WO2006008361A1 - Train de tiges apte a la transmission d'informations a haut debit dans un puits de forage - Google Patents

Train de tiges apte a la transmission d'informations a haut debit dans un puits de forage Download PDF

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WO2006008361A1
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drill string
rods
rod
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transmission
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Giovanni Aiello
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Giovanni Aiello
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/003—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings with electrically conducting or insulating means
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/028—Electrical or electro-magnetic connections
    • E21B17/0285—Electrical or electro-magnetic connections characterised by electrically insulating elements

Definitions

  • the present invention relates to a drill rod capable of transmitting information along a deep well bore equipped with instruments on top of the tool.
  • the subject of the present invention is a drill string for drilling wells at great depth and which furthermore allows high-speed transmission of information from the surface to the instruments on board overhead. tool, as well as the high-speed transmission of other information from said instruments to the surface.
  • FIG. 1 schematically shows a wellbore in progress, as is generally practiced in this field and in particular according to the invention.
  • the drill string 40 consisting of drill rods such as 1a and 1b, is rotated by the table 31 of the rig 37 resting on the ground 38.
  • the entire drill string is supported by a muffle 33 which allows the translation of the drill string and the application of the weight on the drill bit 44.
  • the latter is generally attached to the lower end of a drill collar 39 in which is housed an electronic module 22 which includes both sensors and means for transmitting information to the surface or receiving other information from the surface.
  • the clean drilling mud is injected by means of a pump at the intake head 34, passes through the entire drill string to exit at the drill bit.
  • the charged sludge then circulates in the annular space 36, between the surface The outer end of the drill string and the walls of the borehole 27.
  • a casing 28 is sealed in the ground 26 by means of a cement grout 29.
  • the casing itself is even surmounted by an isolation valve (or BOP) 30, through which the drill string passes, as well as the return of the loaded sludge, through the weir 35.
  • the first category concerns processes implementing a very low transmission speed.
  • the second category concerns processes implementing a transmission speed of a few thousand bauds and sometimes more.
  • the driver is subjected to an environment where abrasion of the sludge is important
  • the attenuation of the signal in such a device is important and involves inserting repeaters on the drill string every 300 meters to amplify the signal.
  • a 5000-meter borehole applying such a solution is thus made up of more than 15 spaced repeaters, which considerably increases the complexity of the installation, the risks of breakdowns and the major problem related to the management of the autonomy of the various batteries installed. along the drill string.
  • the drill string for the transmission of information independent of the quality of the drilling mud, said drill string consisting of: - a plurality hollow rods having an electrically conductive cylindrical metal wall, an upper end provided with a female connection sleeve and a lower end provided with a male coupling sleeve whose thread length is toleranced but may nevertheless vary from several millimeters according to the standards used, said rods are characterized in that they furthermore comprise:
  • Said sheathed conductor wire is connected on the one hand in the lower part to a male electrical connector consisting of an electrically conductive ring, isolated from the mud and the mass of the drill string, and on the other hand in the upper part to a electrically conductive threaded ring, also isolated from the mud and the mass of the drill string.
  • J.C.A C A composite ensuring continuity (J.C.A C) which is screwed by appropriate means on the electrically conductive threaded ring at the top and constituting a female electrical connector.
  • Said composite seal once in place and the set of rods formed, ensures at each sleeve on the one hand the continuity of the sheathed conductor wire, from rod to rod, on the other hand the insulation of the sheathed conductor wire and rings conductors of electricity in relation to the metal mass of the drill string and mud.
  • the grooves can be done very simply during the manufacture of extruded tubes used for the manufacture of rods without additional cost.
  • the groove being relatively small, it causes no brittleness in the rod and leaves the internal space of the rod reserved for the passage of the mud, completely free and without any discomfort.
  • the principle of the invention can also be applied to old rods. In this case, the grooves will be made by broaching or milling or any other means on a specific bench.
  • the groove is formed on the one hand on the running part of the tube constituting the rod, between the shoulders of the sleeves of the outer face of the metal wall of the rod, then this one extends on both sides of the current portion of the inner surface of the metal wall through two oblique holes that are made after the threaded sleeves are welded.
  • the outer surface of the rod is then covered with an abrasion resistant and insulating layer of electricity, as well as the inner surface of the rod. It can be considered that in this mode, the sheathed conductor wire is also protected by the larger diameter threaded sleeves. This second mode probably lends itself better to the modification of existing rods, because the machining of the groove is in this case largely facilitated.
  • Figure 1 already described in the main is a general schematic view of a drilling device, in particular according to the invention.
  • Figure 2 is an overview of a drill pipe component drill string illustrating the principle of the invention.
  • Figure 3 is a cross sectional view of a drill pipe illustrating the principle of the invention.
  • Figure 4 is a detail view of Figure 3.
  • Figure 5 is a view of the connection of two drill pipes constituting the drill string, according to a first preferred embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a detail view, in partial vertical section of Figure 5.
  • Figure 7 is a sectional view of the composite ensuring continuity (JCAC), according to the invention.
  • Figure 8 shows schematically the establishment of the connection between two rods being screwed.
  • Figure 9 is a view of the connection of two drill pipes constituting the drill string, according to a second embodiment of the invention.
  • the electronic surface means 24 are connected to the drill string 40 via a cable 25 and a rotary manifold 32 located on the first rod 23.
  • the electronic surface means may just as well comprise a unit for recording the measurements relating to the sensors located at the bottom, but also control devices for configuring certain electronic parameters of the onboard module 22, or else controlling actuators to modify the trajectory of the bore, for example.
  • the drill string is opened and an additional rod is inserted between said first rod 23 and the rest of the drill string.
  • the plurality of rods 1 constituting the drill string according to the invention consists in the upper part of a female sleeve 2 whose thread ends in the lower part by a bearing face 49 and a male sleeve 3 in the lower part whose thread ends in the lower part by a bearing face 48.
  • the rods are screwed to each other with a given torque to form the drill string, the faces 48 and 49 remain spaced from each other.
  • one or more rectilinear grooves of small dimensions are made on the internal face 46 of the metal wall 45 of the rod.
  • the width and the depth of this groove are variable according to the possible uses, but can very well correspond to 20/10 of millimeter for example and even less.
  • the bottom of this groove may preferably be rounded.
  • a sheathed conductor wire 6 is embedded in the groove by means of an insulating resin of electricity 7 having a good shore hardness and a good resistance to temperature. If it is desired both to communicate and feed the on-board electronic module or modules on the drill string, at great depth, one or two additional grooves are feasible.
  • FIG. 5 shows the coupling of two rods 1a and 1b according to the invention and equipped with a male 3a and female 2b sleeve, between which is the JCAC 8 seal schematically shown in section in Figure 7.
  • the enlarged partial section of Figure 6 shows in more detail the coupling of these two rods.
  • the sheathed conducting wire 6a embedded in the groove 5a of the rod is welded to an electrically conductive ring 9, located at the end of the male thread of the sleeve 3a and insulated from the metal mass of the rod by an insulating cup of electricity 12.
  • These two circular parts are assembled by bonding and are flush with the lower end of the male thread 3a. They constitute a male electrical connector whose contact interface 41 follows a slope inclined at approximately 45 °.
  • An abrasion-resistant and electrically insulating resin layer 4a covers the entire inner surface 46 of the metal rod, as well as the current or longitudinal part of the male electrical connector.
  • the sheathed conductor wire 6b embedded in the groove 5b of the rod Ib is welded to an electrically conductive threaded ring 10 located at the bottom of the thread of the female sleeve 2b and insulated from the metal mass of the rod by an insulating cup of electricity 11. These two circular pieces are assembled by gluing.
  • An abrasion-resistant and electrically insulating resin layer 4b covers the entire inner surface of the metal rod, as well as the current or longitudinal portion of the electrically conductive threaded ring 10.
  • J.C.A.C The composite ensuring continuity 8
  • the composite ensuring continuity 8 is mainly made of rubber 17 reinforced with fibers, while maintaining some flexibility. This rubber is insulating electricity.
  • Various metal parts of circular and electrically conductive forms also form the joint J.C.A.C. In order not to increase the complexity of the drawing, it does not appear in the representations of these parts, various holes 21, recesses and flanges intended solely to better bond these parts to the rubber during molding. These include:
  • a threaded ring 14 electrically conductive, having in the lower part the thread 18 for fixing the seal.
  • a conductive ring of electricity 13 which is in fact made of several contacts in a circular arc, embodying the conical contact surface 43 of the female electrical connector.
  • the JCAC seal is screwed onto the ring 10 using a specific tool that uses the holes 53. It is understood that thanks to the relative horizontal flexibility and in particular the vertical high degree of the JCAC seal, the latter can be adapted to many existing rods, the length of the male and female threads at the respective sleeves 3 and 2 may vary by several millimeters depending on manufacture, which is the case of many standardized rods.
  • Figure 8 shows schematically the establishment of the connection between two rods during screwing, according to the invention.
  • the male and female electrical connectors are in contact on a sufficient surface, the upper lip 20 of the gasket is pressed against the final flare of the insulating layer 4a. and the JCAC seal is completely crushed by the male and female threads of the sleeves 3a and 2b.
  • the profile 19 of the inner periphery of the JCAC seal will cause the upper and lower lips of the seal to be further pressed against the respective insulating layers 4a. and 4b.
  • FIG. 9 diagrammatically represents the second embodiment of the invention, for which the groove is made on the running part of the tube 50 constituting the rod, between the shoulders of the sleeves 2 and 3 of the outer face 47.
  • the oblique holes 51 are made at the first shoulder of the sleeve to join the position of the groove 5 already described in the previous mode.
  • the entire outer surface 47 of the metal wall 45 of the rod is then covered with an abrasion-resistant and electrically insulating resin layer 52.
  • An abrasion resistant and insulating layer of electricity 4a covers the inner surface 46 of the metal rod, as well as the current or longitudinal portion of the male electrical connector and the electrically conductive threaded ring 10.
  • the set of rods with their sheathed conductive wires connected to each other through the JCAC joints on the one hand, and the outer metal walls of the rods connected to each other by the intermediate male and female threaded sleeves that support the mechanical forces of the drill string on the other hand constitute a bi-wired bus of a relatively low theoretical linear resistance (a few tens of ohms for more than 5000m), on which it is It is perfectly possible to convey both a power supply for the on-board means as well as high-speed and wide-distance communication signals between the electronic module or modules positioned on the drill string and the surface equipment. This regardless of the quality and flow direction of the drilling mud used

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Abstract

L'invention concerne un train de tiges de forage destiné à la transmission d'informations, quelque soit la qualité de la boue de forage utilisée. Ledit train de tiges est constitué d'une pluralité de tiges creuses caractérisées en ce qu'elles comportent une ou plusieurs rainures (5) dans laquelle est noyé un fil conducteur gainé (6) relié à son extrémité haute (6b) à une bague filetée conductrice de l'électricité (10) et à son extrémité basse (6a) à une bague conductrice de l'électricité (9) constituant un connecteur mâle, toutes deux isolées de la masse de la tige par les coupelles respectives (11) et (12) réalisées en matériau isolant de l'électricité. La surface intérieure de la tige creuse est entièrement recouverte par un revêtement isolant de l'électricité (4) qui couvre également les bagues (9) et (10) sur leur partie longitudinale. La continuité du conducteur (6) et son isolation par rapport à la masse de la tige et la boue à l'intérieur de la tige est assurée à chaque manchon par un joint composite (8), vissé sur la bague (10) d'un coté et en contact par serrage de sa bague (13) constituant un connecteur femelle, de l'autre coté. Une première tige (23) équipée d'un connecteur mâle, et une masse-tige (39) équipée d'un connecteur femelle.

Description

TRAIN DE TIGES APTE A LA TRANSMISSION D'INFORMATIONS A HAUT DEBIT DANS UN PUITS DE FORAGE
La présente invention concerne une tige de forage apte à la transmission d'informations le long d'un puits de forage profond équipé d'instruments embarqués au dessus de l'outil.
De façon plus précise encore, la présente invention a pour objet un train de tiges de forage servant à forer des puits à grande profondeur et qui de plus permet une transmission à haut débit d'informations de la surface vers les instruments embarqués au dessus de l'outil, de même que la transmission à haut débit d'autres informations depuis lesdits instruments vers la surface.
Depuis plus d'un demi siècle, les techniques employées dans le domaine de l'enregistrement temps réel des paramètres en cours de forage (M.W.D Measurement While Drilling) dont la profondeur peut atteindre 5 à 10 kilomètres, ont bien évolué. L'objectif étant bien entendu d'optimiser la conduite des forages destinés à la géothermie, l'exploration, la recherche d'hydrocarbure, de gaz, mais aussi les forages permanents de production. Dans un environnement un peu moins sévère, cela peut aussi être des forages dirigés dans le domaine des travaux publics. Les informations que l'on souhaite connaître en surface sont nombreuses et peuvent être par exemple la pression de la boue, le poids sur l'outil, le couple, la nature des couches traversées ou encore la position exacte de l'outil. Par ailleurs, on sait que certaines méthodes de prospection des couches traversées, nécessitent des quantités importantes d'informations. Si ces dernières peuvent être analysées et connues en temps réel, cela permet un gain considérable dans l'exécution du forage. Aussi, dans le but de gérer l'excavation du forage de la façon la plus efficace et économique possible, l'opérateur à toujours intérêt à ce que toutes ces informations soient transmises avec la vitesse la plus élevée possible et soient disponibles en surface pour pouvoir réagir. La figure 1 annexée, représente schématiquement un puits de forage en cours de réalisation, tel qu'il est généralement pratiqué dans ce domaine et notamment selon l'invention. Le train de tiges 40, constitué de tiges de forage telles que la et Ib, est mis en rotation par la table 31 du rig 37 en appui sur le sol 38. L'ensemble du train de tiges est soutenu par un moufle 33 qui permet les translations du train de tiges et l'application du poids sur l'outil de forage 44. Ce dernier est généralement fixé à l'extrémité basse d'une masse-tige 39 dans laquelle est logé un module électronique 22 qui englobe à la fois les capteurs et les moyens pour transmettre des informations vers la surface ou recevoir d'autres informations en provenance de la surface. La boue de forage propre est injectée au moyen d'une pompe au niveau de la tête d'adduction 34, passe au travers de l'ensemble du train de tiges pour ressortir au niveau de l'outil de forage. La boue chargée circule ensuite dans l'espace annulaire 36, entre la surface extérieure du train de tiges et les parois du forage 27. A l'extrémité haute du forage, un tube (ou casing) 28 est scellé dans le terrain 26 par l'intermédiaire d'un coulis de cimentation 29. Le casing étant lui-même surmonté par une vanne d'isolement (ou B. O.P) 30, au travers de laquelle le train de tiges passe, ainsi que le retour de la boue chargée, par le déversoir 35.
De nombreux procédés connus traitent de la transmission des informations issues du module 22 vers l'équipement d'enregistrement 24 en surface. En fonction des principes et moyens mis en oeuvre, la vitesse de transmission et la profondeur maximale envisageable sont très variables. On peut aussi considérer globalement que ces deux paramètres sont le reflet d'un certain compromis entre l'utilisation de tiges conventionnelles largement utilisées dans ce domaine d'une part et l'utilisation de tiges plus adaptées à ce besoin, d'autre part. Au regard de ce critère important qu'est la vitesse de transmission, on peut classer ces procédés selon deux catégories :
- La première catégorie concerne les procédés mettant en œuvre une très faible vitesse de transmission.
Un des moyens connus des plus anciens est sans doute le "mud puise" ou impulsions dans la boue. Les ondes acoustiques qu'il génère atteignent une grande profondeur, mais chacun connaissant la vitesse de propagation dans la boue qui peut être apparentée à un liquide, la fréquence de transmission est extrêmement faible et bien inférieure au hertz. D'autres procédés mettent en œuvre par différents moyens la transmission d'un signal électrique dont les lobes se propagent dans une première branche du chemin représentée par le train de tiges lui même, la seconde branche du chemin traversant obligatoirement le sol et la roche environnant le forage. C'est par exemple le cas des brevets US 4 630 243, US 2 411 696, FR 2 618 912, EP 0 964 134, US 4 684 946, US 4 496 174, 2 545 535 et bien d'autres. Tous engendrent un taux de transmission de quelques hertz à quelques dizaines de hertz dont l'amplitude s'atténue exponentiellement en fonction de la profondeur et de la conductibilité de la roche, et sont donc incompatibles avec le débit de transmission recherché.
- La seconde catégorie concerne des procédés mettant en œuvre une vitesse de transmission de quelques milliers de bauds et parfois plus.
C'est par exemple le cas des brevets 2 777 594 et 2 820 167 qui proposent une "boucle électrique fermée" dont l'une des branches est matérialisée par une colonne d'une boue conductrice à l'intérieur d'un train de tiges conventionnelles dont la paroi intérieure est revêtue d'un isolant électrique. L'autre branche étant représentée par la partie externe métallique du train de tige. Malheureusement, le "conducteur" constitué par la boue de forage n'est pas parfait et sa résistivité trop importante pour pouvoir être utilisé à grande profondeur. Dans le brevet 2 290 125, utilisant le même principe, on propose comme amélioration, l'adjonction d'une seconde couche conductrice de l'électricité en contact avec la boue pour diminuer la résistivité de la branche interne au train de tiges, mais la continuité au niveau des raccords entre chaque tige n'étant pas assurée, ce procédé ne peut fonctionner avec de la boue à l'huile non conductrice, telle qu'elle est utilisée généralement et en particulier pour éviter le gonflement des couches argileuses traversées.
Dans cette même catégorie, on connaît divers procédés insensibles aux caractéristiques de la boue et pour lesquels la transmission d'informations passe schématiquement, par au moins deux "conducteurs" isolés l'un de l'autre. Le premier, en contact avec le terrain sur toute la longueur du forage est matérialisé par la partie externe métallique du train de tiges. Le second est matérialisé par un assemblage d'autres tiges ou tubes concentriques conducteurs de l'électricité et isolées des premières par des écarteurs ou autres moyens mécaniques. C'est par exemple le cas des procédés relatifs aux brevets 2 817 588, 4 899 834, 4 012 092, 4 953 636. Un procédé similaire exposé dans le brevet EP 0 295 178 suppose même un tubage ou casing sur toute la longueur du forage, ce qui n'est pas toujours le cas. D' une manière générale, ces techniques requièrent des modifications importantes dans la conception du train de tiges, et imposent bien souvent l'exécution d'un forage de plus fort diamètre que celui strictement nécessaire et donc plus coûteux. Le procédé mis en œuvre dans le brevet WO 0 206 717 est également insensible aux caractéristiques de la boue de forage utilisée. Chaque élément du train de tiges est équipé d'un conducteur coaxial collé sur la surface interne de la tige, d'un bout à l'autre et relié aux extrémités à une bobine d'induction. Selon le procédé, une fois les tiges assemblées, les extrémités des filetages mâle et femelle des raccords ne doivent pas être distant de plus de 0.8 millimètre. La propagation se fait de tige en tige sans contact par champs magnétique via des coupleurs magnétiques. Toutefois, d'une part le conducteur est soumis à un environnement où l'abrasion de la boue est importante, d'autre part l'atténuation du signal dans un tel dispositif est importante et implique d'insérer des répéteurs sur le train de tiges tous les 300 mètres pour amplifier le signal. Un forage de 5000 mètres appliquant une telle solution est ainsi constitué de plus de 15 répéteurs espacés, ce qui augmente considérablement la complexité de l'installation, les risques de pannes et le problème majeur lié à la gestion de l'autonomie des diverses batteries installées le long du train de tiges. II y a donc une réelle attente à la fois des opérateurs de forage mais aussi des prestataires spécialisés dans les mesures associées et leur interprétation, pour la mise au point d'un train de tiges, apte à la transmission d'informations à haut débit, indépendante de la qualité de la boue utilisée et compatible avec des modifications légères des tiges couramment utilisées dans ce domaine.
Pour atteindre ce but, selon un premier mode de réalisation de l'invention, le train de tiges de forage pour la transmission d'informations indépendante de la qualité de la boue de forage, ledit train de tiges étant constitué : - d'une pluralité de tiges creuses comportant une paroi métallique cylindrique conductrice de l'électricité, une extrémité haute munie d'un manchon de raccordement femelle et une extrémité basse munie d'un manchon de raccordement mâle dont la longueur des filetages est tolérancée mais peut quand même varier de plusieurs millimètres selon les standards utilisés, lesdites tiges se caractérisent en ce qu'elles comprennent en outre :
- une ou plusieurs rainures selon l'axe longitudinale de la tige et affleurant la périphérie interne de la tige, ladite rainure servant à protéger un fil conducteur gainé de faible section, qui est maintenu en place par une résine isolante de l'électricité et résistante. Ledit fil conducteur gainé est relié d'une part en partie basse à un connecteur électrique mâle constitué par une bague conductrice de l'électricité, isolée de la boue et de la masse du train de tiges, d'autre part en partie haute à une bague filetée conductrice de l'électricité, également isolée de la boue et de la masse du train de tiges.
- une couche d'une résine résistante à l'abrasion de la boue et isolante de l'électricité recouvrant sur toute la longueur, la surface interne de la tige, ainsi que la partie courante ou longitudinale des bagues conductrices de l'électricité.
- un joint composite assurant la continuité (J.C.A C) qui est vissé par des moyens appropriés sur la bague filetée conductrice de l'électricité en partie haute et constituant un connecteur électrique femelle. Ledit joint composite une fois en place et le train de tiges constitué, assure au niveau de chaque manchon d'une part la continuité du fil conducteur gainé, de tige en tige, d'autre part l'isolement du fil conducteur gainé et des bagues conductrices de l'électricité par rapport à la masse métallique du train de tiges et la boue.
- un auto centrage et serrage des connecteurs électriques mâle et femelle sur un plan conique, ce qui assure également un minimum de nettoyage des faces en contact. On comprend que grâce à la parfaite continuité d'un premier conducteur de l'électricité représenté par les parois métalliques externes de chaque tige visée l'une à l'autre, et d'un second conducteur de l'électricité représenté par le fil conducteur gainé noyé dans la rainure de chaque tige et dont la continuité est assurée par le joint J.C.A.C, il est parfaitement possible de véhiculer des signaux sur ce bus de communication, entre le module électronique dans la masse-tige et les équipements de surface, ceci indépendamment de la qualité de la boue de forage utilisée et à grande distance. Ceci étant valable pour tous types de forages, que la boue soit en circulation normale ou inverse. Les rainures pouvant se faire très simplement lors de la fabrication des tubes extradés servant à la fabrication des tiges sans surcoût. La rainure étant relativement petite, cela n'entraîne aucune fragilité au niveau de la tige et laisse l'espace interne de la tige réservé au passage de la boue, intégralement libre et sans aucune gêne. Le principe de l'invention peut aussi bien s'appliquer à des tiges anciennes. Dans ce cas, les rainures seront réalisées par brochage ou fraisage ou tout autre moyen sur un banc spécifique.
Dans un second mode de réalisation de l'invention, la rainure est réalisée d'une part sur la partie courante du tube constituant la tige, entre les épaulements des manchons de la face externe de la paroi métallique de la tige, puis celle-ci se prolonge de part et d'autre sur la partie courante de la surface interne de la paroi métallique en passant par deux trous obliques qui sont réalisés après que les manchons filetés soient soudés. La surface externe de la tige est alors recouverte d'une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité, de même que la surface interne de la tige. On peut considérer que dans ce mode, le fil conducteur gainé est aussi protégé par le diamètre plus gros les manchons filetés. Ce second mode se prête sans doute mieux à la modification de tiges existantes, car l'usinage de la rainure est dans ce cas largement facilité.
On peut noter également qu'il est tout à fait possible d'introduire d'autres modules électroniques de mesure le long du train de tiges ainsi constitué par ce bus "bi fïlaire" en utilisant un protocole de communication du type maître / esclave. Chaque module étant alors logé dans un raccord spécifique muni de moyens pour se connecter en parallèle sur le bus.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention, apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation préférés de celle-ci, donnés à titre d'exemples non limitatifs et se référant aux figures schématiques annexées, sur lesquelles : la figure 1 déjà majoritairement décrite est une vue schématique générale d'un dispositif de forage, notamment selon l'invention. la figure 2 est une vue d'ensemble d'une tige de forage composant le train de tiges de forage illustrant le principe de l'invention. la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une tige de forage illustrant le principe de l'invention. la figure 4 est une vue de détail de la figure 3. la figure 5 est une vue du raccordement de deux tiges de forage constituant le train de tiges de forage, selon un premier mode préféré de réalisation de l'invention. la figure 6 est une vue de détail, en coupe verticale partielle de la figure 5. la figure 7 est une vue en coupe du joint composite assurant la continuité (J.C.A.C), conforme à l'invention. la figure 8 schématise la mise en place de la connexion entre deux tiges en cours de vissage. la figure 9 est une vue du raccordement de deux tiges de forage constituant le train de tiges de forage, selon un second mode de réalisation de l'invention.
Les modes de mise en œuvre décrits comportent les dispositions ci-dessus comme souvent avantageuses selon la présente invention. Il est bien entendu que les éléments mentionnés peuvent être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques.
En se réfèrent tout d'abord à la figure 1 déjà décrite en majorité pour les aspects couramment utilisés dans le domaine des forages destinés à la géothermie, l'exploration, la recherche d'hydrocarbure, de gaz, mais aussi les forages permanents de production sur terre ou en mer ou encore tout autre type de forage dans le cadre du génie civil, on va décrire le principe de l'invention. Sur cette figure, les moyens électroniques de surface 24 sont reliés au train de tiges 40 par l'intermédiaire d'un câble 25 et d'un collecteur tournant 32 situés sur la première tige 23. Les moyens électroniques de surface peuvent tout aussi bien comporter une unité d'enregistrement des mesures relatives aux capteurs situés au fond, mais aussi des dispositifs de commande pour configurer certains paramètres électroniques du module embarqué 22 ou encore commander des actionneurs pour modifier la trajectoire du forage par exemple. Au fur et mesure de l'approfondissement du forage, le train de tiges est ouvert et une tige supplémentaire est insérée entre ladite première tige 23 et le reste du train de tiges. En se référant à la figure 2, on comprend que la pluralité de tiges 1 constituant le train de tiges selon l'invention est constituée en partie supérieure d'un manchon femelle 2 dont le filetage se termine en partie basse par une face d'appui 49 et d'un manchon mâle 3 en partie inférieure dont le filetage se termine en partie basse par une face d'appui 48. Les tiges sont vissées les unes aux autres avec un couple de serrage donné pour constituer le train de tiges, les faces d'appui 48 et 49 restent distantes l'une de l'autre.
En se référant aux figures 3 et 4, représentant un premier mode de réalisation de l'invention, on comprend que une ou plusieurs rainures 5 rectilignes de faibles dimensions sont réalisées sur la face interne 46 de la paroi métallique 45 de la tige. La largeur et la profondeur de cette rainure sont variables selon les utilisations possibles, mais peuvent très bien correspondre à 20/10 de millimètre par exemple et même moins. Lorsque le tube est fabriqué par extrusion, le fond de cette rainure peut être de préférence arrondi. Un fil conducteur gainé 6 est noyé dans la rainure à l'aide d'une résine isolante de l'électricité 7 ayant une bonne dureté shore et une bonne tenue à la température. Si on souhaite à la fois communiquer et alimenter le ou les modules électroniques embarqués sur le train de tiges, à grande profondeur, une ou deux rainures supplémentaires sont réalisables. Selon le diamètre nominal de la tige utilisée, il est aussi possible de réaliser une seule rainure dont les dimensions seraient légèrement plus grandes. Le nombre de rainures n'ayant pas une influence significative lors de la fabrication du tube par extrusion, il est préférable d'en faire trois sur la périphérie interne de la tige, espacées de 120° par rapport à l'axe longitudinal de la tige. Une couche 4 de résine isolante de l'électricité et résistante à l'abrasion est réalisée sur toute la partie courante de la surface interne 46 de la tige 1. La figure 5 représente l'accouplement de deux tiges la et Ib selon l'invention et équipées d'un manchon mâle 3a et femelle 2b, entre lesquels se trouve le joint J.C.A.C 8 schématiquement représenté en coupe sur la figure 7.
La coupe partielle grossie de la figure 6 représente avec plus de détails l'accouplement de ces deux tiges. Le fil conducteur gainé 6a noyé dans la rainure 5a de la tige est soudé sur une bague conductrice de l'électricité 9, située à l'extrémité du filetage mâle du manchon 3a et isolée de la masse métallique de la tige par une coupelle isolante de l'électricité 12. Ces deux pièces circulaires sont assemblées par collage et affleurent l'extrémité basse du filetage mâle 3a. Elles constituent un connecteur électrique mâle dont l'interface de contact 41 suit une pente inclinée à 45° approximativement. Une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité 4a recouvre toute la surface interne 46 de la tige métallique, ainsi que la partie courante ou longitudinale du connecteur électrique mâle. Le fil conducteur gainé 6b noyé dans la rainure 5b de la tige Ib est soudé sur une bague filetée conductrice de l'électricité 10, située en fond du filetage du manchon femelle 2b et isolée de la masse métallique de la tige par une coupelle isolante de l'électricité 11. Ces deux pièces circulaires sont assemblées par collage.
Une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité 4b recouvre toute la surface interne de la tige métallique, ainsi que la partie courante ou longitudinale de la bague filetée conductrice de l'électricité 10.
Le joint composite assurant la continuité 8 (J.C.A.C) est principalement réalisé en caoutchouc 17 armé de fibres, tout en gardant une certaine souplesse. Ce caoutchouc est isolant de l'électricité. Différentes pièces métalliques de formes circulaires et conductrices de l'électricité constituent par ailleurs le joint J.C.A.C. Pour ne pas augmenter la complexité du dessin, il ne figure pas dans les représentations de ces pièces, divers trous 21, évidements et collerettes destinés uniquement à mieux lier ces pièces au caoutchouc lors du moulage. Parmi celles-ci figurent :
- une bague filetée 14 conductrice de l'électricité, ayant en partie basse le filetage 18 servant à la fixation du joint.
- une bague conductrice de l'électricité 13 qui est en fait constituée de plusieurs contacts en arc de cercle, matérialisant la surface conique de contact 43 du connecteur électrique femelle.
- des lames flexibles conductrices de l'électricité 15, dont la fonction est d'assurer la liaison électrique entre la bague 14 et les différents contacts en arc de cercle qui constituent la bague 13, quel que soit le serrage de plusieurs millimètres, appliqué entre les bagues 13 et 14. Ces trois pièces de forme générale circulaire, sont brasées à l'aide d'un gabarit de positionnement avant d'être moulées dans le caoutchouc en protégeant d'une part le filetage 18 de la bague 14 et la partie haute de la bague 13 qui constitue un connecteur électrique femelle.
Le joint J.C.A.C est vissé sur la bague 10 à l'aide d'un outil spécifique qui utilise les trous 53. On comprend que grâce à la relative flexibilité horizontale et notamment verticale importante du joint J.C.A.C, ce dernier peut s'adapter sur de nombreuses tiges existantes, dont la longueur des filetages mâle et femelle au niveau des manchons respectifs 3 et 2 peut varier de plusieurs millimètres selon la fabrication, ce qui est le cas de beaucoup de tiges normalisées. La figure 8 schématise la mise place de la connexion entre deux tiges en cours de vissage, selon l'invention. Les surfaces coniques respectives 43 et 42 des bagues conductrices de l'électricité 13 et 9, coulissent selon le plan incliné 41, assurant ainsi un auto centrage des connecteurs électriques mâle et femelle et un certain nettoyage de la zone de contact. C'est ainsi qu'une fois terminé l'accouplement par vissage des deux tiges, les connecteurs électriques mâle et femelle sont en contact sur une surface suffisante, la lèvre supérieure 20 du joint est plaquée sur l'arrondi final de la couche isolante 4a et le joint J.C.A.C est complètement écrasé par les filetages mâle et femelle des manchons 3a et 2b. Par ailleurs, lorsque la boue 16 à l'intérieur du train de tiges sera mise en pression, le profil 19 de la périphérie interne du joint J.C.A.C fera en sorte de plaquer encore plus les lèvres supérieure et inférieure du joint contre les couches isolantes respectives 4a et 4b.
La figure 9 représente schématiquement le second mode de réalisation de l'invention, pour lequel la rainure est réalisée sur la partie courante du tube 50 constituant la tige, entre les épaulements des manchons 2 et 3 de la face externe 47. Les trous obliques 51 sont réalisés au niveau du premier épaulement du manchon pour rejoindre la position de la rainure 5 déjà décrite dans le mode précédent. Toute la surface externe 47 de la paroi métallique 45 de la tige est alors recouverte d'une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité 52. Une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité 4a recouvre la surface interne 46 de la tige métallique, ainsi que la partie courante ou longitudinale du connecteur électrique mâle et de la bague filetée conductrice de l'électricité 10.
Comme on l'a déjà expliqué, l'ensemble des tiges avec leurs fils conducteurs gainés reliés les uns aux autres par l'intermédiaire des joints J.C.A.C d'une part, et les parois métalliques externes des tiges reliées les unes aux autres par l'intermédiaire des manchons filetés mâles et femelles qui supportent les efforts mécaniques du train de tiges d'autre part, constituent un bus bi filaire d'une relativement faible résistance linéique théorique (quelques dizaines d'ohms pour plus de 5000m), sur lequel il est parfaitement possible de véhiculer à la fois une alimentation pour les moyens embarqués ainsi que des signaux de communication à haut débit et à grande distance entre le ou les modules électroniques positionnés sur le train de tiges et les équipements de surface. Ceci indépendamment de la qualité et du sens de circulation de la boue de forage utilisée

Claims

REVENDICATIONS
1. Train de tiges de forage, constituée d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations à haut débit entre un module électronique (22) embarqué au dessus de l'outil (44) et les moyens d'enregistrement et de commande (24) situés en surface, ladite pluralité de tiges comportant :
- une extrémité haute munie d'un manchon de raccordement fileté femelle (2) et une face d'appui interne (49) ; - une extrémité basse munie d'un manchon de raccordement fileté mâle (3) et une face d'appui interne (48) qui une fois vissée est distante de la face d'appui (49) ;
- une paroi cylindrique métallique (45) conductrice de l'électricité ;
- une face externe (47) ;
- une face interne (46) ; et caractérisée en ce qu'elle comporte en outre :
- au moins une rainure (5) et au plus trois sont réalisées dans la paroi métallique (45) de la tige (1), selon son axe longitudinal; et
- une couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité (4), recouvrant sur toute sa longueur courante, la surface de la tige (1) qui porte la ou lesdites rainures (5) ; et
- un passage interne permettant la circulation de la boue (16) intégralement libre de tout obstacle ou renflement.
2. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite rainure (5) est réalisée sur la face interne (46) de la tige (1).
3. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite rainure (5) est réalisée d'une part sur la partie courante (50) du tube constituant la tige, entre les épaulements des manchons (2) et (3) de la face externe (47) de la paroi métallique (45) de la tige; puis se prolonge de part et d'autre, sur la partie courante de la surface interne (46) de la paroi métallique (45) en passant par les trous obliques (51a) et (51b) qui sont réalisés après que les manchons filetés (3a) et (2b) soient soudés.
4. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le fond de ladite rainure (5) est de forme arrondie.
5. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite rainure (5) sert à protéger un fil conducteur gainé (6).
6. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit fil conducteur gainé (6) est maintenu en place par une résine isolante de l'électricité et résistante (7) .
7. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisée en ce que ledit fil conducteur gainé (6) est relié en partie basse à un connecteur électrique mâle isolé de la boue (16) et de la masse métallique (45) de la tige.
8. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit connecteur électrique mâle est constitué par une bague conductrice de l'électricité (9) et une coupelle isolante de l'électricité (12) assemblées par collage.
9. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconques des revendications 7 à 8, caractérisée en ce que ledit connecteur électrique mâle affleure l'extrémité basse du filetage mâle (3 a),
10. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que ledit fil conducteur gainé (6) est relié en partie haute à une bague filetée conductrice de l'électricité (10) , située en fond du filetage du manchon femelle (2b) et isolée de la masse métallique (45) de la tige par une coupelle isolante de l'électricité (11) ; ces deux pièces circulaires sont assemblées par collage.
11. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite bague filetée conductrice de l'électricité (10) permet la fixation d'un joint composite (8) par l'intermédiaire de son filetage (18) et des trous (53).
12. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 11, caractérisée en ce que la partie haute du dit joint composite (8) constitue un connecteur électrique femelle qui assure au niveau de chaque manchon, d'une part la continuité du fil conducteur gainé (6) de tige en tige, d'autre part l'isolement du dit fil conducteur gainé (6) par rapport à la masse métallique (45) de la tige et la boue (16), à l'intérieur du train de tiges.
13. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, caractérisée en ce que le dit joint composite (8) est réalisé en caoutchouc armé de fibres, tout en gardant une certaine souplesse ou flexibilité horizontale et notamment verticale pour que la continuité et isolement du fil conducteur gainé (6) restent assurés pour des tiges courantes dont la longueur des filetages mâle et femelle au niveau des manchons respectifs (3) et (2) peut varier de plusieurs millimètres selon la fabrication.
14. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconques des revendications 11 à 13, caractérisée en ce que le dit joint composite (8) est constitué d'un caoutchouc résistant aux hydrocarbures et de différentes pièces métalliques de formes circulaires et conductrices de l'électricité, brasées à l'aide d'un gabarit de positionnement avant d'être moulées, dont au moins :
- une bague (13) constituée de plusieurs contacts en arc de cercle, matérialisant la surface conique (43) du connecteur électrique femelle ; et
- une bague filetée (14) ayant en partie basse le filetage (18) servant à la fixation du joint ; et
- les lames flexibles (15) , dont la fonction est d'assurer la liaison électrique entre la bague (14) et les différents contacts en arc de cercle qui constituent la bague (13), quel que soit le serrage de plusieurs millimètres.
15. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dit joint composite (8) est constitué de caoutchouc dont les caractéristiques de dureté d'une part et le profil (19) interne d'autre part, font en sorte qu'une fois le train de tiges constitué et la boue de forage (16) mise en pression, les lèvres supérieure et inférieure seront plaquées contre les couches résistantes à l'abrasion et isolantes de l'électricité respectives (4a) et (4b).
16. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dit connecteur électrique femelle en partie haute du joint composite (8), assure à la fois un auto centrage avec le connecteur électrique mâle et un certain nettoyage des zones de contact (43) et (42) qui sont inclinées à 45° approximativement.
17. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications de 7 à 11, caractérisée en ce que ladite couche de résine résistante à l'abrasion et isolante de l'électricité (4) est protégée aux extrémités de la tige par la forme arrondie de l'extrémité basse de la bague (9) du connecteur mâle d'une part et par la forme arrondie de l'extrémité basse de la bague filetée conductrice de l'électricité (10) d'autre part.
18. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon les revendications 5 et 11, caractérisée en ce que l'ensemble des tiges avec leurs fils conducteurs gainés (6) reliés les uns aux autres par l'intermédiaire des joints composite (8) d'une part, et les parois métalliques des tiges (45) reliées les unes aux autres par l'intermédiaire des manchons filetés mâles (3) et femelles (2), constituent un bus bi filaire sur lequel il est parfaitement possible de véhiculer à la fois une alimentation pour le module électronique (22) embarqué au dessus de l'outil (44), ainsi que des signaux de communication à haut débit et à grande distance, ceci indépendamment de la qualité et du sens de circulation de la boue de forage utilisée; ledit bus bi filaire permet en outre l'introduction d'autres modules électroniques de mesure le long du train de tiges ainsi constitué; chacun des modules étant alors logé dans un raccord spécifique muni de moyens pour se connecter en parallèle sur le bus.
19. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que la largeur et profondeur de la ou lesdites rainures (5) sont au plus 20/10 de millimètres et moins 5/10.
20. Train de tiges de forage, constitué d'une pluralité de tiges creuses pour la transmission d'informations selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que la ou lesdites rainures (5) sont réalisées simplement lors de la fabrication par extrusion des tubes neufs ou encore par brochage ou fraisage pour des tiges anciennes.
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