Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
7~9
I.a presen~e invention concerne un nouveau dispositif de
mesure des contraintes s'appliquant à une garniture de forage en
service, c'est-à-dire à l'ensemble situé au fond du puit~ fore qui
comprend le trepan, éventuellement le moteur de fond le surmontant
et les masses-tiges.
On connaît déjà des dispositifs de ce type par le brevet
fran~ais n 2 041 342 et par le brevet U.S. n~ 3 855 853.
Ces dispositifs comprennent des moyens de mesure constitues
par des jauges de contraintes, ces moyens étant fixés à au moins un
organe élastiquement déformable sous l'ef~et des contraintes~ou
corps d'épreuve (manchon métallique d'épaisseur relativement faible),
qui relie deux conduits se raccordant respectivement à une section `~
supérieure et à une section inférieure de la garniture de forage.
Un manchon solidaire d'un desdits conduits protege l'orga-
ne déforma~le contre la pression radiale et des moyens de sécurité
limitent le déplacement relatif desdits conduits sous l'effet des
contraintes appliquées à la garniture de foraye, afin d'éviter la
détérioration, ou la rup-ture, de l'organe déformable sous l'effet
d'un accroissement momentané des contraintes appliquées.
Ces dispositifs antérieurs sont cependant soumis à des
contraintes longitudinales importantes dues à la pression hydrosta-
tique de la boue de forage et a un effet de pistonnage du au rétré-
cissement de la section d'écoulement du fluide de forage (effet cle
fond).
. ~,.
Par exemple t si dans un outil de diametre nominal 9 1/2
pouces, aucune précaution n'a été prise pour éliminer ces effets,
on peut avoir avec 600 bars de pression hydrostatique, une force
axiale de compression de 70 tonnes sur le corps d'épreuve, alors
que l'on veut mesurer des forces de 0 à 40 tonnes. De même, la
force due à l'effet de fond, quand une pression differentielle de
200 bars s'exerce entre l'interieur de l'o~til et llexterieur, .
peut atteindre une force axiale de traction de 20 tonnes ou une ~`
force compressionnelle axiale de 20 tonnes si la pression exterieure
est supérieure ~ la pression intérieure de 200 bars.
Les mesures effectuees par le corps d'épreuve dans ces
~,:
: . , ., ,: , : .,
~LZ~76~
condi~ions doivent être corrigées de valeurs largement superieures
à la plage de mesure. Ces corrections ne peuvent être faites que
si les pressions sont connues avec precision7 sinon, aucune mesure
valable ne peut être faite.
L'objet de l'invention est, par suite, de realiser un dis-
positif de mesure du type indique qui ne soit pas soumis à des con-
traintes longitudinales dues à la pression hydrostatique et à l'effet ~;~
de fond.
L'invention permet donc la reduction de la section utile
du corps d'epreuve au minimum afin d'obtenir la sollicication ma- ~
ximale des capteurs de mesure et d'obtenir ainsi la sensibilite ma- ~ -
ximale.
- L'invention est illustree par les figures annexees où :
- la figure 1 illustre un exemple de realisation de l'invention,
- la figure 2 represente, en vue partielle, une variante de ce mode
de realisation,
- la figure 3 illustre un autre mode de realisation pouvant notam-
ment convenir à des garnitures de forage de petit diamètre~
Sur la figure 1, illustrant à gauche la partie superieure
et à droite la partie inferieure d'un premier mode de realisation
de l'invention, la reference 1 designe un organe deformable sous ;
l'effet des contraintes appliquees à la conduite de forage, cet or-
gane etant, par exemple, constitue par un tube metallique dont une
partie au moins (la partie 1 a sur la figure 1) est d'epaisseur ré-
duite de manière à être relativement deformable sous l'action de
contraintes de traction, de compression et/ou de torsion s'exerçant
sur la garniture de forage.
Les deformations de cet organe peuvent être detectees par ;~
des-jauges de contraintes 2 pouvant être d'un type connu et compre-
nant, par exemple, des jauges disposees parallèlement à l'axe dudispositif pour la mesure des contraintes de traction et de compres-
sion et des jauges perpendiculaires aux precedentes, pour mesurer
les contraintes de torsion. Ces jauges sont reliees electriquement
en 3 à des circuits electroniques 4 auxquels sont egalement connec-
:
t~s d'autres capteurs mesurant d'autres paramè-tres au fond du puits
Poré, par exemple le caoteur 5 mesurant la temperature et les cap-
teurs 6 a et 6 b mesurant respectivement la pression à l'exterieur
et à l'interieur de la garniture de forage. Les mesures de ces di-
" vers capteurs sont transmises des circuits 4 jusqu'à la surface par
l'intermediaire du cable 7 relie à une fiche coaxiale 8.
Dans le cas o~ la conduite de forage est une conduite fle-
xible à laquelle sont incorpores des conducteurs de transmission
d'information, la fiche ~ peut être raccordee à l'un au moins de
ces conducteurs.
Le dispositif peut aussi être relie à un système de trans-
mission par impulsions de pression dans la boue de forage ou ~ tout
autre système de transmission. Dans ce cas, des circuits electroni-
ques appropries traitent les informations pour les rendre compati-
bles avec ledit système de transmission.
L'alimentation des circuits electriques 4 en énergie elec- ;
trique pourra être réalisee c~ partir ~e batteries plac~es au fond
ou par l'intermediaire de conducteurs relies à la surface du puits
fore, ou bien le dispositif sera alimente en energie par le systeme
de transmission.
:
L'organe d~formable 1 relie deux conduits adjacents 9 et
10 auxquels il est, par exemple, fixé par des clavettes 11 et 1~.
Un manchon externe 14, rendu solidaire du conduit 10 par tout moyen
approprie, par exemple des clavettes 15 et ecrou 15 a, prot~ge l:or-
gane deformable 1 contre la pression radiale externe. Le conduit 9
se raccorde par le filetage 9 a à une section inferieure de la gar-
niture de forage et un embout 14 a du manchon 14, solidaire du con-
duit 10 se raccorde par le filetage 14 c à une section superieure
de cette garniture. Le fluide de ~orage peut s'ecouler dans ]es
~ 30 conduits 9 et 10 ~flèche), à travers des canaux tels que le canal
- 13 menage dans le conduit 10.
Des joints annulaires isolent de la boue de forage la par-
tie 1 a de faible epaisseur de l'organe deformable 1.
Des moyens de securite limitent l'amplitude du deplacement
relatif des conduits 9 et 10 sous l'effet des contraintes appli~uees
à la garniture de forage, afin d'empêcher la rupture de l'organe
76~
déformable 1, qui pourrait résulter de valeurs accidentellement éle-
vées des contraintes (au-del~ de la gamme de mesure).
Dans les exemples de réalisation illustrés, ces moyens de
sécurité sont constitués par des galets 16, 17 fixés à un embout
14 b du manchon 14 et traversant des boutonnières ou fentes 16 a
ou une gorge 17 a, dont chacune offre aux galets qui les traversent : :
un jeu limité dans au moins une direction ~les boutonnières peuvent
être circulaires, avec un diamètre supérieur à celui des galets 16
et 17, ou être ovalisées dans une direction).
Ces moyens permettent à l'organe 1 d'avoir des deformations
limitées dans plusieurs directions correspondant aux différentes
contraintes ~traction, compression, torsion) appliquées à la garni-
ture de forage.
~.
Lorsque la limite de déformation fixée pour l'organe 1 est
atteinte, l'un au moins des galets 16, 17 vient en butée con-tre le
bord d'une boutonnière dont le profil a été déterminé suivant la
valeur-limite admise pour la déformation de l'élément sensible sous
l'effet des contraintes, dans chaque direction de celle-ci.
On fixera, par exemple, cette limite à ~0 tonnes pour des
efforts de traction et ~ 1 000 mkg pour des couples de torsi.on
s'exer~ant sur la garniture de forage, ces valeurs n'étant, bien
entendu~ donnees qu'à titre d'ordres de grandeur.
Lorsque la limite est atteinte, le conduit 9 prend en char-
ge une partie des efforts que subissait jusgu'alors le seul organe
déformable 1~ .
D'autres moyens de sécurité peuvent être utilisés pour re-
lier avec un jeu limité l'organe déformable 1 au conduit 9, par
exemple des filetages carrés complémentaires ayant entre eux un
certai.n jeu.
Dans les différents modes de réalisation illustrés, le
conduit 9 présente au voisinage de l'extrémite 18 du conduit 10
une première portion de paroi cylindrique ayant sensiblement meme
diamètre externe (correspondant à la section Sl) que le conduit ~.0
au voisinac~e de son extremité 18 (section SO du conduit 10).
~LlZ~76~
Cette egalite de section supprime toute force axiale pou-
vant resulter de la pression hydrostatique agissant sur les extré-
mites adjacentes des conduits 9 et 10 du dispositif. En effet, le
volume 1 a soumis à la pression atmosphérique qui contient ~es cir-
cuits électroniques 4 et le corps d'épreuve 1 ne possède aucune
section transversale exposée à la pression hydrostatique, ce qui
élimine tout effet de piston ou vérin. Les poussées radiales sont
contenues par les parties cylindriques des pièces 1, 9, 10, 14 et
les poussées axiales par la section au niveau de l'écrou 15 a en
haut et par la paroi annulaire 20 en bas, toutes parties solidaires
de la meme piece 14. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention
supprime l'influence sur les mesures de l'organe de l'inévitable ;~
réduction de sec-tion d'écoulement à l'extrémité inférieure de la
garniture de forage a laquelle est raccordée le trépan et éventuel-
lement un moteur de fond entrainant celui-ci, cette réduction de
section se traduisant normalement (compte-tenu de la différence de
pression entre l'intérieur et l'extérieur de la garniture de forage)
par une poussée axiale diri~ée vers le bas, que l'invention compense
par la disposition qui va être décrite ci-dessous.
Le manchon 14 forme avec le conduit 9 les parois latérales
d'un espace annulaire limité par deux éléments annulaires 20 et 21
qui constituent les paro.is d'extrémité de cet espace annulaire.
:.
L'un de ces éléments, l'élément 20, est situé au niveau de
la premi~re portion cylindrique 19 du conduit 9 et l'autre element,
l'elément 21, est situe au niveau d'une seconde portion de paroi
c~lindrique 22 de section externe S2 du conduit 9. L'element annu- ~;
laire 20 est fixé au manchon 14 en 23 et permet le coulissement de
la première portion de paroi externe 19 du conduit 9.
L'élément annulaire 21 est fixé au manchon 14 par le file-
ta~e 24 et permet le coulissement de la seconde portion de paroi
externe 22 du conduit 9.
Dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, l'es-
pace annulaire entre les élements 20 et 21 est divise par le piston
annulaire 25 en une première chambre annulaire 26 en communication
avec l'extérieur de la garniture de forage ~ travers au moins un
orifice 27 et en une seconde chan~re annulaire 28 en communication
avec l'intérieur de la ~arniture à travers au moins un orifice 29.
.; ~
21~7~
Dans l'exemple cle la figure 1, le piston annulaire 25 est
connecté au conduit 9 par le filetage 25 a et peut coulisser de ~a~
~on étanche à l'interieur du manchon 14.
Par ailleurs, si l'on designe par S la section interne du.
manchon 14 au niveau du piston 25, l'alre sl = S - Sl de la section
droite-efficace de la première chambre annulaire 26 au niveau.du .sommet du piston 25 est, par construction, sensiblement egale a
l'aire (S2) de la section droite externe de la seconde portion de
paroi cylindrique 22 du conduit 9 et l'aire s2 = S - S2 de la sec-
tion droite efficace de la seconde chambre annulaire 28 est sensi- ,
blement égale a l'aire (Sl) de la section droite externe de la pre-- :
miere portion de paroi cylindrique 19 du conduit 9.
Les effets de cet agencement sont les suivants : ~.
ler cas : la pression a l'intérieur de la ~arniture de forage est
supérieure à la pression Pe à l'extérieur de cette qarni-
ture.
' .
Compte tenu de la réduction de la section d'ecoulement du
fluide de forage à la partie inférieure de la garniture de forage,
due ~ la présence du trépan (éventuellement surmont~. d'un moteur de
fond), une force verticale dirigée vers le bas, de valeur
(Pi - Pe) x S
est appliquée au conduit 9.
A cette force sloppose une force verticale dirigée vers le
haut, de valeur
.
appliquée au piston 25.
Ces deux forces appliquées aux pieces solidai~es 9 et 25
se compensent, puisque s2 = Sl.
2ème cas : la pression à l'extérieur de la garniture de forage Pe
est supérieure à la pression Pi à l'intérieur de cette
garniture.
~Z~769 ~
Il en résulte une force verticale dirigee vers le haut, de
valeur : -
,,
(Pe - Pi3 x S2
appliquée au conduit 9.
A cette force s'oppose une force verticale dirigée vers
le bas, de valeur :
(Pe - Pi) x s
appliquée au piston 25.
Ces deux forces appliquées aux mêmes p1èces solidaires 9
et 25 se compensent, puisque sl = S2.
Llagencement de la figure 1 permet donc de compenser l'ef-
fet sur l'organe déformable 1~ de la pression différentielle entre
l'interieur et l'extérieur de la garniture de forage.
Il convient de noter ~ue dans ce mode de réalisation de ~.
la figure 1, on a l'égalité :
Sl + 51 = S2 + S2'
La figure 2 represente, en vue partielle, une variante du
mode de réalisation précédent, comportant un certain nombre de ~-~
modif1cations. ~ :
20Tout dlabord, les éléments annulaires 20 et 21 du mode de :~
réalisation précédent sont remplacés par des éléments 20 a et 21 a : :
- respectivement, qui, cette fois, sont solidaires du conduit 9 (fi-
letages 30 et 31 respectivement) et peuvent coulisser le long de la
paroi interne du manchon 14 et la disposition des chambres annulai-
res 26 (en communication avec l'extérieur de la garniture de forage) .:~
et 28 (en communication avec l'intérieur), est inversée par rapport
au piston annulaire 25. Ce dernier est ici solidaire du manchon 14 ~
et permet le coulissement du conduit 9. `~ -
Par ailleurs, du côté de l'élément 21 a opposé à la chambre
,. ..
8~76~ ~
26 est ménagee une chambre annulaire 32 contenant de l'air à la
pression atmosphérique, cette chambre etant limitee par un piston
annulaire 33 qui la separe d'une autre chambre annulaire, la chambre
34, communiquant par l'orifice 35 avec l'exterieur de la garniture
de forage.
Dans le mode de realisation illustre par la figure 2, on ` ~:
soustrait l'organe deformable 1 ~ l'influence de la.pression hydro- -~
statique et de la pression differentielle entre l'interieur et l'ex-
terieur de la garniture de forage en construisant le dispositif de
façon que :
S -- S
et .Sl x Pi = 52 x Pi .
S2 x Pe = 51 x Pe
ce qui implique :
Sl = S2 - Sl S2
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation qui se
distingue de celui de la figure 1, par le dedoublement des chambres
annulaires 26 et 28 (chambres annulaires 26 a et 26 b de sections
annulaires efficaces sl et s'l respectivement, communiquant avec ~ -
l'exterieur de la garniture de forage et chambres annulaires 28 a
et 28 b de sections annulaires efficaces s2 et s'2 respectivement~
communiquant avec l'interie~r de la garniture).
Les chambres annulaires 26 a et 28 a sont menagees de
part et d'autre du piston 25 et les chambres annulaires 26 b et
28 sont menagees de part.et d'autre d'un autre piston annulaire
36, qui est dispose entre le piston annulaire 20 a et l'element
annulaire 21, et lie au conduit 9 par le filetage 36 a. Un piston
37, lie au manchon 1~ et permettant le coulissement du conduit 9,
separe la chambre 28 a de la chambre 28 b.
Dans ce mode de realisation, la compensation des effets
de la pression hydrostatique et de la pression differentielle entre
l'intérieur et l'e~terieur de la garniture de forage est obtenue en
~.~LZ~76~ ~
construisant le dispositif de fa~on que :
s2 S'2 = S
., , ' .
51 = s'1 = 53- .
Ce mode de réalisation peut, en particulier, être intéres~
sant dans le cas de garnitures de forage de faible diamètre, la
double condition ci-dessus étant alors plus facile à réaliser que
les deux conditions ~-
S2 = Sl et sl S2
attachées au mode de réalisation illustré par la figure 1. -~
~ .
.,~: . .
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