WO2006079703A1 - Tige tubulaire de forage - Google Patents

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WO2006079703A1 PCT/FR2006/000121 FR2006000121W WO2006079703A1 WO 2006079703 A1 WO2006079703 A1 WO 2006079703A1 FR 2006000121 W FR2006000121 W FR 2006000121W WO 2006079703 A1 WO2006079703 A1 WO 2006079703A1
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Giovanni Aiello
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Deviatec Sarl
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    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02Couplings; joints
    • E21B17/028Electrical or electro-magnetic connections
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency

Definitions

  • the object of the present invention is to provide a drill rod capable of constituting a signal transmission medium along its length and through its means of attachment to the rods which precede and follow it in a string of drill pipes.
  • the transmitter may be either the downhole equipment, the receiver being then the ground installation for recording the parameters recorded at the bottom, or the transmitter may be the ground equipment to control the equipment. background equipment.
  • the present invention is an alternative solution to this problem of continuity and conductivity by which it is intended to minimize losses or attenuation of the signals at each of the rod connections.
  • the object of the invention is a tubular drilling rod of electrically conductive material, comprising male connection means at one end and female at the other end and means for transmitting signals, comprising at least one flat ribbon - like electrical conductor attached along the inner surface of the shaft wall, electrically insulated from that surface which is then covered with an abrasion - resistant and at least one synthetic insulating coating.
  • annular antenna at each end of the rod, which comprises at least one annular conductor having an axis parallel to the axis of the rod and housed in a chamber formed in a cylindrical section of the male and female connection means, each annular conductor being embedded in a ring of synthetic material housed in the recess, having an insulating part opposite the faces of the chamber and a conductive part in contact with the annular conductor, the conductive portion of the ring housed in the recess of the male connection means having an outer diameter greater than that inside the conductive portion of the ring housed in the recess of the connecting means fe- melles.
  • this drill pipe rod structure lies in the fact that it is not distinguishable in the manufacture of an absolutely conventional rod. Its additional equipment can be realized in an extremely simple way with regard to the current part of this rod. In addition, this additional equipment introduces no significant roughness into the interior of the drill string which could be subjected to increased abrasion due to the disturbance introduced into the flow of the sludge.
  • the conductive ribbon is provided with through perforations so that the insulating and abrasion-resistant coating can fill these perforations and improve the fastening of the flat ribbon to the rod.
  • annular conductors located in the chambers are protected from the aggressive medium that can constitute the sludge circulating inside the rod. They are first coupled by radiation in the manner of antennas and it can advantageously be provided that each annular conductor is made in the form of a winding of several adjacent turns. And as the coupled annular conductors are housed one in the other, the quality of the transmission at the rod joint is independent of the accuracy of realization of the connecting means.
  • each of the chambers are coated with a nonmagnetic material to form a Faraday cage. They are also coupled by conduction by means of the conductive part in contact with the annular conductor and facing the recess of the other rod when two consecutive rods are butted.
  • FIG. 1 is a schematic view of a wellbore in progress
  • FIG. 2 is an external view of a drill pipe
  • FIG. 3 is a partial isometric view of the stem from a transverse sectional plane III-III of FIG. 2;
  • FIG. 4 illustrates a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a schematic view of a variant of this first embodiment
  • FIG. 1 thus represents a drilling well in progress.
  • the drill string 1, consisting of a series of drill pipes such as the., Ib is rotated by the table 2 of the installation or derrick 3 resting on the ground.
  • the entire drill string is supported by a muffle 4 which allows the translation of the drill string and the application of the weight on the drill bit 5.
  • the latter is generally attached to the lower end of a drill.
  • rod 6 in which is housed an electronic module 7 which includes both the sensors and the means for transmitting the information to the surface or receive other information from the surface.
  • the clean drilling mud is pumped through the adductor head 8, it passes through the entire drill string to exit at the drill bit.
  • the loaded sludge then circulates in the annular space 9 between the outer surface of the drill string and the walls of the borehole 10.
  • a tube 11 is sealed in the ground 12 by means of a 13.
  • the tube is itself surmounted by an isolation valve 14 through which the drill string passes as well as the return of the loaded sludge extracted by the weir 15.
  • An electronic equipment 16 surface is connected to the drill string 1 by means of a cable 17 and a rotary manifold 18 located on the first rod 19.
  • the electronic means 16 may equally well include a recording unit actuator control devices for modifying drilling trajectory for example. As drilling progresses, the drill string is opened and an additional rod is inserted between the first rod 19 and the rest of the drill string.
  • each rod used is shown in Figure 2 in its vertical orientation adapted to its insertion into the drill string.
  • each rod has an upper female sleeve 20 internally fitted with a tapered tapping 21 which extends between two bearing shoulders 22 and 23.
  • the rod comprises a nose of connection 24 with an outer conical thread 25 which extends between two shoulders 26 and 27.
  • FIG 3 there is a tubular hollow stem, Ib cut in its current portion and internally equipped with a flat conductor 28 bonded to the inner surface of the rod by means of an insulating adhesive 29 and covered and all the the remainder of the inner surface of the rod, a resin 30 forming an insulating and abrasion resistant coating.
  • This figure shows an orifice 31 opening through the flat conductor 28 and the insulating adhesive 29, this orifice having the advantage of being able to be filled by the synthetic material 30 and thus of reinforcing the connection of the conductor 28 to the drill pipe.
  • the conductive ribbon 28 of course has several.
  • a rod may have several conductive ribbons. The inner surface of the drill string is very undisturbed by these bonded and coated tapes so that this addition is hardly subject to intense erosion by the circulating sludge.
  • FIG 4 there is shown, by an axial partial section, the connection of two successive drill rods.
  • the threads 21 and 25 are framed both with respect to the male part and the female part of the rod connection elements by cylindrical sections 32, 33 for the male part and 34, 35 for the female part.
  • the cylindrical section 35 of the female part is located facing the cylindrical section 33 of the male part, each of these sections being provided with a recess 36 in the female part and 37 in the male part.
  • a circular conductor shown here in the form of flexible copper rings 38, 39 formed from braids.
  • each of these strips is embedded in a two-material elastomer 54, 55, the elastomer 54 being
  • the elastomer 55 which surrounds a ring is a conductive elastomer which faces a conductive elastomer which encapsulates the other ring, and each of the rings may have anchor extensions 56 within the ring.
  • Conductive elastomer formed for example by punctured or pressed recesses in the braid of their realization
  • the hardness of the elastomer is a hardness corresponding to that of the O-rings, for example, the dimensions of the coatings are such that when the rods are connected, there is a slight pressure between the conductive elastomers 55 which thus ensure a quasi physical continuity between the rings 38 and 39 thus an electrical continuity between them.
  • the fixing of these circular conductors in the corresponding chambers is carried out by any means and especially by gluing.It should also be noted that the chambering made on the male part of coupling is opening at the end of this piece.
  • the axis of these rings is that of the stem.
  • the connection of the rings to the conductive ribbon 28 is performed by an insulated wire 40 housed in a notch 41 formed in the shoulder 23 of the female part and by an insulated wire 42 housed in a radial orifice 43 formed in the male nose 24. substantially at the junction of the cylindrical section 33 and the threaded section 25.
  • each recess 36 and 37 is coated with a nonmagnetic sheet material 44, 45 (copper, nickel, etc.) forming a Faraday cage for rings 38 and 39 which are thus electromagnetically coupled in the manner of an antenna.
  • the quality of the coupling is independent of the accuracy of the relative axial position of the rings 38, 39 therefore the precision of the dimensions separating the shoulders 22, 23 and 26, 27 of each rod.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of this arrangement for coupling the conductive strips 28 to one another at each junction of the rod, in which recesses 46 and 47 have been made in the cylindrical sections 32 and 34 described. previously. These chambers also accommodate conductive rings 52 and 53 electrically connected to the conductor 28 corresponding to the rod in which the recess has been made by means of appropriate passages (grooving and drilling) and embedded in the elastomers 54 and 55.

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Abstract

Tige tubulaire de forage comportant des moyens de connexion mâle (24) à une extrémité et femelle (20) à l'autre extrémité et des moyens de transmission de signaux, comprenant au moins un conducteur électrique (28) en forme de ruban plat rapporté le long de la surface intérieure, isolé électriquement de cette surface qui est ensuite recouverte d'un revêtement synthétique (30) isolant et au moins une antenne annulaire (38, 39) à chaque extrémité de la tige, dans laquelle le conducteur (28) est connecté à un conducteur annulaire (38, 39, 52, 53) d'axe parallèle à l'axe de la tige et logé dans un chambrage (36,37) ménagé dans une section cylindrique (33, 35) des moyens de connexion mâles et femelles, chaque conducteur annulaire étant noyé dans une bague en matériau synthétique logée dans le chambrage, comportant une partie isolante (54) en regard des faces du chambrage et une partie conductrice (55) au contact du conducteur annulaire (38, 39) .

Description

TIGE TUBULAIRE DE FORAGE
La présente invention a pour obj et une tige de forage apte à constituer un support de transmission de signaux sur sa longueur et au travers de ses moyens d ' at- telage aux tiges qui la précèdent et la suivent dans un train de tiges de forage .
ARRIERE PLAN DE L' INVENTION
II existe de nombreux procédés traitant de la transmission des informations entre un émetteur et un ré- cepteur dans le domaine du forage, notamment pétrolier .
L ' émetteur peut être soit l ' équipement en fond de forage, le récepteur étant alors l ' installation au sol permettant d ' enregistrer les paramètres relevés au niveau de ce fond, ou l ' émetteur peut être l ' équipement au sol pour commander l ' équipement de fond.
Le pilotage d ' une opération de forage en temps réel requiert un débit de transmission de signaux de plus en plus élevé . Pour atteindre les exigences requises on s ' oriente depuis quelques années vers des technologies dans lesquelles on tente de maîtriser la qualité des supports de cette propagation de signaux tant sur le plan de sa conductivité que sur le plan de sa continuité . Le support est bien entendu réalisé sous forme d' une boucle formant une sorte de BUS de circulation des signaux . L ' une des branches de la boucle est constituée par le train de tiges lui-même et tant au plan de la conductivité qu ' au plan de la continuité, ce train de tiges répond correctement aux exigences d ' une transmission à haut débit . Il n ' en est pas de même pour l ' autre branche de la boucle qui est isolée électriquement du train de tiges mais dont la conductivité et la continuité sont beaucoup plus difficiles à réaliser .
Des solutions à ce problème sont illustrées par les documents FR 2 817 588 , US 4 899 924 , EP 295 178... On mentionnera particulièrement le document WO 0206716 et le document FR 2 819 751 qui proposent pour l ' un une solution inductive et pour l ' autre une solution conductive à l ' établissement d ' une continuité de cette seconde branche de la boucle de courant au niveau de chacune des connexions des tiges d ' un train de tiges .
OBJET DE L' INVENTION
La présente invention est une solution alternative à ce problème de continuité et de conductivité par laquelle on entend réduire au maximum les pertes ou atténuations des signaux au niveau de chacune des connexions de tige .
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION A cet effet donc, l ' invention a pour obj et une tige tubulaire de forage en matériau électriquement conducteur, comportant des moyens de connexion mâle à une extrémité et femelle à l ' autre extrémité et des moyens de transmission de signaux, comprenant au moins un conducteur électrique en forme de ruban plat rapporté le long de la surface intérieure de la paroi de la tige, isolé électriquement de cette surface qui est ensuite recouverte d ' un revêtement synthétique isolant résistant à l ' abrasion et au moins une antenne annulaire à chaque extrémité de la tige, qui comporte au moins un conducteur annulaire d ' axe parallèle à l ' axe de la tige et logé dans un chambrage ménagé dans une section cylindrique des moyens de connexion mâles et femelles , chaque conducteur annulaire étant noyé dans une bague en matériau synthétique logée dans le chambrage, comportant une partie iso- lante en regard des faces du chambrage et une partie conductrice au contact du conducteur annulaire, la partie conductrice de la bague logée dans le chambrage des moyens de connexion mâle ayant un diamètre extérieur supérieur à celui intérieur de la partie conductrice de la bague logée dans le chambrage des moyens de connexion fe- melles .
Le premier intérêt de cette structure de tige tu- bulaire de forage réside dans le fait qu ' elle ne se distingue pas en fabrication d ' une tige absolument classi- que . Son équipement supplémentaire peut être réalisé d' une manière extrêmement simple pour ce qui concerne la partie courante de cette tige . En outre, cet équipement supplémentaire n ' introduit aucune aspérité significative dans l ' espace intérieur du train de tiges qui pourrait être soumise à une abrasion augmentée du fait de la perturbation introduite dans l ' écoulement de la boue .
De manière préférée, le ruban conducteur est pourvu de perforations traversantes si bien que le revêtement isolant et résistant à l ' abrasion peut remplir ces perforations et améliorer la solidarisation du ruban plat à la tige .
Enfin la continuité de la transmission par ce conducteur rapporté, au niveau de chacune des connexions de tige, est réalisée à la fois de manière inductive et manière conductive .
Les conducteurs annulaires situés dans les cham- brages sont protégés du milieu agressif que peut constituer la boue circulant à l ' intérieur de la tige . Ils sont d' abord couplés par rayonnement à la manière des antennes et on pourra avantageusement prévoir que chaque conducteur annulaire soit réalisé sous forme d ' un enroulement de plusieurs spires adj acentes . Et comme les conducteurs annulaires couplés sont logés l' un dans l' autre, la qualité de la transmission au niveau du j oint de tige est indépendante de la précision de réalisation des moyens de raccordement .
Pour améliorer la transmission par rayonnement, on revêt les parois de chacun des chambrages d' un matériau amagnétique pour constituer une cage de Faraday. Ils sont aussi couplés par conduction au moyen de la partie conductrice au contact du conducteur annulaire et en regard du chambrage de l ' autre tige lorsque deux tiges consécutives sont aboutées . D ' autres caractéristiques et avantages de l ' invention ressortiront de la description donnée ci-après de quelques exemples de réalisation .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
II sera fait référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d ' un puits de forage en cours de réalisation,
- la figure 2 est une vue extérieure d ' une tige de forage, - la figure 3 est une vue isométrique partielle de la tige à partir d ' un plan de coupe transversal III- III de la figure 2 ,
- la figure 4 illustre un premier mode de réalisation de l ' invention, - la figure 5 est une vue schématique d' une variante de ce premier mode de réalisation,
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION Le schéma de la figure 1 représente donc un puits de forage en cours de réalisation . Le train de tiges 1 , constitué d' une suite de tiges de forage tels que la., Ib est mis en rotation par la table 2 de l ' installation ou derrick 3 en appui sur le sol . L ' ensemble du train de tiges est soutenu par un moufle 4 qui permet les translations du train de tiges et l ' application du poids sur l ' outil de forage 5. Ce dernier est généralement fixé à l ' extrémité basse d ' une masse-tige 6 dans laquelle est logé un module électronique 7 qui englobe à la fois les capteurs et les moyens pour transmettre les informations vers la surface ou recevoir d ' autres informations en pro- venance de la surface . La boue de forage propre est in- j ectée au moyen d ' une pompe au niveau de la tête d ' adduction 8 , 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 9 entre la surface extérieure du train de tiges et les parois du forage 10. A l ' extrémité haute du forage, un tube 11 est scellé dans le terrain 12 par l ' intermédiaire d ' un coulis de cimentation 13. Le tube est lui-même surmonté par une vanne d ' isolement 14 au travers de laquelle le train de tiges passe ainsi que le retour de la boue chargée extraite par le déversoir 15.
Un équipement électronique 16 de surface est relié au train de tiges 1 par l ' intermédiaire d ' un câble 17 et d' un collecteur tournant 18 situé sur la première tige 19. Les moyens électroniques 16 peuvent tout aussi bien comporter une unité d ' enregistrement que des dispositifs de commande d' actionneurs pour modifier la traj ectoire du forage par exemple . Au fur et à mesure de l ' approfondissement du forage, le train de tiges est ouvert et une tige supplémentaire est insérée entre la première tige 19 et le reste du train de tiges .
Chacune des tiges utilisées est représentée à la figure 2 dans son orientation verticale adaptée à son insertion dans le train de tiges . Ainsi, de manière connue, chaque tige possède-t-elle un manchon femelle supérieur 20 équipé intérieurement d' un taraudage conique 21 qui s ' étend entre deux épaulements d ' appui 22 et 23. En partie inférieure, la tige comporte un nez de connexion 24 avec un filetage conique extérieur 25 qui s ' étend entre deux épaulements 26 et 27. Lorsqu ' une tige est aboutée au train de tiges , son épaulement 26 est au contact de 1 ' épaulement 22 de la dernière tige du train de tiges . Il se peut également que l ' épaulement 27 soit au contact de l ' épaulement 23 de cette dernière tige mais ceci n ' est pas touj ours le cas . A la figure 3 , on retrouve une tige creuse la, Ib tubulaire sectionnée dans sa partie courante et équipée intérieurement d ' un conducteur plat 28 collé sur la surface interne de la tige au moyen d ' une colle isolante 29 et recouvert ainsi que tout le reste de la surface intérieure de la tige, d ' une résine 30 formant un revêtement isolant et résistant à l ' abrasion . On a représenté sur cette figure un orifice 31 débouchant au travers du conducteur plat 28 et de la colle isolante 29 , cet ori- fice présentant l ' avantage de pouvoir être rempli par le matériau synthétique 30 et donc de renforcer la liaison du conducteur 28 à la tige de forage . Le ruban conducteur 28 en compte bien entendu plusieurs . En outre, une tige peut comporter plusieurs rubans conducteurs . La surface intérieure du train de tiges est très peu perturbée par ces rubans collés et enrobés si bien que cette adj onction est peu suj ette à une érosion intense par la boue en circulation .
A la figure 4 on a représenté, par une coupe par- tielle axiale, la liaison de deux tiges de forage successives . On retrouve sur cette figure certains des éléments déj à décrits avec les mêmes références . On constate que les filets 21 et 25 sont encadrés tant en ce qui concerne la partie mâle que la partie femelle des éléments de liaison de tige par des sections cylindriques 32 , 33 pour la partie mâle et 34 , 35 pour la partie femelle . Lorsque l ' assemblage est réalisé, la section cylindrique 35 de la partie femelle est située en regard de la section cylindrique 33 de la partie mâle, chacune de ces sections étant pourvue d ' un chambrage 36 dans la partie femelle et 37 dans la partie mâle . Dans chacun de ces chambrages, on a disposé un conducteur circulaire ici représenté sous la forme de bagues de cuivre souple 38 , 39 formées à partir de tresses . Chacune de ces bandes est enrobée dans un élastomère à deux matériaux 54 , 55, l ' élastomère 54 étant isolant et tourné du côté des chambrages tandis que 1 ' élastomère 55 qui enrobe une bague est un élastomère conducteur qui fait face à 1 " élastomère conducteur qui enrobe l ' autre bague . Chacune des bagues peut présenter des extensions d' ancrage 56 dans l ' élastomère conducteur formé par exemple par des crevés ou des enfoncements réalisés à la presse dans la tresse de leur réalisation . La dureté de l ' élastomère est une dureté qui correspond à celle des j oints toriques par exemple . Les dimensions des enrobages sont telles que lorsque les tiges sont connectées, il existe une légère pression entre les élastomères conducteurs 55 qui assurent donc une quasi continuité physique entre les bagues 38 et 39 donc une continuité électrique entre eux. La fixation de ces conducteurs circulaires dans les chambrages correspondants est réalisée par tout moyen et notamment par collage . On notera par ailleurs que le chambrage réalisé sur la pièce mâle d ' accouplement est débouchant en extrémité de cette pièce . On peut profiter de cette disposition pour allonger axialement l ' enrobage de la bague de cuivre 39 afin de provoquer une compression axiale de cet enrobage lors de la connexion des tiges , compression axiale qui conduirait à un gonflement radial de cet enrobage et donc à un meilleur contact en- tre les parties conductrices de l ' enrobage . L ' axe de ces bagues est celui de la tige . La liaison des bagues au ruban conducteur 28 est réalisée par un fil isolé 40 logé dans une encoche 41 ménagée dans l ' épaulement 23 de la partie femelle et par un fil isolé 42 logé dans un ori- fice radial 43 ménagé dans le nez mâle 24 sensiblement à la j onction de la section cylindrique 33 et de la section filetée 25.
De manière préférée, chaque chambrage 36 et 37 est revêtu d ' un matériau amagnétique en feuille 44 , 45 , ( cuivre, nickel...) formant une cage de Faraday pour les bagues 38 et 39 qui sont ainsi couplées électromagnéti- quement à la manière d ' une antenne . La qualité du couplage est indépendante de la précision de la position axiale relative des bagues 38 , 39 donc de la précision des dimensions séparant les épaulements 22, 23 et 26, 27 de chaque tige .
A la figure 5 , on a représenté une variante de réalisation de cette disposition de couplage des rubans conducteurs 28 entre eux au niveau de chaque j onction de tige, dans laquelle des chambrages 46 et 47 ont été réalisés dans les sections cylindriques 32 et 34 décrites précédemment . Ces chambrages accommodent également des bagues conductrices 52 et 53 reliées électriquement au conducteur 28 correspondant à la tige dans laquelle le chambrage a été réalisé au moyen de passages appropriés (rainurage et perçages ) et noyées dans les élastomè- res 54 et 55.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tige tubulaire de forage en matériau électriquement conducteur, comportant des moyens de connexion mâle (24 ) à une extrémité et femelle ( 20 ) à l ' autre extrémité et des moyens de transmission de signaux, comprenant au moins un conducteur électrique (28 ) en forme de ruban plat rapporté le long de la surface intérieure de la paroi de la tige, isolé électriquement de cette sur- face qui est ensuite recouverte d ' un revêtement synthétique ( 30 ) isolant résistant à l ' abrasion et au moins une antenne annulaire (38 , 39) à chaque extrémité de la tige, caractérisée en ce que le conducteur (28 ) est connecté à chacune de ses extrémités à au moins un conducteur annu- laire ( 38 , 39, 52 , 53) d ' axe parallèle à l ' axe de la tige et logé dans un chambrage ( 36, 37 ) ménagé dans une section cylindrique (33, 35 ) des moyens de connexion mâles et femelles , en ce que chaque conducteur annulaire est noyé dans une bague en matériau synthétique logée dans le chambrage, comportant une partie isolante ( 54 ) en regard des faces du chambrage et une partie conductrice (55 ) au contact du conducteur annulaire ( 38 , 39 ) , et en ce que la partie conductrice ( 55) de la bague logée dans le chambrage des moyens de connexion mâle a un diamètre exté- rieur supérieur à celui intérieur de la partie conductrice ( 55) de la bague logée dans le chambrage des moyens de connexion femelles .
2. Tige selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ruban conducteur ( 28 ) est pourvu de perfora- tions ( 31 ) traversantes .
3. Tige selon l ' une des revendications 1 et 2 , caractérisée en ce que le conducteur annulaire est une bague ( 38 , 39 , 52 , 53 ) en métal conducteur .
4. Tige selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bague en matériau synthétique est un élastomère composite ( 54 , 55 ) .
5. Tige selon l ' une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les faces des chambrages sont revêtues d' un matériau amagnétique ( 44 , 45) formant cage de Faraday .
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