Train de tiges de forage La présente invention a pour objet un train de tiges de forage destiné, par exemple, au forage au rotary ou au turboforage de puits de pétrole, de gaz, etc.
On sait que dans les trains de tiges tradi tionnels, on lâche directement ou indirecte ment, par exemple par l'intermédiaire d'un coussin fluide, une fraction du poids de la co lonne sur l'outil. Or, toutes les colonnes tradi tionnelles flambent et, en outre, souffrent des vibrations longitudinales qui les fatiguent pré maturément.
Le flambage du train provient, d'une part, de la compression du train engen drée par la transmission aux tiges de la ré action sur l'outil et, d'autre part, de la con trainte de compression engendrée par la pous sée verticale que le fluide de forage exerce de bas en haut sur la colonne ; cette poussée croît linéairement avec la profondeur du puits alors que la charge critique de flambage décroît ra pidement avec le carré de cette même profon deur.
L'invention a pour but d'éviter ces incon vénients.
Le train de tiges de forage faisant l'objet de l'invention et dont la plus basse tige sous pression forme un cylindre dans lequel est à même de coulisser un organe relié rigidement à l'outil, ledit organe étant traversé d'au moins un canal livrant passage à la boue de forage sous pression, est caractérisé en ce qu'il pré- sente un tronçon s'étendant jusqu'à l'extrémité inférieure du train et dont l'élancement est in férieur à l'élancement critique de flambage, la paroi interne dudit tronçon étant limitée en haut-par une surface de compensation telle qu'une partie au moins de sa projection hori zontale soit extérieure à l'intersection du plan horizontal de projection avec la paroi interne du cylindre,
que cette partie soit adjacente à cette intersection et que la superficie de cette partie soit suffisante pour que la pression qui règne à l'intérieur des tiges et s'exerce de haut en bas sur cette partie équilibre approximati vement la poussée hydrostatique exercée de bas en haut sur le train de tiges, en dessous de la surface de compensation du fait du fluide de forage qui entoure le train.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes d'exécution du train de tiges faisant l'objet de l'invention.
Les formes d'exécution décrites sont desti nées au forage au rotary, c'est pourquoi on a désigné en général par piston l'organe coulis sant, mais il est entendu que l'application au turboforage est la même, le piston étant alors simplement à désigner par le terme de stator de turbine coulissante.
La fig. 1 représente une première forme d'exécution ne comportant qu'une seule sur face de compensation. La fig. 2 montre une coupe selon XX' de la fig. 1.
La fig. 3 représente le tronçon inférieur d'une deuxième forme d'exécution comportant de multiples surfaces de compensation dispo sées dans des manchons à gorge.
La fig. 4 représente un tronçon médian et en même temps montre une autre construc tion des manchons. La fig. 5 représente le bas d'un train de turboforage.
La fig. 6 est une variante de la fig. 1 dans laquelle l'unique surface de compensation est taillée non plus. dans un manchon mais dans la tige elle-même.
La fig. 7 montre schématiquement les con trôles et commandes de descente continue ou discontinue, manuelle ou automatique du train de tiges.
Le train de tiges représenté se compose, par exemple, à sa partie supérieure, d'une colonne traditionnelle reliée par un raccorde ment, évasé vers le bas, à une série de tiges de grande section d'écoulement de fluide et que, pour la facilité de cette description, on désignera par le chapelet ; la tige inférieure du chapelet en forme de cylindre contient l'or gane coulissant ; au-dessus ou au-dessous du cylindre, la paroi intérieure de cette tige est cannelée ou rainurée, c'est-à-dire, par exemple, munie de rails ou de rainures qui coopèrent avec des verrous ou des galets dont les sup ports sont implantés dans le piston ou, dans le cas du turboforage, dans le stator de la tur bine.
Ainsi, l'organe coulissant n'a pas de vi tesse angulaire relative à la colonne ; il est entraîné en rotation par celle-ci, ses galets glissent ou roulent le long des rails ou rai nures.
En cas de turboforage sans rotation de la colonne, le mouvement absolu de l'organe de coulissement est vertical; en cas de forage au rotary ou de turboforage avec lente rotation de la colonne, ledit mouvement est hélicoïdal.
Si l'on se réfère aux fig. 1 et 2, on voit en 1 une colonne traditionnelle de forage au ro- tary ;e n 2un de diamètre épaulement extérieur s'évasant D,D..,, vers (intérieur le bas, d. qui <I>)
</I> assure la liaison de la colonne traditionnelle au chapelet 3 des tubes de diamètre D, <I>></I> D3 (intérieur d, > d,;) ; en 4 on voit la surface de compensation du manchon qui surmonte immédiatement le cylindre 5 de diamètre in térieur d1 <I> < </I> d2 et de diamètre extérieur<I>Dl.</I> 6 est le piston dont les joints sont en 18 et dont la jambe 7 est solidaire de la queue 8 de l'outil 9 ; le piston est traversé par le canal 10 d'entrée 11 et dont 12 est la représentation symbolique de l'ajutage de sortie ;
en fait, il y a autant d'ajutages que l'outil comporte de cônes. P,, et To sont les composantes de la ré action de la formation sur l'outil.
13 sont des rails implantés dans le cylin dre limités par les butées circulaires 14 et 15 ; 16 sont des galets dont les axes 17 sont logés dans des alésages radiaux de la jambe du pis ton; une bague 19 permet le coulissement de la jambe.
On comprend aisément que, d'une part, le piston, donc l'outil, sont entraînés en rotation par le cylindre au moyen des rails et galets ; les axes 17 sont dimensionnés de manière à céder au cisaillement en cas d'un couple de torsion excessif.
Dans la zone de l'outil, et du fait de l'ori fice 20, la pression sur la face inférieure du piston se compose de la pression hydrostati que<I>pl</I> accrue de la pression p', nécessaire pour remonter les débris. Sur la face supérieure du piston s'exerce à peu de chose près, car le piston n'est pas long, sensiblement la même pression hydrostatique<I>pl</I> accrue de la pression p, qui est celle, moins les pertes de charge, délivrée par les pompes de surface. La chute de pression<I>A =</I> p,-p'. est conditionnée no tamment par l'ajutage 12 ou les ajutages s'il y en a plusieurs dans le cas de tricônes, par exemple.
Sous l'effet de cette différence de pression A, le piston appuie sur la formation ; c'est cette force qui remplace le traditionnel poids sur l'outil ; par exemple, pour A = 100 at, si la section effective du piston est 200 cm2, cette force sera de 20 tonnes.
Dans le cas représenté par la fig. 1, la projection horizontale de la surface annulaire 4 de compensation est donnée par
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tandis que la surface de poussée est
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On voit que le diamètre<B>Dl</B> extérieur du cy lindre ne joue pas de rôle ; on pourrait, par exemple, et sans rien changer aux conditions, le faire aussi grand que D2 en conférant de la sorte au cylindre une épaisseur considérable et une grande rigidité ;
en alésant un tel cylin dre épais au diamètre d., sur une faible lon gueur à sa partie supérieure, on créerait la surface annulaire de compensation dans la paroi même du cylindre et c'est ce qui est représenté fig. 6. Dans ce cas, le manchon est classique ; la surface annulaire peut évi demment être plane et horizontale ou conique, droite ou courbe.
Si l'on fait abstraction du poids du cylin dre, lequel poids n'est pas important et agit d'ailleurs dans un sens favorable en réduisant la grandeur de la force de compensation
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on trouve immédiatement que, pour que la section de la colonne soit neutralisée immé diatement au-dessus de l'évasement, il suffit d'égaler F à la poussée
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laquelle équation de condition permet un di- mensionnement de la surface annulaire de compensation qui préserve la colonne de la compression, et à fortiori du flambage, au- dessus de la section neutralisée ;
quant au cy lindre, il est assurément soumis à la compres sion, mais comme il est très court, quelques mètres au plus, son élancement est très faible et il est loin de pouvoir flamber.
On peut évidemment conserver le diamètre D2 (intérieur d2) jusqu'au sommet de la co lonne, ou bien encore à la distance L mètres de son extrémité on peut raccorder le chapelet à une colonne de petit diamètre par un épau lement 2. Pour que, néanmoins, la colonne reste intégralement suspendue et ne repose pas en 2 sur le fluide, et par là sur le piston et l'outil, il suffit que la section immédiatement au-dessus de l'épaulement 2 ne soit pas com primée et soit tendue ou pour le moins neu tralisée.
Au niveau de l'épaulement, la pression in térieure est p2 -f- p,, et la pression extérieure est p2 -!- p", où p., est la pression hydrostati que ;
la section considérée est ainsi soumise de haut en bas, d'une part, au poids cL si c est le poids d'un mètre de la colonne et, d'autre part, à la pression extérieure p= -I- p"5 qui, s'exerçant de haut en bas sur la section
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développe une force
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et de bas en haut, à la force
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provenant de la pression intérieure.
La résultante est nulle et la section en question est neutralisée si
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laquelle équation de condition permet la dé termination de la cote L qui détermine la lon gueur L du chapelet. Ainsi, la longueur totale des masses-tiges est notablement plus petite que dans les trains de tiges traditionnels.
En résumé, dans les versions représentées aux fig. 1 et 6, il n'y a qu'une seule surface de compensation (en 4), un seul tronçon com primé (entre 4 et la tranche inférieure du train) très court et ne flambant pas, tout le restant du train étant sous tension. Dans les versions représentées aux fig. 3, 4 et 5, il y a de multiples surfaces de compen sation le long du chapelet, de multiples tron çons comprimés entre deux surfaces de com pensation successives ou entre la tranche infé rieure et la première surface de compensation.
Ces tronçons sont très courts et ne flambent pas. L'intérêt des formes d'exécution représen tées aux fig. 3, 4 et 5 est que la section de pistonnage n'est pas réduite par rapport à celle des tiges du chapelet.
Si l'on considère la fig. 3 qui représente le tronçon inférieur d'un chapelet à piston, on revoit le piston 6 relié à l'outil 9, le trou d7équi- librage 20, en 5 la tige qui contient le piston et qui est renflée en 21 ; le manchon au dia mètre extérieur D4 est en deux parties, 22 et 23, le boîtier inférieur 22 contenant la gorge 26 au diamètre intérieur maximum d4. La tige 25 est reliée par son renflement 24 au bdtier supérieur 23. .
La partie supérieure de cette tige 25 est reliée à la suivante par un manchon identique à celui illustré en 22/23 muni aussi d'une gorge, et ainsi de suite jusqu'à la cote d'équi libre qui détermine, comme on l'a déjà vu, la longueur du chapelet.
Cette forme d'exécution comprend plu sieurs surfaces de compensation constituées par les anneaux circulaires formant les bases des gorges des manchons ; la grandeur d'une telle surface est
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et la pression qui s'y exerce est<I>pl</I> + p5 <I>;</I> comme .on l'a déjà vu dans l'étude de la ver sion précédente, on détermine d4 de manière à équilibrer la poussée ; alors, au droit de la gorge, la section est neutralisée.
Entre deux sections neutralisées successi ves, le tronçon de train est comprimé mais très court et ne peut donc flamber. Il n'est pas nécessaire que tous les manchons soient à gorge pourvu que le tronçon compris entre deux manchons à gorge soit assez court pour ne pas flamber. On a dessiné en pointillé le gabarit du dia mètre<I>Dl =</I> D;, et, dans l'exemple considéré, le diamètre d4 s'étend jusqu'à ce gabarit, mais il peut parfaitement le dépasser.
Dans la fig. 4, on voit un tronçon médian du chapelet et aussi le manchon 30 de raccor dement du chapelet à la colonne traditionnelle 31.
Le tronçon médian est représenté par les tiges 27 et 29 reliées par le manchon double 28 et 33 ; le manchon 28 a une gorge 32 dont la surface de compensation est en 58.
Si l'on considère la fig. 5 qui représente le bas d'un train de turboforage, on voit en 59 la turbine à étages multiples qui actionne l'outil 9 ; en 18, on voit les segments de coulisse ment du stator de la turbine ; 14 et 15 sont les butées de course des galets 16 logés radiale- ment dans des bras du stator ; en 13 on voit les rails ; 70 est un manchon dont la gorge est 71, tandis que 72 est la surface de compen sation.
Il n'est pas indispensable que le cylindre 5 descende plus bas que le point limite atteint dans sa course par le segment inférieur 18, mais la turbine, c'est-à-dire essentiellement le rotor et les aubes directrices, peut se prolon ger, avec un diamètre accru, bien en dessous de la tige la plus basse ; elle peut même se trouver entièrement en dessous ; il suffit que coulisse dans le cylindre un prolongement de l'enveloppe fixe (stator) du rotor.
On sait que dans une turbine se développe une poussée axiale qui remplace avantageusement le poids sur l'outil ; mais dans les turbines de forage traditionnelles, cette poussée n'était que par tiellement utilisée contre la formation du fait qu'elle était empêchée de s'exercer pleinement par la résistance de la colonne ; dans le train représenté, au contraire, cette poussée axiale dynamique est pleinement utilisée contre la for mation puisque axialement la turbine est libre par rapport à la colonne.
La fi-. 4 peut aussi bien être superposée au bas du train à piston selon la fig. 3 qu'au bas du train à turbine selon la fig. 5.
La longueur L du chapelet est déterminée dans les formes d'exécution des fig. 3, 4 et 5, comme on l'a déjà expliqué à propos de la fig. 1.
5i l'on se reporte à la fig. 7, on voit le puits foré par l'outil 9 ; on voit en 5 le tronçon inférieur du train de tiges, en 35 la tête d'in jection, en 34 la table de rotary ; 10 est le piston, 16 un des galets dont la course est li mitée par les butées supérieure 14 et inférieure 15.
Un dynamomètre 36, par exemple à huile, est inséré entre le câble 37 et la tête d'injection 35 ; le câble est enroulé sur un treuil 60 por tant un cadran 61 sur lequel on peut lire le déroulement et qu'on appelle pour cette raison une jauge de profondeur; le zéro de ce cadran est déplaçable et doit notamment être remis sous l'index chaque fois que l'on ajoute des tiges.
Le dynamomètre est relié par une con duite 38 à un manomètre-indicateur 39 ; ce manomètre porte des contacts 41 et 42 grâce auxquels il est possible d'exciter l'un ou l'au tre des relais 43 et 44, de préférence à relâ chement différé, et d'actionner des contacts 45 ou 46 qui commandent des signalisations et des servomécanismes ; le manomètre 39 est aussi à zéro déplaçable.
En 53, on voit une motopompe, dont la commande est symbolisée par le levier 52 et qui envoie de la boue sous pression par la conduite 49 dans la tête d'injection ; le mano mètre 48 permet en tout temps la mesure de la pression ; 40, 50 et 51 sont des vannes.
Dans le cadre 90 de la fig. 7, on a disposé un exemple de la machinerie dans lequel un moteur électrique 65, commandé par un rhéostat 67, actionne au moyen d'une courroie 63 le disque d'entraînement d'un dispositif 64 d'embrayage réversible entraînant un plateau relié à l'arbre 62 du treuil ; l'embrayage est commandé lui-même par un contrôleur 66 ; l'arbre 62 du treuil peut ainsi être commandé dans un sens ou dans l'autre à la vitesse que l'on veut.
Cet arbre 62 est freiné par des sabots 68 et 69 qui sont doublement commandés : d'une part, par l'intermédiaire d'un piston 55 se dé plaçant dans un cylindre 54 et dont la pression est réglée par un régulateur 47 à commande électrique, contrôlé par les relais 43 et 44 et, d'autre part, par un piston 57 coulissant dans un cylindre 56 relié par la conduite 84 au dyna momètre 36.
En outre, un cylindre 80, dont le piston 81 est muni d'une vis 83 commandée par le volant 82, est branché aussi sur la conduite 84.
La poussée sur le piston 57 varie comme le poids de la colonne ; on conçoit donc que, par un dimensionnement approprié du piston et des leviers, les sabots 68 et 69 fournissent sur l'arbre du treuil un couple de freinage qui équilibre, par exemple, 80 % du couple mo- teur engendré par le poids de la colonne, tan dis que la poussée sur le piston 55, alimenté par la pompe,
est réglée de manière à équili- brer, par exemple, 10 % du couple moteur. Dès lors, la colonne descend à une certaine vi tesse v2 appropriée à la vitesse de pénétration v1 de l'outil dans la formation ;
si la poussée du piston 55 augmente du fait d'une action télécommandée sur le régulateur 47, la colonne descend à une vitesse v'2 < v2 et si au con traire cette poussée diminue, la colonne des cend à une vitesse v"2 > v2.
Un deuxième procédé de réglage de la vi tesse v2 consiste à agir manuellement ou par servomécanisme sur le volant 82 ; un accrois sement du volume de la chambre de compres sion anéantit la pression dans le cylindre 56 et desserre le frein. On agit, par exemple, sur ce volant 82 lorsque, pour remonter aisément la colonne, on veut desserrer les sabots.
Un troisième procédé de réglage de la vi tesse v., consiste à entraîner l'arbre 62 par le moteur et l'embrayage.
Les fonctionnements semi-automatique et automatique sont, par exemple, les suivants Tout d'abord on détermine la vitesse v1 de perforation et à cet effet on repère la position exacte de l'outil au temps t1 en laissant des cendre la colonne jusqu'à ce que le manomètre indicateur 39 marque une décharge et l'on place alors l'index de la jauge au zéro.
Au temps t2 on repère à nouveau de la même façon la position exacte de l'outil et on lit directe ment sur la jauge le déplacement effectué pen- dant le temps t, <I>-</I> t1, ce qui donne la vitesse v1 de perforation en fonction de la pression réglable de la pompe 53.
Par l'un des procédés décrits, on peut im poser à la colonne une vitesse de descente ar bitrairement choisie ; on lui donne précisément une vitesse v. = v1 et dès lors, tant que la moyenne de v1 ne change pas il n'y a pas de mouvement relatif du piston par rapport au cylindre et le forage se poursuit sans aucune intervention, c'est-à-dire qu'il se déroule auto matiquement durant toute cette période.
Dès qu'intervient une modification de v1 soit dans un sens soit dans l'autre, c'est-à-dire dès qu'une vitesse relative naît entre le piston et le cylin dre, le galet se rapproche d'une des butées et, au moment de leur rencontre, l'indicateur 39 donne un signal ; on modifie alors la vitesse v., de descente selon cette indication ; c'est la descente semi-autômatique.
Dans le régime pleinement automatique, le signal de l'indicateur qui ferme le circuit des contacts 41 ou 42 actionne la soupape appro priée du régulateur 47, ce quia pour effet d'augmenter ou de diminuer la pression dans le cylindre 54 et de changer le couple de frei nage, c'est-à-dire de régulariser la vitesse v; dans le sens désiré. Dès que ce résultat est atteint, le galet se distance des butées et un instant plus tard les contacts 41 ou 42 s'ou vrent, la pression dans le cylindre 54 restant stabilisée à sa nouvelle valeur.
On conçoit qu'il existe de multiples va riantes au dispositif dessiné sans changer pour cela l'obédience du sabot aux rectifications subordonnées à la vitesse de descente, trans mises par un piston; par exemple, les deux pistons 55 et 57 peuvent être montés l'un der rière l'autre avec une tige commune, ce qui simplifie les leviers ; même le piston 57 peut être supprimé, mais alors la position du régu lateur doit être modifiée à chaque adjonction de tiges.
The present invention relates to a drill string intended, for example, for rotary drilling or turbo-drilling of oil, gas, etc. wells.
It is known that in traditional drill strings, a fraction of the weight of the column is released directly or indirectly, for example by means of a fluid cushion, on the tool. However, all the traditional columns flare up and, moreover, suffer from longitudinal vibrations which tire them prematurely.
The buckling of the train comes, on the one hand, from the compression of the train generated by the transmission to the rods of the reaction on the tool and, on the other hand, from the compression stress generated by the vertical thrust that the drilling fluid exerts from the bottom up on the column; this thrust increases linearly with the depth of the well, while the critical buckling load decreases rapidly with the square of this same depth.
The object of the invention is to avoid these drawbacks.
The drill string forming the subject of the invention and whose lowest pressure rod forms a cylinder in which is able to slide a member rigidly connected to the tool, said member being traversed by at least one channel providing passage to the pressurized drilling mud, is characterized in that it has a section extending to the lower end of the train and whose slenderness is less than the critical buckling slenderness , the internal wall of said section being limited at the top by a compensation surface such that at least part of its horizontal projection is outside the intersection of the horizontal plane of projection with the internal wall of the cylinder,
that this part is adjacent to this intersection and that the area of this part is sufficient so that the pressure which reigns inside the rods and is exerted from top to bottom on this part approximately balances the hydrostatic thrust exerted from bottom to high on the drill string, below the compensation surface due to the drilling fluid surrounding the string.
The appended drawing represents, by way of example, some embodiments of the drill string forming the subject of the invention.
The embodiments described are intended for rotary drilling, which is why the sliding member has generally been designated by piston, but it is understood that the application to turbofilling is the same, the piston then being simply to be designated by the term sliding turbine stator.
Fig. 1 shows a first embodiment comprising only one compensating face. Fig. 2 shows a section along XX 'of FIG. 1.
Fig. 3 shows the lower section of a second embodiment comprising multiple compensation surfaces arranged in grooved sleeves.
Fig. 4 shows a middle section and at the same time shows another construction of the sleeves. Fig. 5 represents the bottom of a turboforming train.
Fig. 6 is a variant of FIG. 1 in which the single compensation surface is not cut either. in a sleeve but in the rod itself.
Fig. 7 schematically shows the controls and commands for continuous or discontinuous, manual or automatic descent of the drill string.
The drill string shown consists, for example, at its upper part, of a traditional column connected by a connection, flared downwards, to a series of rods with a large fluid flow section and that, for the ease of this description, we will denote by the rosary; the lower rod of the cylinder-shaped rosary contains the sliding gold; above or below the cylinder, the inner wall of this rod is grooved or grooved, that is to say, for example, provided with rails or grooves which cooperate with bolts or rollers whose supports are located in the piston or, in the case of turboforming, in the stator of the turbine.
Thus, the sliding member has no angular speed relative to the column; it is driven in rotation by the latter, its rollers slide or roll along the rails or grooves.
In the event of turbofilling without rotation of the column, the absolute movement of the sliding member is vertical; in the case of rotary drilling or turbo drilling with slow rotation of the column, said movement is helical.
Referring to Figs. 1 and 2, we see at 1 a traditional rotary drilling column; e n 2un of external shoulder diameter widening out D, D .. ,, towards (inside the bottom, d. Which <I>)
</I> ensures the connection of the traditional column to the string 3 of tubes of diameter D, <I>> </I> D3 (inside d,> d ,;); at 4 we see the compensation surface of the sleeve which immediately surmounts the cylinder 5 with an inside diameter d1 <I> <</I> d2 and an outside diameter <I> Dl. </I> 6 is the piston whose seals are at 18 and whose leg 7 is integral with the shank 8 of the tool 9; the piston is crossed by the inlet channel 10 11 and 12 of which is the symbolic representation of the outlet nozzle;
in fact, there are as many nozzles as the tool has cones. P ,, and To are the components of the reaction of the training on the tool.
13 are rails located in the cylinder dre limited by the circular stops 14 and 15; 16 are rollers whose pins 17 are housed in radial bores of the leg of the pis ton; a ring 19 allows the sliding of the leg.
It is easily understood that, on the one hand, the piston, and therefore the tool, are rotated by the cylinder by means of the rails and rollers; the pins 17 are dimensioned so as to yield to shearing in the event of an excessive torque.
In the area of the tool, and due to port 20, the pressure on the underside of the piston consists of the hydrostatic pressure <I> pl </I> increased by the pressure p ', necessary for lift up debris. On the upper face of the piston is practically exerted, because the piston is not long, approximately the same hydrostatic pressure <I> pl </I> increased by the pressure p, which is that, less the losses charge, delivered by the surface pumps. The pressure drop <I> A = </I> p, -p '. is conditioned in particular by the nozzle 12 or the nozzles if there are several in the case of tricones, for example.
Under the effect of this pressure difference A, the piston presses on the formation; it is this force which replaces the traditional weight on the tool; for example, for A = 100 at, if the effective section of the piston is 200 cm2, this force will be 20 tons.
In the case represented by FIG. 1, the horizontal projection of the annular compensation surface 4 is given by
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while the thrust surface is
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It can be seen that the outer diameter <B> Dl </B> of the cylinder does not play a role; one could, for example, and without changing the conditions, make it as large as D2, thus giving the cylinder considerable thickness and great rigidity;
by reaming such a cylinder dre thick to the diameter d., over a small length at its upper part, the annular compensation surface would be created in the wall of the cylinder itself and this is what is shown in fig. 6. In this case, the sleeve is conventional; the annular surface can obviously be flat and horizontal or conical, straight or curved.
If we disregard the weight of the cylinder dre, which weight is not important and also acts in a favorable direction by reducing the magnitude of the compensation force
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we immediately find that, for the section of the column to be immediately neutralized above the flare, it suffices to equal F to the thrust
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which equation of condition allows a dimensioning of the annular compensation surface which preserves the column from compression, and a fortiori from buckling, above the neutralized section;
as for the cylinder, it is undoubtedly subjected to compression, but as it is very short, a few meters at most, its slenderness is very low and it is far from being able to buckle.
We can obviously keep the diameter D2 (inside d2) up to the top of the column, or even at the distance L meters from its end we can connect the string to a column of small diameter by a shoulder 2. So that , nevertheless, the column remains fully suspended and does not rest in 2 on the fluid, and thereby on the piston and the tool, it is sufficient that the section immediately above the shoulder 2 is not compressed and either taut or at least neutralized.
At the level of the shoulder, the internal pressure is p2 -f- p ,, and the external pressure is p2 -! - p ", where p., Is the hydrostatic pressure;
the section considered is thus subjected from top to bottom, on the one hand, to the weight cL if c is the weight of one meter of the column and, on the other hand, to the external pressure p = -I- p "5 which, exercising from top to bottom on the section
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develop strength
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and from the bottom up, to the force
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from internal pressure.
The result is zero and the section in question is neutralized if
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which equation of condition allows the determination of the dimension L which determines the length L of the string. Thus, the total length of the drill chucks is significantly smaller than in traditional drill strings.
In summary, in the versions shown in FIGS. 1 and 6, there is only one compensation surface (in 4), a single compressed section (between 4 and the lower edge of the train) very short and not blazing, all the rest of the train being under voltage. In the versions shown in fig. 3, 4 and 5, there are multiple compensation surfaces along the string, multiple sections compressed between two successive compensation surfaces or between the lower edge and the first compensation surface.
These sections are very short and do not buckle. The advantage of the embodiments shown in FIGS. 3, 4 and 5 is that the piston section is not reduced compared to that of the rods of the string.
If we consider fig. 3 which shows the lower section of a piston chain, we see the piston 6 connected to the tool 9, the balancing hole 20, in 5 the rod which contains the piston and which is bulged at 21; the sleeve with the external diameter D4 is in two parts, 22 and 23, the lower case 22 containing the groove 26 with the maximum internal diameter d4. The rod 25 is connected by its bulge 24 to the upper bdtier 23..
The upper part of this rod 25 is connected to the next by a sleeve identical to that illustrated in 22/23 also provided with a groove, and so on until the free balance level which determines, as is has already seen, the length of the rosary.
This embodiment comprises several compensation surfaces formed by the circular rings forming the bases of the grooves of the sleeves; the size of such a surface is
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and the pressure exerted on it is <I> pl </I> + p5 <I>; </I> as we have already seen in the study of the previous version, we determine d4 so to balance the thrust; then, to the right of the throat, the section is neutralized.
Between two successive neutralized sections, the train section is compressed but very short and therefore cannot buckle. It is not necessary that all the sleeves be grooved provided that the section between two grooved sleeves is short enough not to buckle. We have drawn in dotted lines the template of the diameter <I> Dl = </I> D ;, and, in the example considered, the diameter d4 extends to this template, but it can perfectly exceed it.
In fig. 4, we see a middle section of the string and also the sleeve 30 for connecting the string to the traditional column 31.
The middle section is represented by the rods 27 and 29 connected by the double sleeve 28 and 33; the sleeve 28 has a groove 32 whose compensation surface is at 58.
If we consider fig. 5 which represents the bottom of a turbofilling train, we see at 59 the multistage turbine which operates the tool 9; at 18, the sliding segments of the stator of the turbine can be seen; 14 and 15 are the travel stops of the rollers 16 housed radially in the arms of the stator; in 13 we see the rails; 70 is a sleeve whose groove is 71, while 72 is the compensating surface.
It is not essential that the cylinder 5 descends lower than the limit point reached in its stroke by the lower segment 18, but the turbine, that is to say essentially the rotor and the guide vanes, can be extended. , with an increased diameter, well below the lowest stem; it may even be entirely below; it suffices that an extension of the fixed casing (stator) of the rotor slides in the cylinder.
It is known that in a turbine an axial thrust develops which advantageously replaces the weight on the tool; but in traditional drilling turbines this thrust was only partially used against formation as it was prevented from being fully exerted by the resistance of the column; in the train shown, on the contrary, this dynamic axial thrust is fully utilized against the formation since the turbine is axially free relative to the column.
The fi-. 4 can also be superimposed on the bottom of the piston train according to FIG. 3 at the bottom of the turbine train according to FIG. 5.
The length L of the string is determined in the embodiments of FIGS. 3, 4 and 5, as has already been explained in connection with FIG. 1.
5i reference is made to FIG. 7, we see the well drilled by tool 9; we see at 5 the lower section of the drill string, at 35 the injection head, at 34 the rotary table; 10 is the piston, 16 one of the rollers the stroke of which is limited by the upper 14 and lower 15 stops.
A dynamometer 36, for example oil, is inserted between the cable 37 and the injection head 35; the cable is wound on a winch 60 por as a dial 61 on which one can read the progress and which is called for this reason a depth gauge; the zero of this dial is movable and must in particular be put back under the index each time the rods are added.
The dynamometer is connected by a conduit 38 to a manometer-indicator 39; this pressure gauge carries contacts 41 and 42 thanks to which it is possible to energize one or the other of the relays 43 and 44, preferably with delayed release, and to actuate contacts 45 or 46 which control signals and servomechanisms; the manometer 39 is also at zero movable.
At 53, a motor-driven pump is seen, the control of which is symbolized by the lever 52 and which sends pressurized mud through line 49 into the injection head; the manometer 48 allows pressure measurement at all times; 40, 50 and 51 are valves.
In the frame 90 of FIG. 7, there is an example of the machinery in which an electric motor 65, controlled by a rheostat 67, actuates by means of a belt 63 the drive disc of a reversible clutch device 64 driving a plate connected to the shaft 62 of the winch; the clutch is itself controlled by a controller 66; the shaft 62 of the winch can thus be controlled in one direction or the other at the desired speed.
This shaft 62 is braked by shoes 68 and 69 which are doubly controlled: on the one hand, by means of a piston 55 moving in a cylinder 54 and the pressure of which is regulated by an electrically controlled regulator 47 , controlled by relays 43 and 44 and, on the other hand, by a piston 57 sliding in a cylinder 56 connected by line 84 to the dynameter 36.
In addition, a cylinder 80, the piston 81 of which is provided with a screw 83 controlled by the flywheel 82, is also connected to the pipe 84.
The thrust on the piston 57 varies as the weight of the column; it can therefore be seen that, by appropriate sizing of the piston and the levers, the shoes 68 and 69 provide on the shaft of the winch a braking torque which balances, for example, 80% of the motor torque generated by the weight of the column, tan say that the thrust on the piston 55, supplied by the pump,
is set so as to balance, for example, 10% of the engine torque. Consequently, the column descends at a certain speed v2 appropriate to the speed of penetration v1 of the tool in the formation;
if the thrust of the piston 55 increases due to a remote-controlled action on the regulator 47, the column descends at a speed v'2 <v2 and if, on the contrary, this thrust decreases, the ash column at a speed v "2> v2.
A second method of adjusting the speed v2 consists in acting manually or by servomechanism on the flywheel 82; increasing the volume of the compression chamber releases the pressure in cylinder 56 and releases the brake. We act, for example, on this flywheel 82 when, to easily raise the column, we want to loosen the shoes.
A third method of adjusting the speed v. Consists of driving the shaft 62 by the motor and the clutch.
The semi-automatic and automatic operations are, for example, the following First of all, the perforation speed v1 is determined and for this purpose the exact position of the tool is identified at time t1, leaving the column to ash until that the indicating manometer 39 marks a discharge and the index of the gauge is then placed at zero.
At time t2, the exact position of the tool is again marked in the same way and the displacement carried out during time t, <I> - </I> t1 is read directly on the gauge, which gives the perforation speed v1 according to the adjustable pressure of the pump 53.
By one of the methods described, it is possible to impose on the column an arbitrarily chosen rate of descent; we give it precisely a speed v. = v1 and therefore, as long as the average of v1 does not change there is no relative movement of the piston with respect to the cylinder and the drilling continues without any intervention, that is to say takes place automatically throughout this period.
As soon as there is a modification of v1 either in one direction or the other, that is to say as soon as a relative speed arises between the piston and the cylinder, the roller approaches one of the stops and , at the time of their encounter, the indicator 39 gives a signal; the speed v. of descent is then modified according to this indication; it is the semi-automatic descent.
In fully automatic mode, the signal from the indicator which closes the circuit of contacts 41 or 42 activates the appropriate valve of the regulator 47, which has the effect of increasing or decreasing the pressure in the cylinder 54 and changing the pressure. braking torque, that is to say to regulate the speed v; in the desired direction. As soon as this result is reached, the roller moves away from the stops and an instant later the contacts 41 or 42 open, the pressure in the cylinder 54 remaining stabilized at its new value.
It will be understood that there are multiple variations to the device drawn without changing for that the obedience of the shoe to the corrections subordinate to the speed of descent, transmitted by a piston; for example, the two pistons 55 and 57 can be mounted one behind the other with a common rod, which simplifies the levers; even the piston 57 can be omitted, but then the position of the regulator must be changed with each addition of rods.