement au même emplacement axial, le système 2000 est relativement insensible aux déformations qui résultent du WOB, du TOB et des moments de flexion. Le système 2000 présente principalement une réponse aux effets de dilatation thermique et de pression. Cela permet une détermination plus exacte des forces de fond de puits en utilisant les données reliées aux effets de dilatation thermique et de pression lors de la détermination du WOB, du TOB et/ou des moments de flexion sur la base d'autres capteurs dans la masse-tige 2002.
La figure 21 représente une masse--tige 2102 avec un revêtement thermique 2101. Cette masse-tige peut être utilisée en combinaison avec les différents systèmes de capteur présentement décrits. Etant donné que la masse-tige 2102 est métallique, elle conduit très bien la chaleur. S'il existe des gradients de température importants entre les structures internes de la masse-tige et le puits de forage environnant, la massetige thermiquement conductrice 2102 transmet l'énergie thermique. Cela favorise les effets de dilatation thermique.
Un revêtement thermique 2101 isole la masse-tige 2102 des gradients de température. La chute de température est subie à travers le matériau isolant et non à travers la masse-tige 2102 elle-même. De nombreux matériaux connus dans l'art peuvent être adaptés. Par exemple, certains types de caoutchouc et d'élastomères isolent la masse-tige 2102 et supportent l'environnement rigoureux du fond de puits. D'autres matériaux tels que la fibre de verre peuvent être utilisés.
La figure 22 représente un autre système de capteur 2200 selon l'invention. Une masse-tige 2202 comprend un premier élément de détection 2204a et un deuxième élément de détection 2204b. La configuration sur la figure 22 est similaire à la configuration sur la figure 4, sauf que le système de capteur sur la figure 22 n'utilise pas de condensateur pour déterminer la déformation (c'est-à-dire, la variation de L22 sous l'effet d'une charge). Au lieu de cela, le capteur sur la figure 22 peut utiliser un capteur à courant de Foucault, un capteur infrarouge ou un capteur à ultrasons.
A nouveau en référence à la figure 22, le système de capteur 2200 peut comprendre un capteur à courant de Foucault, avec une bobine dans un élément de détection 2204a et une cible dans un élément de détection 2204b.
Un tel capteur 2200 ne requiert pas un matériau diélectrique entre les éléments de détection 2204a,b dans la mesure où il n'y a pas de matériaux métalliques. L'électronique de commande et le bloc de traitement de signal ne sont pas représentés sur la figure 22, mais il apparaîtra à l'homme du métier que ces éléments d'un capteur à courant de Foucault peuvent être inclus d'une manière connue dans l'art.
Au lieu d'un système de capteur à courant de Foucault, le système de capteur 2200 sur la figure 22 peut comprendre un capteur à ultrasons ou un capteur infrarouge. Par exemple, un capteur à ultrasons peut comprendre une source d'ultrasons à 2204a et un récepteur d'ultrasons à l'élément 2204b. Un capteur infrarouge peut comprendre une source infrarouge à 2204a et un détecteur d'infrarouge à l'élément 2204b.
Des modes de réalisation de la présente invention peuvent présenter un ou plusieurs des avantages suivants. Les systèmes capacitifs et inductifs selon l'invention ne sont pas susceptibles d'erreurs de mesure dues à des variations de température. La pression ambiante n'affecte pas non plus le fonctionnement de certains modes de réalisation de ces systèmes. De plus, ces systèmes n'ont pas de parties de contact qui pourraient s'user ou devoir être remplacées.
De manière avantageuse, certains modes de réalisation de la présente invention permettent la mesure du WOB sans aucune sensibilité au couple ou à la flexion. De plus, un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention permettent la détermination de deux charges ou plus sur un trépan ou un train de tiges de forage.
De manière avantageuse, certains modes de réalisation de la présente invention génèrent un signal utilisable qui donne des résultats exacts et précis sans l'utilisation d'une amplification mécanique de la déformation. Un système selon l'invention peut être installé directement sur une masse-tige sans nécessiter une cellule de charge séparée. Par conséquent, certains modes de réalisation peuvent occuper un espace minimal dans une masse-tige.
De manière avantageuse, certains modes de réalisation de la présente invention sont montés à l'intérieur d'une masse-tige. De tels modes de réalisation ne sont pas sensibles aux interférences de puits de forage ou d'autres problèmes liés à l'écoulement de boue.
De manière avantageuse, certains modes de réalisation de la présente invention sont moins affectés par les variations de température que les capteurs de l'art antérieur. De plus, certains modes de réalisation peuvent permettre la compensation de la contrainte causée par les variations de pression et de température de fond de puits.
Bien que l'invention ait: été décrite en référence à un nombre limité de modes de réalisation, il apparaîtra à l'homme du métier, à la lecture de cette description, que d'autres modes de réalisation peuvent être conçus qui ne s'écartent pas de la portée de l'invention comme présentement décrit. En conséquence, la portée de l'invention est limitée uniquement par les
revendications annexées.
É 2862696

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Appareil pour mesurer une charge exercée sur un outil de forage (105) de fond de puits suspendu dans un puits de forage (102) par l'intermédiaire d'un train de tiges de forage (104), comprenant: une masse-tige fonctionnellement connectable au train de tiges de forage (104) , la masse-tige étant adaptée pour amplifier la déformation résultant des forces reçues par celle-ci; un capteur monté dans la masse-tige, le capteur étant adapté pour mesurer la déformation de la masse-tige de telle manière que les forces exercées sur la masse-tige soient déterminées.
2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le capteur comprend une paire de plaques (404) et un diélectrique (406), les plaques étant positionnées à une certaine distance l'une de l'autre avec le diélectrique entre elles.
3. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le capteur comprend l'un parmi un capteur capacitif, à transformateur différentiel à variation linéaire, à impédance, à réluctance à variation différentielle, à courant de Foucault et/ou inductif.
4. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le capteur est une jauge de contrainte (1104) positionnée sur la masse-tige (1102).
5. Appareil selon la revendication 4 comprenant en outre au moins un manchon (1112) autour de la masse-tige (1102).
6. Appareil selon la revendication 4 ou 5 dans lequel la masse-tige (1102) a une découpe partielle (1106) à travers celle-ci de telle manière que la masse-tige agisse comme un ressort.
7. Appareil selon la revendication 5 dans lequel le manchon (1112) raccorde des parties (1108, 1110) de la masse-tige (1102).
8. Appareil selon la revendication 4 dans lequel 15 la jauge de contrainte est montée sur un logement positionné à l'intérieur de la masse-tige.
9. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la masse-tige (1302) a des première (1316) et seconde (1318) parties et un élément élastique (1314) entre celles-ci.
10. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la masse-tige (1102) a des première (1108) et seconde (1110) parties et un manchon (1112), le manchon raccordant les parties et définissant une cavité entre celles-ci, le capteur (1104) étant adapté pour mesurer les variations de pression dans la cavité.
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