DISPOSITIF DE MESURE DYNAMOMETRIQUE POUR TIGE DE FORAGE

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage. Un dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage est connu de US-A-3 626 482.

[0002] Pour réaliser un dispositif dynamométrique de mesure des forces et contraintes exercées sur la tige de forage, le problème majeur n'est pas de prélever la mesure mais de la transmettre dans des conditions optimales vers l'ensemble d'acquisition chargé de la traiter. Ainsi, compte tenu de la longueur des câbles reliant l'ensemble de mesure à l'ensemble d'acquisition, il est capital de se prémunir de toutes les causes imaginables de dégradation des signaux à transmettre.

[0003] Par ailleurs, il est nécessaire de transmettre les signaux électriques de l'ensemble en rotation constitué par la garniture de forage vers un repère fixe constitué par le mât.

[0004] Enfin, il est nécessaire de prendre des mesures pour éviter que les signaux envoyés soient perturbés par le passage des pièces mobiles aux pièces fixes.

[0005] Un premier but de l'invention est donc de pallier au moins un de ces inconvénients.

[0006] Un autre but de l'invention est d'améliorer significativement l'information que l'on peut exploiter en provenance des capteurs.

[0007] Un autre but de l'invention est de limiter au minimum le nombre de voies compatibles tout en maintenant la meilleure qualité d'analyse de signal.

[0008] Ces buts sont atteints par le fait que le dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage comprend des capteurs disposés dans une gorge formée dans la tige de forage, chaque capteur étant apte à fournir un signal par une voie associée, un premier circuit électronique monté sur la tige de forage et destiné à conditionner les signaux fournis par les capteurs, un ensemble collecteur tournant balai fixe destiné à transmettre les signaux émanant du premier circuit électronique à une partie fixe, le collecteur tournant étant monté sur la tige de forage, le balai fixe étant monté sur la partie fixe, la traversée de l'ensemble collecteur tournant balai fixe s'effectuant à courant nul, et qu'il comprend un deuxième circuit électronique monté sur la partie fixe et relié aux balais le deuxième circuit comprenant, en aval de l'ensemble collecteur tournant balai fixe, un étage d'amplificateurs suiveurs à très haute impédance d'entrée destiné à recevoir les signaux transmis à la partie fixe, et, en aval de chaque amplificateur suiveur un circuit de séparation de la composante statique et un circuit de séparation de la composante dynamique.

[0009] Selon une autre particularité de l'invention, les signaux de mesure de chaque capteur sont transmis par une voie constituée d'une piste indépendante et une piste de masse, chacune des deux pistes étant en contact avec une double paire de balais, chaque balai ayant une fréquence de résonnance propre.

[0010] Selon une autre particularité, le dispositif comprend des capteurs pour mesurer la traction, la torsion, les accélérations longitudinales et transversales, la température et la vitesse de rotation de la tige de forage.

[0011] Un autre but de l'invention est d'assurer un compromis entre la manoeuvrabilité et l'emplacement de l'électronique.

[0012] Ce but est atteint par le fait que l'électronique solidaire des pièces tournantes, branchée entre les capteurs et le collecteur tournant, est constituée d'étages amplificateurs à basse impédance de sortie pour chaque voie de mesure.

[0013] Selon une autre particularité, l'alimentation de l'électronique entraînée en rotation est assurée par deux voies supplémentaires.

[0014] Selon une autre particularité de l'invention, la voie de séparation de la composante statique comporte un filtre passe-bas de fréquence de coupure égale à 10 KHz en série avec un amplificateur de ligne.

[0015] Selon une autre particularité de l'invention, la voie de séparation de la composante dynamique comprend un condensateur de coupure de la composante statique en série avec un filtre dynamique passe-bande de fréquence de coupure comprise entre 0,1 Hertz et 1 KHz en série avec l'amplificateur de ligne.

[0016] Un autre but de l'invention est de constituer un dispositif fiable, étanche et anti-déflagrant.

[0017] Ce but est atteint par le fait que l'ensemble est monté dans un volume limité à ses extrémités par des collerettes supérieures et inférieures montées tournantes par rapport à la tige de forage et de façon étanche, et un fourreau cylindrique de longueur correspondant à la distance séparant les collerettes supérieures et inférieures pour former un espace annulaire étanche entre la tige de forage et l'intérieur du fourreau.

[0018] D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif de mesure dynamométrique;
• la figure 2 représente le schéma de principe des composants électriques et électroniques de l'ensemble;
• la figure 3A représente le schéma du circuit électronique tournant situé en amont du collecteur à balai;
• la figure 3B représente le schéma du circuit électronique fixe situé en aval du collecteur à balai;
• la figure 4 représente le schéma de la partie alimentation du circuit électronique.

[0019] Le dispositif de mesure dynamométrique est placé sur une tige de forage (1) dans un espace délimité par une collerette supérieure (110) montée tournante et de façon étanche par rapport à la tige au moyen d'un roulement (11). De même, une collerette inférieure (120) est montée tournante au moyen d'un roulement (12) sur la tige (1). Un fourreau (100) vient se mettre en place pour former un volume étanche délimité par la collerette supérieure (110) et la collerette inférieure (120) et le diamètre intérieur du fourreau (100).

[0020] A l'intérieur du volume annulaire compris entre le fourreau (100) et la tige (1) on dispose, dans une gorge (10) de la tige (1), des jauges de traction (60,61), un couple (70,71) de jauges formant une jauge de torsion, une jauge de température (50), un couple d'accéléromètres longitudinaux (20,21) et trois accéléromètres transversaux (40,41,42). Chacune de ces jauges constitue une voie de mesure. Un circuit électronique (3) de traitement des signaux fournis par ces différents capteurs est monté solidaire de la tige de forage (1) à l'intérieur du volume délimité par les collerettes. Au-dessus de la gorge (10) et solidaire de la tige (1) est monté un ensemble de pistes formant un collecteur tournant (80). Une paire de pistes est associée à chaque voie de mesure. Les signaux délivrés par chaque paire de pistes sont prélevés par deux paires de balais associés à chaque voie et représentés par la référence (81). L'ensemble porte balais (81) est rendu solidaire de la collerette supérieure (110) qui est elle-même rendue solidaire, au moyen d'un bras d'arrêt en rotation, de la partie fixe constituée par le mât du forage. Les balais sont reliés à un second circuit électronique de traitement des signaux de chaque voie de mesure dont les sorties sont envoyées par l'intermédiaire d'un connecteur (90) vers un câble de transmission à N paires blindées individuellement par un blindage extérieur pour N/2 voies de mesure. Les signaux délivrés par les capteurs (20,40,70,60) sont envoyés à un premier circuit électronique (3) situé en amont du collecteur tournant (80) et de l'ensemble balai fixe (81). Les signaux récupérés par l'ensemble balai fixe (81) sont envoyés sur un circuit électronique (9) situé en aval de ces derniers et les sorties de ce circuit électronique sont envoyées à un connecteur ADF (90) pour transmission au câble blindé. En plus de chaque voie de mesure constituée par une paire de pistes collecteur tournant, l'ensemble collecteur-balai comporte deux autres paires de pistes destinées à transmettre l'alimentation provenant du circuit électronique fixe pour alimenter les capteurs et le circuit électronique tournant (3).

[0021] Une première paire de pistes du collecteur (80) est reliée par un condensateur (395), comme représenté à la figure 4. Cette paire de pistes fournit d'un côté une tension de + 12 volts, de l'autre côté la masse au circuit électronique tournant. La paire de pistes est reliée à une double paire de balais (81) branchés aux bornes d'un condensateur (955) lui-même connecté en parallèle aux bornes d'un condensateur (954). Ce condensateur (954) est branché d'une part à la sortie d'un circuit régulateur (953) et d'autre part à une des bornes d'un condensateur (952) dont l'autre borne est reliée à l'entrée de ce circuit régulateur (953). Un autre condensateur (951) est également branché en parallèle entre les bornes du condensateur (952). Enfin un dispositif auto-protecteur (950) est branché en parallèle aux bornes du condensateur (951) et reçoit, par le connecteur (90), d'une part l'alimentation +18 volts et, d'autre part la masse.

[0022] Un circuit identique à celui représenté à la figure 4 et portant la référence (96) sera utilisé pour constituer l'alimentation négative -12 volts nécessaire au fonctionnement des capteurs et de l'électronique tournante (3).

[0023] Une voie de mesure du dispositif constituant le circuit électronique (3) situé en amont est représenté à la figure 3A. Cette voie de mesure comprend une jauge (20) constitué, par exemple, un pont de Wheatstone constitué par association de quatre résistances (20,31,32,33). La diagonale de ce pont est reliée, d'une part à la borne positive, d'autre part à la borne négative d'un amplificateur différentiel (34) tandis que l'autre diagonale de ce pont de Wheatstone est reliée, d'une part à l'alimentation de + 12 volts, d'autre part à l'alimentation de - 12 volts. La sortie de l'amplificateur différentiel (34) est relié à l'entrée positive d'un deuxième amplificateur différentiel (35) dont la sortie est bouclée sur son entrée négative. Ce deuxième amplificateur (35) constitue un étage suiveur à très basse impédance de sortie. La sortie de cet amplificateur (35) est envoyée sur une bague de l'ensemble collecteur (80), l'autre bague du collecteur constituant la voie de mesure est formée par la masse.

[0024] Le signal envoyé par la paire de bagues est prélevé dans une double paire de balais (81,fig 3B) et envoyé sur l'entrée positive d'un amplificateur différentiel (91) dont la sortie est rebouclée sur son entrée négative. La sortie de cet amplificateur (91) est envoyée, d'une part vers un circuit d'extraction de la composante statique, d'autre part vers un circuit (94) d'extraction de la composante dynamique du signal de mesure. Ces étages sont suivis d'un étage amplificateur de ligne et de protection. L'amplificateur (91) constitue un étage suiveur à très haute impédance d'entrée. L'association de l'étage suiveur à basse impédance de sortie avec l'étage suiveur à très haute impédance d'entrée situés respectivement en amont et en aval de l'ensemble collecteur balai, permet d'assurer une transmission des signaux de mesure à courant nul. Ceci permet de disposer d'une bande passante relativement large et de conserver à la mesure sa précision, bien que l'état de propreté ou d'usure des disques et balais du collecteur constitue la principale source de bruit à l'intérieur du dispositif de mesure dynamométrique. Par ailleurs, la séparation des composantes statiques et dynamiques et l'amplification extrême de cette dernière avant transmission permet d'améliorer significativement l'information que l'on va par la suite exploiter. L'étage de séparation des composantes statiques des signaux de mesure est constitué d'un circuit intégrateur formé d'une résistance (920) montée en série avec un condensateur (921) entre la sortie de l'amplificateur (91) et la masse. Le point commun à la résistance (920) et au condensateur (921) est relié à l'entrée positive d'un amplificateur de ligne (930) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée négative. La sortie de cet amplificateur de ligne (930) est envoyée sur une résistance (931) dont la sortie est reliée d'une part au connecteur (90), d'autre part à la masse, par l'intermédiaire d'un élément protecteur (932), tel que, par exemple, une diode Zener. Le circuit d'extraction de la composante dynamique (94) est constitué d'un condensateur (940) branché à la sortie de l'amplificateur (91). Ce condensateur (940) est d'autre part relié à la masse par un circuit constitué d'une résistance (941) en série avec un condensateur (943). Le point commun à la résistance (941) et au condensateur (943) est relié, d'une part, par une résistance (942), à l'entrée négative d'un amplificateur différentiel (945) et, d'autre part, par une résistance (947), à la sortie de cet amplificateur (945). La sortie de l'amplificateur (945) est également reliée par un condensateur (946) à l'entrée négative de ce dernier. L'entrée positive de l'amplificateur (945) est reliée, par une résistance (944) à la masse. La sortie de cet amplificateur (945) est envoyée sur un filtre passe-bas constitué d'une résistance (922) reliée par un condensateur (923) à la masse. Le point commun à la résistance (922) et au condensateur (923) est relié à l'entrée positive d'un amplificateur de ligne (930) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée négative. La sortie de cette amplificateur est envoyée sur une résistance (931) reliée, d'une part au connecteur (90), d'autre part, par un fusible (932) à la masse. Le condensateur (940) permet l'élimination de la composante continue des signaux et le circuit constitué par l'amplificateur (945), les résistances (941,942,944,947), les condensateurs (943,946) constituent un filtre passe-bande dont les fréquence de coupure sont comprises entre 0,1 et KHz.

[0025] La séparation des composantes statiques et dynamiques et l'amplification extrême de cette dernière avant transmission permet d'améliorer significativement l'information que l'on peut espérer exploiter après mesure. Par exemple, le transport séparé de la composante statique et de la composante dynamique amplifiée 300 fois permet d'espèrer un rapport signal sur bruit 300 fois supérieur après transmission.

[0026] Si l'on suppose que cette composante dynamique est par la suite traitée par un ensemble numérique, c'est un accroissement non négligeable de la résolution que permet la technique de séparation des composantes statique et dynamique du signal.

[0027] La séparation des composantes statiques et dynamiques est effectuée en aval du collecteur pour diminuer le nombre de bagues du collecteur et ainsi le volume et le coût du dispositif.

[0028] Le dispositif ainsi réalisé correspond à un encombrement réduit, à un nombre de pièces minimum et à une sécurité et une qualité de mesure optimum.

[0029] Enfin la présence d'autant d'amplificateurs de lignes que de canaux à transmettre en amont de la connectique (90) permet d'améliorer les caractéristiques des signaux transmis et en particulier de diminuer le niveau de bruit de la transmission, notamment quand les équipements vieillissent. Par ailleurs, les étages de protection prévus soit au niveau des étages de sortie, c'est-à-dire après les amplificateurs de ligne soit au niveau des étages d'entrée des alimentations, protègent l'équipement contre les aléas du chantier ou plus simplement contre les parasites liés à la foudre ou à la commutation de machines électriques importantes situées à proximité.

Revendications

1. Dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage comprenant des capteurs (20,40,60,70,50) disposés dans une gorge (10) formée dans la tige de forage, chaque capteur étant apte à fournir un signal par une voie associée, un premier circuit électronique (3) monté sur la tige de forage et destiné à conditionner les signaux fournis par les capteurs, un ensemble collecteur tournant (80) balai fixe (81) destiné à transmettre les signaux émanant du premier circuit électronique à une partie fixe (110,9,81), le collecteur tournant étant monté sur la tige de forage, le balai fixe étant monté sur la partie fixe, la traversée de l'ensemble collecteur tournant (80) balai fixe (81) s'effectuant à courant nul, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième circuit électronique (9) monté sur la partie fixe et relié aux balais (81) le deuxième circuit comprenant, en aval de l'ensemble collecteur tournant (80) balai fixe (81), un étage d'amplificateurs suiveurs (91) à très haute impédance d'entrée destiné à recevoir les signaux transmis à la partie fixe, et, en aval de chaque amplificateur suiveur (91) un circuit de séparation de la composante statique et un circuit de séparation de la composante dynamique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux de chaque voie de mesure fournie par chaque capteur ou chaque jauge sont transmis par une piste indépendante du collecteur et une piste de masse.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alimentation de l'électronique (3) entraînée en rotation est assurée par une deux voies supplémentaires.

4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électronique solidaire des parties tournantes est branchée entre les capteurs (20,40,60) et le collecteur (80) tournant est constituée pour chaque voie d'un étage amplificateur (35) à basse impédance de sortie.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs, pour mesurer la traction (70,71), la torsion, (20,21), les accélérations longitudinales, (40,41,42), les accélérations transversales, (50), la température et la vitesse de rotation de la tige de forage.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de séparation de la composante statique comporte un filtre passe-bas (920,921), de fréquence de coupure égale à 10 KHz en série avec un amplificateur de ligne (930) et un élément de protection (932).

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de séparation de la composante dynamique du signal comprend un condensateur (940) de coupure de la composante statique en série avec un filtre dynamique passe-bande de fréquence de coupure comprise entre 0,1 Hertz et 1 KHz, un amplificateur de ligne (930) et un circuit de protection (932).

8. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble est monté dans un volume limité à ses extrémités par des collerettes supérieures (110) et inférieures (120) montées de façon étanche et tournantes par rapport à la tige de forage (1), et un fourreau cylindrique (100) de longueur correspondant à la distance séparant les collerettes supérieures (110) et inférieures (120) pour former un espace annulaire étanche entre la tige de forage et l'intérieur du fourreau.

Ansprüche

1. Dynamometrische Meßvorrichtung für ein Bohrgestänge, mit Meßfühlern (20, 40, 60, 70, 50), die an einem im Bohrgestänge ausgebildeten Hals (10) angeordnet sind, wobei jeder Meßfühler zur Aussendung eines Signals über einen entsprechenden Weg geeignet ist, mit einer ersten, auf dem Bohrgestänge angeordneten elektronischen Schaltung (3) zur Verarbeitung der von den Meßfühlern ausgesandten Signale, mit einer aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit, die die von der ersten elektronischen Schaltung ausgehenden Signale an ein feststehendes Teil (110, 9, 81) weitergibt, wobei der drehbare Kollektor auf dem Bohrgestänge, die feststehende Bürste auf dem festehenden Teil angeordnet ist und der Durchgang der aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit stromlos erfolgt, gekennzeichnet durch eine zweite elektronische Schaltung (9), die auf dem festen Teil angeordnet und mit den Bürsten (81) verbunden ist und die eine der aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit nachgeschaltete Verstärkerstufe (91) mit hoher Eingangsimpedanz, die die an den feststehenden Teil weitergegebenen Signale aufnimmt, und die einen Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente und einen Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente aufweist, die jedem nachgeschalteten Verstärker (91) nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale jedes Meßwegs, die von jedem Meßfühler oder von jeder Meßvorrichtung erzeugt werden, auf einem vom Kollektor unabhängigen Leiter und auf einem Masseleiter übertragen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der in Drehung versetzten elektronischen Schaltung (3) durch zwei zusätzliche Leiter gewährleistet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den drehbaren Teilen fest verbundene elektronische Schaltung zwischen die Meßfühler (20, 40, 60) geschaltet ist und der drehbare Kollektor (80) in jedem Leiter aus einer Verstärkerstufe (35) mit niedriger Ausgangsimpedanz besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Meßfühler zur Messung der Traktion (70, 71), der Torsion (20, 21), der Längsbeschleunigungen (40, 41, 42), der Querbeschleunigungen (50), der Temperatur und der Rotationsgeschwindigkeit des Bohrgestänges.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente ein Tiefpaßfilter (920, 921) mit einer Grenzfrequenz von 10 kHz aufweist, das mit einem Leitungsverstärker (930) und einem Schutzelement (932) in Reihe geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente des Signals einen Kondensator (940) zum Abschneiden der statischen Komponente aufweist, der mit einem dynamischen Bandpaßfilter mit einem Frequenzband zwischen 0,1 Hertz und 1 kHz, einem Leitungsverstärker (930) und einer Schutzschaltung (932) in Reihe geschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit in einem Raum angeordnet ist, der an seinen Enden von oberen (110) und unteren (120) Flanschen, die abdichtend und im Verhältnis zu dem Bohrgestänge (1) drehbar angeordnet sind, und von einer zylindrischen Stulpe (100), die in der Länge der Distanz entspricht, die die oberen Flansche (110) von den unteren Flanschen (120) trennt, begrenzt ist, wodurch ein abgedichteter Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Inneren der Stulpe gebildet wird.

Claims

1. Dynamometric measuring device for a drill-stem comprising sensors (20, 40, 60, 70, 50) disposed in a groove (10) formed in the drill-stem, each sensor being able to deliver a signal via an associated channel, a first electronic circuit (3) mounted on the drill-stem and intended to condition the signals provided by the sensors, a rotating commutator assembly (80) with a fixed contact arm (81) for transmitting the signals output from the first electronic circuit to a fixed part (110, 9, 81), the rotating commutator being mounted on the drill-stem, the fixed contact arm being mounted on the fixed part, the feed-through of the rotating commutator assembly (80) with the fixed contact arm (81) occurring when there is zero current, characterised in that it comprises a second electronic circuit (9) mounted on the fixed part and connected to the contact arms (81), the second circuit comprising, downstream of the rotating commutator assembly (80) with a fixed contact arm (81), a tracking amplifier stage (91) with very high input impedance for receiving the signals transmitted to the fixed part and, downstream of each tracking amplifier (91), a separating circuit for the static component and a separating circuit for the dynamic component.

2. Device according to Claim 1, characterised in that the signals of each measuring channel provided by each sensor or each gauge are transmitted by an independent track of the commutator and an earth track.

3. Device according to Claim 1 or 2, characterised in that the supply to the electronics (3) driven in rotation is provided by two additional channels.

4. Device according to any one of Claims 1 to 3, characterised in that the electronics integral with the rotating parts are connected between the sensors (20, 40, 60), and the rotating commutator (80) consists, for each channel, of an amplifier stage (35) with low output impedance.

5. Device according to Claim 4, characterised in that it comprises sensors, for measuring the traction (70, 71), the torsion (20, 21), longitudinal accelerations (40, 41, 42), transverse accelerations (50), the temperature and the speed of rotation of the drill-stem.

6. Device according to Claim 1, characterised in that the separating circuit for the static component comprises a low-pass filter (920, 921) with a cut-off frequency of 10 KHz in series with a line amplifier (930) and a protection element (932).

7. Device according to Claim 1, characterised in that the separating circuit for the dynamic component of the signal comprises a cut-off capacitor (940) for the static component in series with a band-pass dynamic filter with a cut-off frequency of between 0.1 Hertz and 1 KHz, a line amplifier (930) and a protection circuit (932).

8. Device according to any one of the preceding claims, characterised in that the assembly is mounted in a space which is restricted at its ends by upper and lower collars (110, 120) mounted in a leaktight manner and rotating relative to the drill-stem (1), and a cylindrical sleeve (100) of a length corresponding to the distance separating the upper and lower collars (110, 120) so as to form a leaktight annular space between the drill-stem and the interior of the sleeve.

Dessins