FR2976966A1 - Drill string element for use with well head device, has antenna monitor for evaluating parameter for sub-assembly to select antennae set as parameters derived from sub-assembly and command actuator to connect antennae to electronics - Google Patents
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Abstract
Description
VAMDRILL 103 .FRD.doc Dispositif tubulaire à communication radiofréquence pour tête de puits de forage L'invention concerne les forages en profondeur ou en grande profondeur, en particulier les forages pétroliers. Au fur et à mesure qu'un forage pétrolier avance, il faut de temps à autre ajouter un ou 5 plusieurs tubes en tête du puits de forage. C'est pourquoi un tel puits comporte en surface une construction verticale porteuse que l'on appelle "derrick". Le derrick et les équipements qu'il contient, notamment le système d'entraînement en rotation, seront désignés ici, dans leur ensemble, "appareil de tête de puits". Comme on le verra plus en détail ci-après, un appareil de tête de puits est un lieu étroit 10 très encombré. Le derrick porte un système mécanique qui permet de tenir la colonne de tubes de forage ("drill string"), ainsi que de la faire monter et descendre. Au levage de la colonne de tubes, l'excursion verticale vers le haut est de dix mètres ou plus. Il en est de même pour l'excursion verticale vers le bas, pendant le forage. L'appareil de tête de puits comprend encore l'entraînement de la colonne de tubes en 15 rotation, pour le forage, ainsi que le système qui permet de dévisser et revisser un ou plusieurs tubes (ou d'autres équipements) sur la colonne de tubes déjà formée. À cela s'ajoute le système d'injection et de reprise des boues de forage, qui servent notamment à actionner le trépan. Enfin, différents types de systèmes de sécurité sont nécessaires. On cherche actuellement à rendre la colonne de tubes communicante, de façon à pouvoir 20 échanger de l'information entre d'une part le haut du puits, et d'autre part le fond du puits, ou bien des équipements intermédiaires insérés dans la colonne de tubes. Pour cela, au sein de la colonne de tubes, chaque tube est équipé de coupleurs de communication à ses extrémités, et d'une liaison électrique entre ces coupleurs. En haut du puits, il y a lieu de faire passer les informations entre la colonne de tubes, qui 25 tourne et se déplace verticalement, et un équipement électronique de surface fixe. La liaison entre la colonne de tubes et cet équipement électronique de surface est appelée ici "interface de surface". Le choix de cette liaison par l'interface de surface est critique. En effet, si cette liaison vient à s'interrompre, l'équipement de communication prévu dans la colonne de tubes 30 elle-même devient inutile, et l'on perd toutes les informations et commandes sur lesquelles on comptait. The invention relates to deep or deep drilling, in particular oil drilling. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As oil drilling progresses, it is necessary from time to time to add one or more tubes at the head of the wellbore. This is why such a well has on the surface a vertical carrier structure that is called "derrick". The derrick and the equipment therein, including the rotary drive system, will be referred to herein as a "wellhead apparatus". As will be discussed in more detail below, a wellhead apparatus is a narrow and very congested place. The derrick carries a mechanical system that allows to hold the column of drill pipes ("drill string"), as well as up and down. When lifting the column of tubes, the vertical upward excursion is ten meters or more. It is the same for the downward vertical excursion during drilling. The wellhead apparatus further includes driving the spinning column of tubes for drilling, as well as the system for unscrewing and screwing one or more tubes (or other equipment) onto the column. already formed tubes. In addition, there is the system for injecting and recovering drilling muds, which serve in particular to operate the drill bit. Finally, different types of security systems are needed. Attempts are currently being made to make the column of tubes communicating, so as to be able to exchange information between, on the one hand, the top of the well, and on the other hand the bottom of the well, or intermediate equipment inserted in the column. of tubes. For this, within the tube column, each tube is equipped with communication couplers at its ends, and an electrical connection between these couplers. At the top of the well, it is necessary to pass the information between the column of tubes, which rotates and moves vertically, and a fixed surface electronic equipment. The connection between the column of tubes and this electronic surface equipment is called here "surface interface". The choice of this connection by the surface interface is critical. Indeed, if this link comes to an end, the communication equipment provided in the column of tubes 30 itself becomes useless, and we lose all the information and commands on which we counted.
On peut imaginer de nombreuses solutions. Parmi celles-ci, peu sont réellement applicables en pratique, en raison des nombreuses contraintes qu'il faut satisfaire, et notamment en raison de l'environnement encombré de l'appareil de tête de puits. Par exemple, US 2010/0214121 décrit une colonne de forage dotée d'un dispositif de communication comprenant un unique émetteur capable d'opérer une transmission sans fil avec un ou plusieurs "coordinateurs" fixes. Ces coordinateurs sont en fait des antennes réceptrices situées en tête de puits. La transmission envisagée est conforme au standard IEEE 802.15.4, lequel permet de transférer des données avec un débit assez faible. Le dispositif de communication en question utilise des signaux de contrôle ou de balise provenant du ou des coordinateurs afin de déterminer le meilleur coordinateur disponible et/ou, pour un coordinateur en particulier, le meilleur moment pour lui transmettre des données. La transmission de données se trouve limitée à une partie du trajet rotationnel de la colonne, typiquement un arc de 120°, ou à certaines périodes temporelles. Ceci vise à 15 minimiser l'énergie consommée pour la transmission de données. Il est alors nécessaire de réaliser un calage de l'émetteur sur les coordinateurs pour déterminer des périodes temporelles propices au transfert de données : une fois un coordinateur valable détecté, on utilise la vitesse de rotation de la colonne pour déterminer une succession de périodes temporelles de transmission, lesquelles 20 correspondent aux passages successifs de l'émetteur à proximité du coordinateur en question. Le dispositif connu de US 2010/0214121 souffre de certains inconvénients. Comme on l'a vu, il faut connaître la vitesse rotationnelle de la colonne, laquelle est susceptible de varier dans le temps, par exemple selon l'évolution des difficultés de 25 forage. Typiquement, des capteurs supplémentaires doivent être embarqués dans la colonne, ce qui pose le problème de leur intégration et de leur alimentation électrique. En outre, pour des vitesses rotationnelles élevées, on dispose de peu temps pour mener à bien un transfert de données. Il apparaît encore que le dispositif en question n'offre qu'un débit de transfert assez réduit, 30 lequel peut s'avérer insuffisant, en raison notamment des améliorations récentes dans le domaine de la remontée d'informations depuis le fond du puits. We can imagine many solutions. Of these, few are really applicable in practice, because of the many constraints that must be met, especially because of the crowded environment of the wellhead device. For example, US 2010/0214121 discloses a drilling column provided with a communication device comprising a single transmitter capable of operating a wireless transmission with one or more fixed "coordinators". These coordinators are in fact receiving antennas located at the wellhead. The proposed transmission complies with the IEEE 802.15.4 standard, which allows data to be transferred at a relatively low rate. The communication device in question uses control or beacon signals from the coordinator (s) to determine the best coordinator available and / or, for a particular coordinator, the best time to transmit data to him or her. The data transmission is limited to a part of the rotational path of the column, typically an arc of 120 °, or at certain time periods. This is to minimize the energy consumed for data transmission. It is then necessary to calibrate the transmitter on the coordinators to determine time periods suitable for data transfer: once a valid coordinator has been detected, the rotation speed of the column is used to determine a succession of time periods of time. transmission, which correspond to the successive passes of the transmitter near the coordinator in question. The known device of US 2010/0214121 suffers from certain disadvantages. As we have seen, it is necessary to know the rotational speed of the column, which is likely to vary over time, for example according to the evolution of drilling difficulties. Typically, additional sensors must be embedded in the column, which poses the problem of their integration and their power supply. In addition, for high rotational speeds, there is little time to carry out a data transfer. It also appears that the device in question offers only a relatively small transfer rate, which may be insufficient, particularly because of recent improvements in the field of feedback from the bottom of the well.
Enfin, on ne peut que difficilement multiplier le nombre des coordinateurs, c'est-à-dire des antennes réceptrices, car, comme on l'a vu plus haut, l'environnement offert par l'appareil de tête de puits est déjà très encombré par des éléments indispensables aux opérations de forage. Finally, it is difficult to multiply the number of coordinators, that is to say receiving antennas, because, as we saw above, the environment offered by the wellhead device is already very cluttered by elements essential to drilling operations.
US 2010/0224409 Al décrit un insert d'usure, ou "saver sub" en anglais, qui est utilisé pour raccorder la colonne de tubes de forage au système d'entraînement. Cet insert d'usure est équipé d'antennes qui permettent une transmission de données sans fil avec une antenne de surface, réalisée sous la forme d'une antenne parabolique. Selon US 2010/0224409 Al, l'émission/réception des données pourrait se faire à peu près dans toutes les directions, notamment sur 360° autour de l'insert, ce qui permettrait d'établir une communication même lorsque l'insert est mû en rotation ou déplacé d'une quelconque manière. Le fonctionnement de ces antennes n'est pas expliqué plus en détail. Il semble que l'idée soit de faire rayonner le plus largement possible l'ensemble des antennes autour de l'insert d'usure, dans toutes les directions, de façon que l'antenne parabolique puisse à peu près toujours capter les données émises par l'insert en question. Le système de US 2010/0224409 Al ne résout pas certains problèmes qui se posent en pratique dans la technique, tels que la consommation énergétique des éléments électroniques embarqués ou l'encombrement de l'environnement du puits de forage, pour n'en citer que quelques uns. US 2010/0224409 A1 discloses a wear insert, or "saver sub" in English, which is used to connect the drill string column to the drive system. This wear insert is equipped with antennas that allow wireless data transmission with a surface antenna, made in the form of a satellite dish. According to US 2010/0224409 A1, the transmission / reception of the data could be done approximately in all directions, in particular 360 ° around the insert, which would establish a communication even when the insert is moved. in rotation or moved in any way. The operation of these antennas is not explained in more detail. It seems that the idea is to radiate as widely as possible all antennas around the wear insert, in all directions, so that the satellite dish can almost always capture the data transmitted by the insert in question. The system of US 2010/0224409 A1 does not solve certain problems that arise in practice in the art, such as the energy consumption of embedded electronic elements or the congestion of the wellbore environment, to name but a few. some.
La présente invention vient améliorer la situation. Elle vise un élément de colonne de forage du type comprenant un corps d'allure générale axisymétrique et un dispositif de communication par voie d'ondes embarqué dans ledit corps. Cet élément est remarquable en ce que le dispositif de communication comprend un jeu d'antennes comprenant une pluralité d'antennes réparties en périphérie dudit corps, autour de l'axe de symétrie de celui-ci, et capables d'opérer en émission et en réception, une électronique de travail capable d'organiser des transferts de données, en émission et en réception, un actionneur capable de brancher sélectivement les antennes dudit jeu à l'électronique de travail, et un moniteur d'antennes agencé pour évaluer régulièrement une grandeur de qualité de réception pour un sous-ensemble au moins du jeu d'antennes, sélectionner répétitivement une ou plusieurs antennes dudit jeu en fonction des grandeurs de qualité de réception issues dudit sous-ensemble et commander l'actionneur pour brancher la ou les antennes ainsi sélectionnées à l'électronique de travail. The present invention improves the situation. It relates to a drill string element of the type comprising an axisymmetric general-looking body and a wave communication device embedded in said body. This element is remarkable in that the communication device comprises a set of antennas comprising a plurality of antennas distributed at the periphery of said body, around the axis of symmetry thereof, and capable of operating in transmission and transmission. reception, work electronics capable of organizing data transfers, transmitting and receiving, an actuator capable of selectively connecting the antennas of said game to the work electronics, and an antenna monitor arranged to regularly evaluate a magnitude of reception quality for at least a subset of the set of antennas, repetitively selecting one or more antennas of said set according to reception quality variables from said subset and controlling the actuator to connect the antenna or antennas as well selected at work electronics.
L'élément proposé permet des communications entre la colonne de forage et un ou plusieurs dispositifs de la surface, fixes, qui présentent un excellent débit et une faible consommation énergétique. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires, supplémentaires, ou de 5 substitution, sont énoncées ci-après : La ou les antennes sélectionnées comprennent une ou plusieurs antennes parmi ledit sous-ensemble et/ou une ou plusieurs antennes voisines des antennes dudit sous-ensemble. Le moniteur d'antennes est en outre agencé pour évaluer régulièrement un critère 10 de commutation et commander l'actionneur à chaque fois que le critère de commutation est vérifié. Le critère de commutation comprend une comparaison entre une durée écoulée depuis la dernière activation et une durée prédéterminée. La durée prédéterminée est calculée à partir d'une valeur de vitesse de rotation 15 dudit corps, en prenant en compte la répartition des antennes autour de l'axe de symétrie du corps. - La valeur de vitesse de rotation est déterminée à partir de l'évolution temporelle de la grandeur de qualité de réception de l'une au moins des antennes activées. Le critère de commutation comprend une comparaison de valeurs sensiblement 20 instantanées de grandeurs de qualité de réception se rapportant aux antennes activées d'une part et, d'autre part, aux autres antennes dudit sous-ensemble. L'électronique de travail est capable de basculer répétitivement entre un mode réception et un mode transmission. L'électronique de travail est agencée pour opérer en mode transmission pendant 25 une période temporelle d'une durée déterminée et pour basculer en mode d'émission en l'absence de modification des antennes qui lui sont branchées durant ladite période temporelle. Le jeu d'antennes comprend une pluralité d'antennes surfaciques régulièrement réparties autour de l'axe de symétrie dudit corps. 30 - Le corps loge une vanne de sécurité. The proposed element allows communications between the drill string and one or more fixed surface devices that exhibit excellent throughput and low power consumption. Optional features of the invention, complementary, additional, or substitution, are set out below: The selected antenna or antennas comprise one or more antennas among said subset and / or one or more antennas adjacent antennas of said sub -together. The antenna monitor is further arranged to periodically evaluate a switching criterion and to control the actuator whenever the switching criterion is verified. The switching criterion comprises a comparison between a time elapsed since the last activation and a predetermined duration. The predetermined duration is calculated from a rotational speed value of said body, taking into account the distribution of the antennas around the axis of symmetry of the body. - The rotational speed value is determined from the time evolution of the reception quality quantity of at least one of the activated antennas. The switching criterion comprises a comparison of substantially instantaneous values of reception quality variables relating to the activated antennas on the one hand and to the other antennas of said subassembly on the other hand. The work electronics is able to switch repeatedly between a receive mode and a transmission mode. The working electronics is arranged to operate in transmission mode for a period of time of a determined duration and to switch to transmit mode in the absence of modification of the antennas connected to it during said time period. The set of antennas comprises a plurality of surface antennas regularly distributed around the axis of symmetry of said body. 30 - The body houses a safety valve.
L'invention concerne également un dispositif pour tête de puits de forage, comportant au moins un élément de colonne de forage tel que proposé ci-dessus, ainsi qu'une tête de puits de forage comprenant au moins un tel dispositif solidaire d'un entraînement en rotation par rapport à un derrick et une ou plusieurs antennes fixes par rapport à ce derrick. Le corps de l'élément peut alors présenter un filetage d'extrémité haute, un filetage d'extrémité basse, un coupleur d'extrémité, aménagé à son extrémité basse, destiné à coopérer avec un coupleur d'extrémité homologue d'un autre élément vissé sur le filetage d'extrémité basse, et une liaison électrique agencée entre le coupleur d'extrémité et l'électronique de travail. Le dispositif peut en outre comprendre une vanne agencée en partie intermédiaire du corps, entre le filetage d'extrémité haute et le filetage d'extrémité basse. L'invention se rapporte encore à un procédé de communication à l'aide d'un élément de colonne de forage comprenant un corps d'allure générale axisymétrique et un jeu d'antennes, comprenant une pluralité d'antennes réparties en périphérie dudit corps, autour de son axe de symétrie, et capables d'opérer en émission et en réception, comprenant une étape d'évaluation d'au moins une grandeur de qualité de réception pour un sous-ensemble au moins du jeu d'antennes, une étape de sélection d'une ou plusieurs antennes dudit jeu en fonction de la ou des grandeurs de qualité de réception issues dudit sous-ensemble, et une étape d' organisation d'un transfert de données, en émission et/ou en réception, par l'intermédiaire de la ou des antennes sélectionnées. L'étape d'évaluation peut être mise en oeuvre régulièrement, et/ou l'étape de sélection répétitivement. L'invention vise aussi un procédé de forage, d'exploration et/ou d'exploitation d'un puits 25 d'hydrocarbure comprenant une ou plusieurs communications mises en oeuvre conformément au procédé mentionné ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée qui va suivre, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est un schéma simplifié en élévation d'un appareil de tête de puits à 30 entraînement traditionnel par table tournante ; la figure 2 est un schéma des composants vissés utilisés en tête de colonne de tubes, dans le cas de l'appareil de tête de puits de la figure 1 ; la figure 3A représente, en perspective isométrique, un entraînement moderne, par moteur au sommet ; la figure 3B représente la partie supérieure de l'entraînement de la figure 3A ; la figure 3C représente la partie inférieure de l'entraînement de la figure 3A ; la figure 4 représente les composants vissés utilisés en tête de colonne dans le cas de l'entraînement de la figure 3 ; les figures 5A et 5B sont deux vues partielles détaillées d'un appareil de tête de 10 puits équipé de l'entraînement de la figure 3 ; les figures 6A et 6B représentent respectivement deux variantes de réalisation d'un élément de colonne de forage, vu en perspective isométrique partiellement tronquée ; la figure 7A représente un schéma simplifié des éléments des figures 6A et 6B ; - la figure 7B représente une variante de réalisation dans une vue analogue à celle 15 de la figure 7A ; la figure 8 représente un schéma de principe d'une électronique embarquée dans les éléments des figures 6A et 6B ; - la figure 9 représente un schéma de principe d'une électronique de surface à usage en combinaison des éléments des figures 6A et 6B ; 20 - la figure 10 illustre un exemple de réalisation d'une partie de l'électronique de la figure 8 ; les figures 11 à 13 sont des ordinogrammes illustrant le fonctionnement de l'électronique embarquée de la figure 10 ; la figure 14A représente un insert tubulaire en coupe longitudinale ; 25 la figure 14B représente une variante de réalisation de l'insert dans une vue analogue à la figure 14A. Les dessins annexés sont, en grande partie, de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description détaillée ci-après, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. The invention also relates to a device for a wellbore head, comprising at least one drilling column element as proposed above, and a wellbore head comprising at least one such device integral with a drive. in rotation with respect to a derrick and one or more fixed antennas with respect to this derrick. The body of the element may then have a high end thread, a low end thread, an end coupler, arranged at its lower end, intended to cooperate with a homologous end coupler of another element. screwed on the bottom end thread, and an electrical connection arranged between the end coupler and the work electronics. The device may further comprise a valve arranged in an intermediate part of the body, between the upper end thread and the lower end thread. The invention also relates to a method of communication using a drill string element comprising a generally axisymmetrical body and a set of antennas, comprising a plurality of antennas distributed at the periphery of said body, around its axis of symmetry, and capable of operating in transmission and reception, comprising a step of evaluating at least one reception quality variable for at least one subset of the set of antennas, a step of selecting one or more antennas of said set as a function of the reception quality variable (s) from said subset, and a step of organizing a transmission of data, in transmission and / or reception, by the intermediate of the selected antenna (s). The evaluation step may be performed regularly, and / or the selection step repeated. The invention also relates to a method of drilling, exploring and / or operating a hydrocarbon well comprising one or more communications implemented in accordance with the method mentioned above. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description, and the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a simplified schematic elevational diagram of a wellhead apparatus at 30 traditional training by rotating table; Figure 2 is a schematic diagram of the screwed components used at the top of the column of tubes, in the case of the wellhead apparatus of Figure 1; FIG. 3A represents, in isometric perspective, a modern drive, by motor at the top; Figure 3B shows the upper portion of the drive of Figure 3A; Figure 3C shows the lower portion of the drive of Figure 3A; FIG. 4 shows the screwed components used at the top of the column in the case of the drive of FIG. 3; Figs. 5A and 5B are two detailed partial views of a 10 well head apparatus equipped with the drive of Fig. 3; FIGS. 6A and 6B respectively represent two alternative embodiments of a drilling column element, seen in partially truncated isometric perspective; Figure 7A is a schematic diagram of the elements of Figures 6A and 6B; FIG. 7B represents an alternative embodiment in a view similar to that of FIG. 7A; FIG. 8 represents a schematic diagram of an on-board electronics in the elements of FIGS. 6A and 6B; FIG. 9 represents a block diagram of a surface electronics used in combination of the elements of FIGS. 6A and 6B; FIG. 10 illustrates an exemplary embodiment of a portion of the electronics of FIG. 8; Figures 11 to 13 are flow charts illustrating the operation of the on-board electronics of Figure 10; Figure 14A shows a tubular insert in longitudinal section; Figure 14B shows an alternative embodiment of the insert in a view similar to Figure 14A. The attached drawings are largely of a certain character. Accordingly, they can not only serve to better understand the detailed description below, but also contribute to the definition of the invention, if any.
La terminologie établie du forage pétrolier est en anglais. Et beaucoup de ces mots anglais n'ont pas d'équivalent usuel en français. C'est pourquoi, dans la présente description, et dans un but de clarté, une expression technique en français est très fréquemment accompagnée de l'expression consacrée correspondante en anglais. The established oil drilling terminology is in English. And many of these English words have no usual equivalent in French. Therefore, in the present description, and for the sake of clarity, a technical expression in French is very frequently accompanied by the corresponding consecrated expression in English.
Sur la figure 1, l'appareil de tête de puits dans son ensemble est désigné par la référence 1. Il comporte la pyramide élancée bien connue, ou derrick 10, en haut duquel se trouve une poulie de renvoi 11 logée dans un chapeau 12. La poulie de renvoi 11 soutient par câble une poulie terminale, ou moufle 14 ("travelling block"). Cet ensemble forme un palan ("hoist") qui soutient lui-même un pivot 20, dit "swivel", lequel supporte à son tour un ensemble que l'on décrira en détail plus loin, et qui comprend une tige d'entraînement 21, dite "kelly drive" ou, plus brièvement, "kelly". Cette tige d'entraînement 21 coopère avec une table tournante 23 ("rotary table"), dont l'entraînement en rotation est schématisé ici par une couronne périphérique 25 dont un galet est mécaniquement entraîné par chaîne ou courroie par une poulie intermédiaire 24, dont l'arbre est lui-même entraîné à partir de la poulie de sortie d'un moteur 2. La table tournante 23 se situe au niveau d'un plancher 22 du derrick 10. En bas, dans l'exemple, la colonne de tubes de forage commence au niveau du sol par une tête de cuvelage 29, solidaire du cuvelage 30 ou "casing" du puits. À l'intérieur de ce cuvelage 30 passe la colonne, ou chaîne, de tubes 26, dite "drill string", laquelle se termine par un trépan 27 dit "drill bit", constitué par exemple de molettes abrasives tournantes. La poulie de renvoi 11 est entraînée par un treuil 16, entraîné par un moteur non représenté. La référence 15 désigne le câble de traction qui soutient la colonne de tubes, par l'intermédiaire du moufle 14 et de la poulie de renvoi 11. In FIG. 1, the wellhead apparatus as a whole is designated by reference numeral 1. It comprises the well-known slender pyramid, or derrick 10, at the top of which is a return pulley 11 housed in a cap 12. The return pulley 11 supports by cable a terminal pulley, or muffle 14 ("traveling block"). This set forms a hoist ("hoist") which itself supports a pivot 20, said "swivel", which in turn supports a set that will be described in detail later, and which comprises a drive rod 21 , called "kelly drive" or, more briefly, "kelly". This drive rod 21 cooperates with a turntable 23 ("rotary table"), whose rotation drive is schematized here by a peripheral ring 25, a roller is mechanically driven by chain or belt by an intermediate pulley 24, of which the shaft is itself driven from the output pulley of a motor 2. The turntable 23 is located at a floor 22 of the derrick 10. At the bottom, in the example, the column of tubes drilling begins at ground level by a casing head 29 integral with the casing 30 or "casing" of the well. Inside this casing 30 passes the column, or chain, of tubes 26, called "drill string", which ends with a drill bit 27 called "drill bit", consisting for example of rotating abrasive wheels. The return pulley 11 is driven by a winch 16, driven by a motor not shown. The reference 15 designates the traction cable which supports the column of tubes, via the muffle 14 and the idler pulley 11.
Le trépan 27 a besoin d'énergie pour fonctionner, et cette énergie lui est transmise par de la boue sous pression et/ou divers mécanismes de rotation situés en surface ou le long de la colonne de forage, par exemple un ou plusieurs moteurs. De la boue est extraite d'un réservoir 40, par une conduite d'aspiration 41 qui va vers une pompe 42 entraînée par un moteur non représenté. Cette boue sert à la lubrification du trépan 27, à son refroidissement, à remonter les copeaux depuis le fond du puits, à équilibrer celui-ci en pression, à le nettoyer et à actionner certains des équipements de la colonne de tubes. The bit 27 needs energy to operate, and this energy is transmitted to it by mud pressure and / or various rotation mechanisms located on the surface or along the drill string, for example one or more engines. Sludge is extracted from a tank 40, by a suction pipe 41 which goes to a pump 42 driven by a motor not shown. This sludge is used to lubricate the bit 27, cooling, to remount the chips from the bottom of the well, to balance it in pressure, to clean and operate some of the equipment of the column of tubes.
En sortie de la pompe 42, une tuyauterie remonte le long d'une paroi du derrick 10, pour aboutir à un col de cygne 43 ("gooseneck") à partir duquel la tuyauterie redescend pour remonter sur un autre col de cygne 45, et se fixer en haut du pivot 20, de sorte que la boue peut rentrer dans la colonne, traverser la tige d'entraînement 21, et ceci jusqu'au niveau de la tête de cuvelage 29. La boue descend alors à travers la colonne de tubes 26 pour aller faire fonctionner le trépan 27. Elle remonte entre la colonne 26 et le cuvelage 30, jusqu'à la tête de cuvelage 29, où elle est reprise à travers deux organes de sécurité 33, de type vanne, dits "blow out preventers" : l'un, dit "blind ram", est capable d'écraser le cuvelage 30 annulairement pour l'isoler, tandis que l'autre, dit "shear ram", est capable sectionner et fermer l'ensemble formé du cuvelage 30 et de la colonne de tube 26. La boue remonte alors vers une sorte de vase d'expansion 31, dit "bell nipple", à partir duquel elle passe dans une conduite de retour 47 avant de rejoindre le réservoir 40, à travers un organe 49 qui filtre la boue. Les gaz sont filtrés et les copeaux éliminés. At the outlet of the pump 42, a pipe goes up along a wall of the derrick 10, to end in a gooseneck 43 from which the pipe goes down again to go up on another gooseneck 45, and to attach to the top of the pivot 20 so that the sludge can enter the column, pass through the drive rod 21, and this up to the level of the casing head 29. The sludge then descends through the column of tubes 26 to operate the bit 27. It goes up between the column 26 and the casing 30, up to the casing head 29, where it is taken up through two safety members 33, of the valve type, called "blow out preventers". "one, said" blind ram ", is able to crush the casing 30 annularly to isolate it, while the other, said" shear ram ", is able to cut and close the assembly formed of the casing 30 and the tube column 26. The mud then rises to a sort of expansion vessel 31, called "bell nipple", from the it passes through a return line 47 before reaching the tank 40, through a member 49 which filters the sludge. The gases are filtered and the chips removed.
En partie gauche, le plancher 22 se prolonge en 50 pour servir d'appui à une réserve de tubes 51 ("stand"), tenue en partie haute par un râtelier 52 dit "finger board". On comprend de ce qui précède qu'entre le moufle 14 et la colonne de tubes 26, en tête de cette colonne, sont disposés des éléments qui assurent l'entraînement de cette colonne 26 en rotation. Cet entraînement correspond aux éléments compris dans le cadre en trait tireté, et comprend ici le pivot 20, la tige d'entraînement 21, la table tournante 23 et la couronne périphérique 25. Les éléments mobiles, depuis la colonne centrale du derrick, jusqu'au moufle 14, notamment le pivot 20 et la tige d'entraînement 21, subissent une excursion verticale d'une dizaine de mètres ou plus. In the left part, the floor 22 is extended in 50 to serve as a support for a reserve of tubes 51 ("stand"), held in the upper part by a rack 52 called "finger board". It is understood from the foregoing that between the muffle 14 and the column of tubes 26, at the head of this column, are arranged elements which drive this column 26 in rotation. This training corresponds to the elements included in the dashed frame, and here comprises the pivot 20, the driving rod 21, the turntable 23 and the peripheral ring 25. The movable elements, from the central column of the derrick, to muffle 14, including the pivot 20 and the drive rod 21, undergo a vertical excursion of ten meters or more.
Le derrick loge d'autres éléments, non représentés sur la figure 1 : - un système de soutien de la colonne de tubes 26, lorsqu'elle est déconnectée du palan, - des équipements de manutention des tubes, entre la réserve 51 et la colonne centrale, - un système qui permet d'effectuer des dévissages ou des revissages sur la colonne de tubes 26, afin d'y ajouter, ou enlever, une longueur de tube, - des vannes de sécurité, insérées notamment en haut de la colonne de tubes, - une pince-verrou hydraulique ("hydraulic clamp") pour maintenir les tubes pendant leur vissage sur l'entraînement. Il est maintenant fait référence à la figure 2. On y voit, en partie centrale la tige d'entraînement profilée dite "kelly". Il s'agit d'une longue tige de section droite polygonale, en principe carrée ou hexagonale, notée KD I sur la figure 2. Cette tige est solidaire d'embouts filetés d'extrémité, notés KD_U en haut et KD_L en bas. L'ensemble formé par la tige KD_I, et ses embouts KD_U et KD_L est noté globalement KD (pour "kelly drive"). Le filetage haut de l'embout supérieur KD_U vient en prise avec un insert d'usure haut, noté USavSub, surmonté d'une vanne de sécurité haute dite "upper kelly valve", notée UKV, et qui est en principe à actionnement manuel. En bas de la tige profilée KDson embout inférieur KD_L vient en prise sur une vanne de sécurité basse dite "lower kelly valve", notée LKV, en principe à actionnement pneumatique, suivie d'un insert d'usure bas LSavSub, auquel vient se fixer la colonne de tubes 26. The derrick houses other elements, not shown in Figure 1: - a support system of the column of tubes 26, when disconnected from the hoist, - handling equipment tubes between the reserve 51 and the column central, - a system that allows unscrewing or screwing on the column of tubes 26, to add or remove a length of tube, - safety valves, inserted in particular at the top of the column of tubes, - a hydraulic clamp ("hydraulic clamp") to hold the tubes while they are being screwed onto the drive. Reference is now made to FIG. 2. In the central portion, the profiled drive rod, known as "kelly", is shown. This is a long rod polygonal cross section, in principle square or hexagonal, noted KD I in Figure 2. This rod is secured to end threaded ends, denoted KD_U at the top and KD_L at the bottom. The assembly formed by the rod KD_I, and its tips KD_U and KD_L is globally noted KD (for "kelly drive"). The top thread of the upper end piece KD_U comes into contact with a top wear insert, noted USavSub, surmounted by a high security valve called "upper kelly valve", denoted UKV, and which is in principle manually operated. At the bottom of the profiled rod KDson lower end piece KD_L engages on a so-called "low kelly valve" called LKV, in principle pneumatically actuated, followed by a low wear insert LSavSub, to which is fixed the column of tubes 26.
L'insert d'usure bas LSavSub peut également servir d'adaptateur de filetage. En effet, son filetage bas doit être compatible avec le filetage spécifié pour la colonne de tubes 26. Par contre, son filetage haut peut être différent. La vanne manuelle peut notamment servir de sécurité, au cas où la vanne pneumatique ne fermerait pas complètement le puits. The LSavSub low wear insert can also be used as a thread adapter. Indeed, its low thread must be compatible with the thread specified for the column of tubes 26. On the other hand, its high threading may be different. In particular, the manual valve can serve as a security, in case the pneumatic valve does not close the well completely.
On a vu que, dans les têtes de puits selon les figures 1 et 2, l'entraînement se fait par une table tournante 23, dont le mouvement de rotation est transmis à la tige profilée KD_I. Une douille amovible ("kelly bushing"), non représentée, définit un profil de forme correspondante au profil carré ou hexagonal de la tige KD_I. La douille amovible s'insère entre la table tournante 23 et ladite zone profilée KD_I. Ainsi, la table tournante 23 entraîne la tige profilée KD_I en rotation, tout en la laissant libre en translation verticale, pour accompagner la descente de la colonne de tubes 26 au fur et à mesure que le forage progresse. Des tubes sont ajoutés au fur et à mesure de cette progression. On se place maintenant à un moment où l'on vient d'ajouter un ou plusieurs tubes à la colonne. La tige profilée KD_I est alors tout entière hors du puits, et la table tournante 23 est en prise sur le bas de sa zone profilée. C'est la "position haute" de la colonne de tubes 26. La tige KD_I descend en coulissant au fur et à mesure que le forage progresse, jusqu'à ce que ce soit le haut de sa zone profilée qui vienne en prise avec la table tournante. C'est la "position basse" de la colonne de tubes 26. Il est alors temps d'ajouter à nouveau un ou plusieurs tubes. Pour cela, on stoppe la rotation (de forage), et l'on enlève la douille amovible ; on remonte la colonne de tubes 26 sur une hauteur sensiblement égale à la longueur de la tige profilée KD_I ; on bloque la colonne de tubes 26 sous la tige KD_I ; et l'on dévisse la tige KD_I de la colonne. On visse un nouveau tube en haut de la colonne de tubes 26. On redescend la colonne de tubes 26 de la hauteur précitée, de sorte que le trépan 27 retrouve le fond du puits. On revisse la tige KD_I en haut de colonne. On remet en place la douille amovible qui assure le couplage en rotation de la tige KD_I à la table tournante 23. Le forage peut alors reprendre. Les choses se passent sensiblement de même, avec des déplacements verticaux en sens inverse, lorsqu'il faut extraire la colonne de tubes 26, totalement ou partiellement. Des techniques connues permettent la pose de tubes de cuvelage, ou "casing", séquentiellement après le forage d'un tronçon de puits (une profondeur). Au fur et à mesure du forage, il y aura donc de nombreuses opérations de dévissage/revissage sur le même filetage d'un même composant. Et ces vissages/dévissages se font sous une forte contrainte, due au poids de la colonne de tubes, qui peut comprendre en final une ou plusieurs centaines de tubes, d'où une usure rapide de ce filetage. C'est pourquoi il est habituel d'utiliser un ou plusieurs inserts d'usure dits "saver sub", aux endroits sujets à dévissages/revissages répétitifs. Dans le cas des figures 1 et 2, il y a deux inserts d'usure, respectivement placés en haut (USavSub) et en bas (LSavSub) de la tige profilée KD_I, ou "kelly". Ces inserts supérieurs et inférieurs par rapport à la tige profilée KD_I sont respectivement désignés "upper kelly saver sub" et "lower kelly saver sub" dans la technique. Il est maintenant fait référence aux figures 3A, 3B et 3C, qui illustrent un mode de réalisation plus moderne de l'appareil de tête de puits. Dans les puits récents, l'appareil de tête de puits est équipé d'un système d'entraînement au sommet, ou "top drive system", noté TD, représenté dans son ensemble sur la figure 3A. L'entraînement est monté tout en haut de la colonne de tubes, directement supporté par le moufle 14 grâce à une anse SB ("system bail") qui lui est attachée. It has been seen that, in the wellheads according to FIGS. 1 and 2, the drive is done by a turntable 23, whose rotational movement is transmitted to the profiled rod KD_I. A removable sleeve ("kelly bushing"), not shown, defines a shape profile corresponding to the square or hexagonal profile of the rod KD_I. The detachable bushing is inserted between the turntable 23 and said profiled zone KD_I. Thus, the turntable 23 drives the profiled rod KD_I in rotation, while leaving it free in vertical translation, to accompany the descent of the column of tubes 26 as drilling progresses. Tubes are added as this progresses. We are now at a moment when we have just added one or more tubes to the column. The profiled rod KD_I is then entirely out of the well, and the turntable 23 is engaged on the bottom of its profiled zone. This is the "high position" of the column of tubes 26. The rod KD_I slid down as the drilling progresses, until it is the top of its profiled zone which comes into contact with the turning table. This is the "low position" of the column of tubes 26. It is then time to add one or more tubes. For this, we stop the rotation (drill), and we remove the removable sleeve; the column of tubes 26 is raised to a height substantially equal to the length of the profiled rod KD_I; the column of tubes 26 is blocked under the rod KD_I; and the rod KD_I of the column is unscrewed. A new tube is screwed at the top of the column of tubes 26. The column of tubes 26 is lowered downwards from the aforementioned height, so that the bit 27 returns to the bottom of the well. We screw the rod KD_I at the top of the column. It remounts the removable sleeve which ensures the rotational coupling of the rod KD_I to the turntable 23. The bore can then resume. Things are essentially the same, with vertical displacements in the opposite direction, when it is necessary to extract the column of tubes 26, totally or partially. Known techniques allow the laying of casing tubes, or "casing", sequentially after the drilling of a section of wells (a depth). As drilling progresses, there will be numerous unscrewing / screwing operations on the same thread of the same component. And these screwing / unscrewing are under a strong constraint, due to the weight of the column of tubes, which may ultimately include one or more hundreds of tubes, resulting in rapid wear of this thread. That is why it is usual to use one or more wear inserts known as "saver sub", in places subject to unscrewing / revivals repetitive. In the case of Figures 1 and 2, there are two wear inserts, respectively placed at the top (USavSub) and bottom (LSavSub) of the profiled rod KD_I, or "kelly". These upper and lower inserts relative to the profiled rod KD_I are respectively designated "upper kelly saver sub" and "lower kelly saver sub" in the art. Reference is now made to FIGS. 3A, 3B and 3C, which illustrate a more modern embodiment of the wellhead apparatus. In recent wells, the wellhead apparatus is equipped with a top drive system, noted TD, shown as a whole in Figure 3A. The drive is mounted at the top of the column of tubes, directly supported by the muffle 14 through a loop SB ("system lease") attached thereto.
En sa partie supérieure, montrée isolément sur la figure 3B, l'entraînement au sommet TD comprend un moteur électrique DM ("drilling motor") qui entraîne en rotation une tige motrice DS ("drive stem") par l'intermédiaire d'une transmission TR ("transmission"). Cette partie supérieure comprend également une paire de freins hydrauliques HB ("hydraulic brakes"), ainsi qu'un système de refroidissement comprenant une paire de conduites de refroidissement CD ("cooling system air duce) reliées au moteur DM et dans lesquelles circule de l'air sous l'action de ventilateurs CF ("cooling fan motor"). La tige DS est creuse. Aux mêmes fins que précédemment, de la boue est injectée à l'intérieur de la tige DS grâce à un col de cygne GS ("gooseneck"), par l'intermédiaire d'un capot BO ("bonnet"), et d'un montage de nettoyage WP ("wash pipe packing assembly"). En sa partie inférieure, visible isolément sur la figure 3C,1'entrainement TD comprend un positionneur d'élévateur PEP ("powered elevator positioner") moteur et qui peut tourner sur 360 degrés autour de l'axe de la tige DS. Une pince de secours BUC ("backup clamp") est reliée au positionneur PEP par l'intermédiaire d'un cadre à limitation de couple TAF, dit "torque arrester frame". Des élévateurs E ("elevators") équipés d'une pince hydraulique HC ("hydraulic clamp") sont montés à l'extrémité de bras de liaison EL ("elevator links") dont l'extrémité opposée est attachée au positionneur PEP par des adaptateurs rotatifs RLA ("rotating link adapters"). Les adaptateurs RLA permettent un pivotement des bras EL par rapport à l'axe de la tige d'entrainement DS sous l'action d'un montage actionnable par vérins ("link tilt assembly") fixés au positionneur PEP. La pince de secours BUC comporte des guides de stabilisation ajustable SG ("adjustable stabling guide"), non représentés. Sur la figure 3C, on voit également apparaître un montage de sécurité supérieur UBOP ("upper blow out preventer") et an montage de sécurité inférieur LBOP ("lower Blow out preventer") intercalés entre la tige DS et un insert d'usure ("saver sub") non visible. La pince de secours BUC, disposée au-dessus de la pince hydraulique HC, vient en prise sur pratiquement l'ensemble de l'insert d'usure. L'entraînement TD est guidé par un rail vertical VR (figure 3A), décalé latéralement. In its upper part, shown alone in FIG. 3B, the drive at the top TD comprises an electric motor DM ("drilling motor") which rotates a driving rod DS ("drive stem") via a TR transmission ("transmission"). This upper part also comprises a pair of hydraulic brakes HB ("hydraulic brakes"), as well as a cooling system comprising a pair of cooling ducts ("cooling system air duce") connected to the engine DM and in which circulates from the engine. The DS stem is hollow, for the same purpose as before, mud is injected into the DS stem by means of a GS gooseneck (air-cooled fan). "gooseneck"), through a cap BO ("cap"), and a cleaning assembly WP ("wash pipe packing assembly"). In its lower part, visible singly in Figure 3C, 1 TD includes a powered PEP (powered locator positioner) positioner that can rotate 360 degrees around the axis of the DS rod A backup clamp (BUC) is connected to the positioner PEP via a torque limiting frame TAF, called "torque arrester frame" Elevators E ("elevators") equipped with a hydraulic clamp HC (hydraulic clamp) are mounted at the end of linkage EL ("elevator links") whose opposite end is attached to the positioner PEP by RLA ("rotary link adapters") rotary adapters. The RLA adapters allow pivoting of the arms EL relative to the axis of the drive rod DS under the action of a link actuated assembly ("link tilt assembly") attached to the positioner PEP. The rescue clip BUC comprises adjustable stabilizing guides SG ("adjustable stabling guide"), not shown. In FIG. 3C, an upper UBOP ("upper blow out preventer") and lower LBOP (lower blow out preventer) safety assembly are also interposed between the rod DS and a wear insert (FIG. "saver sub") not visible. The BUC relief clip, placed above the hydraulic clamp HC, engages almost all of the wear insert. The TD drive is guided by a vertical rail VR (Figure 3A), shifted laterally.
L'entraînement TD descend au fur et à mesure que le forage progresse, jusqu'à être près du plancher du derrick 10. L'ajout d'une longueur de tubes est un peu plus simple que précédemment. On bloque la colonne de tube par un fort serrage, et on la dévisse de la tige DS, plus exactement d'un insert d'usure, dit "top drive saver sub", fixé sous le montage de sécurité inférieur LBOP. Dans ce cas, il n'y a qu'un composant d'usure. On remonte le moteur vers le haut du derrick 10. On ajoute un ou plusieurs tubes. Et l'on revisse la colonne de tubes sur le composant d'usure, resté solidaire de l'entraînement TD. The TD training goes down as drilling progresses, until it is close to the floor of the derrick 10. The addition of a length of tubes is a bit simpler than before. The tube column is blocked by a strong tightening, and it is unscrewed from the DS rod, more precisely from a wear insert, called "top drive saver sub", fixed under the lower safety assembly LBOP. In this case, there is only one wear component. Move the engine up the derrick 10. Add one or more tubes. And the column of tubes is revised on the wear component, remaining attached to the drive TD.
Les montages UBOP et LBOP comprennent respectivement une vanne de sécurité supérieure UKV ("upper kelly valve") et une vanne de sécurité inférieure LKV ("lower kelly valve"), disposées l'une au-dessus de l'autre, entre la tige DS et l'insert d'usure SavSub. Par tradition, elles conservent leurs noms de "upper kelly valve" et "lower kelly valve", bien qu'il n'y ait plus de tige profilée dite "kelly" dans ce mode de réalisation. The UBOP and LBOP assemblies comprise respectively a top UKV (upper kelly valve) and a lower kelly valve (LKV), placed one above the other, between the stem. DS and the SavSub wear insert. Traditionally, they retain their names "upper kelly valve" and "lower kelly valve", although there is more profiled rod called "kelly" in this embodiment.
La figure 4 montre la disposition de la tête de colonne, dans le cas de l'appareil de tête de puits des figures 3A à 3C. Le moteur DM entraîne la tige DS qui est filetée et vient en prise sur la vanne de sécurité supérieure UKV. Dans ce mode de réalisation, celle-ci est immédiatement suivie de la vanne de sécurité inférieure LKV, puis de l'insert d'usure SavSub, qui est ici unique. Figure 4 shows the arrangement of the column head, in the case of the wellhead apparatus of Figures 3A-3C. The DM motor drives the DS rod which is threaded and engages on the UKV top safety valve. In this embodiment, it is immediately followed by the LKV lower safety valve, then the SavSub wear insert, which is unique here.
Comme déjà indiqué, on cherche maintenant à rendre la colonne de tubes communicante, de façon à pouvoir échanger de l'information entre d'une part le haut du puits, et d'autre part le fond du puits, ou bien des équipements intermédiaires insérés dans la colonne de tubes. Pour cela, au sein de la colonne de tubes, chaque tube est équipé de coupleurs de communication (en bref "coupleurs") à ses extrémités, et d'une liaison électrique entre ces coupleurs. Des solutions connues à cet effet sont décrites, notamment dans le document "US DOE report" référencé "report #41229R14". Ce document est disponible notamment à l'adresse internet suivante : http://www.netl.doe. gov/technologies/oilgas/publications/epreports/dcs/final%20report% 20fg123104.pdf Ces solutions souffrent de différents inconvénients. L'une de ces solutions, connue sous le nom de "SwivelLink", intègre une électronique de transmission de type joint tournant dans un insert, ou "sub", spécialisé, qui sera naturellement assez long, pour pouvoir loger l'électronique de transmission. En effet, il convient de préserver la section de passage interne, pour les boues de forage, notamment. As already indicated, it is now sought to make the column of tubes communicating, so as to be able to exchange information between on the one hand the top of the well, and on the other hand the bottom of the well, or intermediate equipment inserted in the column of tubes. For this, within the tube column, each tube is equipped with communication couplers (in short "couplers") at its ends, and an electrical connection between these couplers. Known solutions for this purpose are described, in particular in the document "US DOE report" referenced "report # 41229R14". This document is available in particular at the following internet address: http: //www.netl.doe. gov / technologies / oilgas / publications / epreports / dcs / final% 20report% 20fg123104.pdf These solutions suffer from various disadvantages. One of these solutions, known as "SwivelLink", incorporates a rotary joint type transmission electronics in an insert, or "sub", specialized, which will naturally be long enough to house the transmission electronics. . Indeed, it is necessary to preserve the internal passage section, for drilling muds, in particular.
L'électronique de transmission prend place dans un logement aménagé dans la paroi périphérique tubulaire de l'insert, d'où l'allongement. Le recours à cette première solution implique de repenser complètement l'architecture de l'appareil de tête de puits, du fait dudit allongement. Cela limite considérablement la portée de cette solution. De plus, cela implique de revoir toutes les normes applicables aux éléments de la tête de puits, ce qui a des conséquences lourdes en termes de coût. Si par contre on voulait intégrer cette première solution dans l'entraînement de tête "top drive system" d'un puits déjà existant, aux normes actuelles, il faudrait alors sacrifier l'un des éléments en tête de la colonne de tubes : enlever l'une des deux valves de sécurité UKV et LKV, ou remplacer l'insert d'usure SavSub. Le document report #41229R14 décrit aussi une seconde solution, connue sous le nom de "Data Swivel", où l'insert d'usure dit "saver sub" est muni d'un joint électrique tournant, dont une partie fixe par rapport au derrick 10 est reliée à un câble assez long pour encaisser l'excursion verticale du composant d'usure au cours du forage. The transmission electronics takes place in a housing arranged in the tubular peripheral wall of the insert, hence the elongation. The use of this first solution involves a complete rethinking of the architecture of the wellhead device, because of said elongation. This greatly limits the scope of this solution. In addition, this involves reviewing all the standards applicable to the elements of the wellhead, which has serious consequences in terms of cost. If on the other hand we wanted to integrate this first solution in the head drive "top drive system" of an already existing well, to the current standards, it would then be necessary to sacrifice one of the elements at the head of the column of tubes: to remove the one of the two UKV and LKV safety valves, or replace the SavSub wear insert. The document report # 41229R14 also describes a second solution, known as "Data Swivel", where the wear insert "saver sub" is provided with a rotating electrical joint, a fixed part of which relative to the derrick 10 is connected to a cable long enough to accommodate the vertical excursion of the wear component during drilling.
Mais comme le montre la figure 4, la pince de secours BUC vient en prise sur l'insert d'usure sur pratiquement toute sa longueur. Il existe donc un risque important de détérioration du joint électrique tournant et/ou du câble porté par celui-ci lorsque l'insert d'usure est serré par la pince-verrou hydraulique de secours. Cette détérioration est rédhibitoire car tout le système de communication de la colonne de tubes se trouve alors coupé. Pour les mêmes raisons que précédemment, l'allongement de l'insert d'usure n'est pas envisageable, notamment du fait que la pince de secours BUC se trouve à distance fixe par rapport au reste de l'entraînement de tête TD : - l'allongement de l'insert d'usure vers le haut de la colonne de tubes impliquerait de prévoir la suppression ou le raccourcissement des éléments qui s'y trouvent habituellement alors qu'il s'agit d'organes de sécurité ; cela conduirait aussi à réaliser des éléments spécifiques donc, finalement, à changer pratiquement l'ensemble de la tête de colonne, de l'insert d'usure à la tige motrice; l'allongement de l'insert d'usure vers le bas de la colonne de tubes engendrerait des inconvénients analogues puisque la distance de la tige motrice à la pince-30 hydraulique est également fixe. Il n'existe donc actuellement aucune solution totalement satisfaisante en pratique. But as shown in Figure 4, the BUC relief clip engages the wear insert over most of its length. There is therefore a significant risk of damage to the rotating electrical seal and / or the cable carried by it when the wear insert is tightened by the hydraulic backup clamp-lock. This deterioration is unacceptable because the entire communication system of the column of tubes is then cut. For the same reasons as above, the elongation of the wear insert is not conceivable, especially since the BUC backup clip is at a fixed distance from the rest of the TD head drive: the elongation of the wear insert towards the top of the column of tubes would imply to provide for the suppression or the shortening of the elements that are usually there when they are safety devices; this would also lead to making specific elements so, finally, to change virtually all of the column head, from the wear insert to the drive rod; the extension of the wear insert down the column of tubes would cause similar disadvantages since the distance from the drive rod to the hydraulic clamp is also fixed. So there is currently no totally satisfactory solution in practice.
La présente invention vient améliorer la situation. On la décrira dans le cas des appareils de tête de puits modernes, conformes au schéma de principe de la figure 3, c'est-à-dire à moteur au sommet "top drive". La demanderesse s'est livrée à un examen approfondi du fonctionnement pratique des 5 éléments utilisés dans l'environnement encombré d'une tête de puits. Les solutions connues sont limitées par le fait que l'homme du métier ne modifiera pas, par principe, un organe de sécurité, du moins de façon substantielle. C'est ainsi que, dans la seconde solution mentionnée plus haut, on a installé le joint tournant dans le composant d'usure dit "saver sub", alors que celui-ci va rencontrer un environnement dangereux pour 10 son joint tournant. De façon inattendue, les études de la demanderesse lui ont fait constater qu'il est possible d'incorporer un dispositif de communication sans fil à une vanne de sécurité du type "kelly valve", contrairement à ce qu'on pouvait penser a priori. C'est ce que l'on décrit maintenant en référence aux figures 6A et 6B. 15 Ces figures 6A et 6B font apparaître une vanne de sécurité qui est ici la vanne de sécurité LKV de la figure 4. De façon classique, elle comporte une structure générale tubulaire, ou corps 600, avec un filetage intérieur 601 à une extrémité (extrémité haute sur les figures 6A et 6B) et un filetage extérieur 602 à son extrémité opposée (extrémité basse sur les figures 6A et 6B). 20 En partie intermédiaire, une bille sphérique 610 est montée de manière mobile à pivotement dans un guide 611. Celui-ci est introduit à coulissement à l'intérieur du corps 600, jusqu'à venir en butée sur un épaulement 614. Du côté opposé, le guide 611 est retenu par un anneau 618, logé dans une rainure périphérique aménagée à l'intérieur du corps 600. La bille sphérique 610 est percée d'un canal cylindrique 613 de même 25 géométrie que l'intérieur du corps 600. Dans l'exemple représenté, le pivotement de la bille peut être commandé par l'intermédiaire d'une clé d'actionnement comportant un profil hexagonal en correspondance de forme avec une empreinte en creux 612 réalisée dans la bille sphérique 610. La bille sphérique 610 peut être pivotée entre une position où le canal 613 se trouve dans l'axe du corps 600 et une position où la bille sphérique 610 30 obture l'intérieur du corps 600. The present invention improves the situation. It will be described in the case of modern wellhead devices, in accordance with the block diagram of Figure 3, that is to say, at the top engine "top drive". The applicant has engaged in a thorough examination of the practical operation of the elements used in the crowded environment of a wellhead. Known solutions are limited by the fact that those skilled in the art will not modify, in principle, a security organ, at least substantially. Thus, in the second solution mentioned above, the rotary joint has been installed in the wear component known as "saver sub", while the latter will encounter a dangerous environment for its rotary joint. Unexpectedly, the studies of the plaintiff have made it note that it is possible to incorporate a wireless communication device to a security valve type "kelly valve", contrary to what we could think a priori. This is now described with reference to FIGS. 6A and 6B. These FIGS. 6A and 6B show a safety valve which is here the LKV safety valve of FIG. 4. Conventionally, it comprises a tubular general structure, or body 600, with an internal thread 601 at one end (end). high in Figs. 6A and 6B) and an external thread 602 at its opposite end (low end in Figs. 6A and 6B). In the intermediate portion, a spherical ball 610 is pivotally movably mounted in a guide 611. The guide 611 is slidably inserted within the body 600 until it abuts on a shoulder 614. On the opposite side , the guide 611 is retained by a ring 618, housed in a peripheral groove arranged inside the body 600. The spherical ball 610 is pierced with a cylindrical channel 613 of the same geometry as the inside of the body 600. In the example shown, the pivoting of the ball can be controlled by means of an actuating key comprising a shape-matching hexagonal profile with an indentation 612 made in the spherical ball 610. The spherical ball 610 can be pivoted between a position where the channel 613 is in the axis of the body 600 and a position where the spherical ball 610 30 closes the inside of the body 600.
La demanderesse a constaté que l'extrémité basse de la vanne LKV pouvait être munie d'un coupleur 626, semblable à ceux qui sont utilisés dans la colonne de tubes de forage. Ce coupleur 626 est relié à une première liaison électrique 624 qui emprunte un perçage longitudinal ménagé dans la paroi annulaire du corps 600 et un perçage radial qui s'étend à angle droit vers un évidement 623 ménagé en périphérie du corps 600. Cet évidement périphérique 623 loge une électronique embarquée 621 reliée par une seconde liaison électrique 625 à un jeu d'antennes 627 logé dans une rainure annulaire 629 également ménagée en périphérie du corps 600. La seconde liaison électrique 625 emprunte un perçage longitudinal ménagé dans la paroi annulaire du corps 600 et un perçage radial qui s'étend à angle droit jusqu'à la rainure annulaire 629. La rainure annulaire 629 est refermée par une protection qui est réalisée ici sous la forme d'un capot 628 en matériau non métallique, par exemple en polytétrafluoroéthylène (PTFE). L'évidement 623 est refermé par une protection qui est réalisée ici sous la forme d'un couvercle 630 en matériau amagnétique, par exemple métallique. Le couvercle 630 est maintenu de manière étanche sur le corps 600 à l'aide d'un joint d'étanchéité (non représenté) et d'un jeu de vis. L'épaisseur de la protection est adaptée de manière à lui garantir une résistance mécanique suffisante à la pression et au couple mis en jeu. L'électronique embarquée 621 et le jeu d'antennes 627 font partie d'un dispositif de communication sans fil qui permet, de manière générale, l'émission de données provenant de la colonne de forage vers un réseau de surface et la réception de données provenant de ce réseau de surface. Le dispositif de communication sans fil en question forme une partie de ce que l'on peut appeler une interface de surface. Dans le mode de réalisation de la figure 6A, le dispositif de communication embarqué dans le corps 600 est destiné à coopérer avec au moins une antenne filaire 631, par exemple un câble rayonnant à fentes, maintenue fixement dans l'appareil de tête de puits. L'antenne filaire 631 s'y étend au moins le long de l'excursion verticale qu'y subit répétitivement la vanne LKV, conjointement à la partie haute de la colonne de tubes. Cette excursion peut atteindre plusieurs dizaines de mètres selon la technique d'entraînement mise en oeuvre. The Applicant has found that the low end of the LKV valve could be provided with a coupler 626, similar to those used in the column of drill pipes. This coupler 626 is connected to a first electrical connection 624 which borrows a longitudinal bore formed in the annular wall of the body 600 and a radial bore which extends at right angles to a recess 623 formed at the periphery of the body 600. This peripheral recess 623 on-board electronics 621 connected by a second electrical connection 625 to a set of antennas 627 housed in an annular groove 629 also formed at the periphery of the body 600. The second electrical connection 625 borrows a longitudinal bore formed in the annular wall of the body 600 and a radial bore which extends at right angles to the annular groove 629. The annular groove 629 is closed by a protection which is embodied here in the form of a cover 628 of non-metallic material, for example polytetrafluoroethylene ( PTFE). The recess 623 is closed by a protection which is made here in the form of a cover 630 of non-magnetic material, for example metal. The cover 630 is sealed to the body 600 by means of a seal (not shown) and a set of screws. The thickness of the protection is adapted so as to guarantee sufficient mechanical resistance to the pressure and the torque involved. The on-board electronics 621 and the antenna set 627 are part of a wireless communication device which allows, generally, the transmission of data from the drill string to a surface network and the reception of data from that surface network. The wireless communication device in question forms part of what may be called a surface interface. In the embodiment of FIG. 6A, the communication device embedded in the body 600 is intended to cooperate with at least one wire antenna 631, for example a slotted radiating cable, fixedly held in the wellhead apparatus. The wired antenna 631 extends there at least along the vertical excursion which the LKV valve undergoes therein repeatedly, together with the upper part of the column of tubes. This excursion can reach several tens of meters depending on the training technique used.
Dans le mode de réalisation de la figure 6B, le dispositif de communication embarqué dans le corps 600 est destiné à coopérer avec un dispositif de communication de surface 632 qui peut être muni d'un oeillet (non représenté) dans lequel passe un câble vertical. Le dispositif de communication de surface 632 peut demeurer fixe, à la base de l'appareil de tête de puits, au cours des mouvements combinés de descente, ou de montée, et de rotation que subit la vanne LKV par rapport au derrick 10. Comme l'a montré la figure 4, l'élément tubulaire SavSub situé en dessous de la vanne de 5 sécurité LKV est normalement un insert d'usure ou "saver sub". La demanderesse a observé que les deux extrémités de cet insert d'usure pouvaient être munies de coupleurs de communication, tandis qu'une liaison entre eux passe le long de l'insert d'usure, de préférence dans un conduit percé dans la paroi de celui-ci, d'un bout à l' autre. 10 C'est ce que l'on décrit maintenant en faisant référence à la figure 14A. Cette figure 14A montre un insert d'usure qui est ici l'insert d'usure SavSub de la figure 4. De façon classique, l'insert SavSub comporte une structure générale tubulaire 1400 avec un filetage 1401 en extrémité haute, compatible avec le filetage 602 d'extrémité basse de la vanne de sécurité LKV, et un filetage 1402 en extrémité basse. Le filetage 1402 15 d'extrémité basse de l'insert SavSub est compatible avec les filetages utilisés dans la partie basse de la colonne de tubes. L'extrémité basse de l'insert SavSub est munie d'un coupleur 1426, semblable à ceux qui sont utilisés dans la colonne de tubes de forage. L'extrémité haute de l'insert SavSub est munie d'un coupleur 1427, homologue du coupleur 626 de la vanne de sécurité LKV. Ici, 20 le coupleur 1427 d'extrémité haute et le coupleur d'extrémité basse 1426 de l'insert SavSub sont analogues. Ces coupleurs sont reliés entre eux par une liaison électrique 1424 empruntant un perçage longitudinal, ménagé ici dans la paroi annulaire du tube. En particulier, le coupleur 1426 du bas de l'insert SavSub peut être aux mêmes dimensions que les coupleurs qui sont utilisés dans la colonne de tubes de forage, tandis 25 que le coupleur 1427 du haut de l'insert SavSub et le coupleur 626 du bas de la vanne LKV peuvent eux aussi être aux mêmes dimensions que ceux qui sont utilisés dans la colonne de tubes de forage. La figure 14B montre une variante de réalisation de l'insert SavSub qui diffère de celle illustrée sur la figure 14A par le fait que son filetage 1401 d'extrémité haute est de type 30 male, et non femelle. Dans cette forme, il est notamment adapté à une vanne LKV dont le filetage 602 d'extrémité basse serait de type femelle. Il en résulte que le coupleur 1427 d'extrémité haute est logé à proximité de la face terminale correspondante de l'insert SavSub, alors que, dans la réalisation de la figure 14A, ce coupleur 1427 est logé au fond d'un alésage prévu pour recevoir l'extrémité basse de la vanne LKV. Dit autrement, sur la figure 14B, le coupleur 1427 d'extrémité haute est voisin de l'extrémité du filetage 1401 qui se trouve éloignée de l'extrémité basse de l'insert SavSub, tandis que, sur la figure 14A, ce coupleur 1427 est voisin de l'extrémité du filetage 1401 qui se trouve proche de l'extrémité basse de l'insert SavSub. Il est maintenant fait référence à la figure 7A. Le jeu d'antennes 627 comprend une pluralité d'antennes élémentaires 700-i (i entier de 1 à N, N étant le nombre d'antennes dudit jeu), plates, qui sont imprimées sur un substrat 702 et recouvertes d'une couche de couverture 704 réalisée en un matériau non métallique. La couche de couverture 704 peut être différente de la protection 628 (non représentée sur la figure 7A). Les antennes élémentaires 700-i sont disposées de manière régulièrement répartie autour de l'axe de symétrie du corps 600. La partie droite de la figure 7, qui représente une partie du jeu d'antennes 627 sous une forme développée, montre, à titre d'exemple, des antennes élémentaires 700-i de forme allongée qui sont inclinées chacune par rapport à la direction longitudinale du corps 600 de façon que chaque extrémité d'une antenne élémentaire 700-i se trouve à peu près alignée, selon la direction de l'axe de symétrie du corps 600, avec, à chaque fois, une extrémité respective d'une antenne élémentaire 700-i adjacente. Avec une telle disposition, le jeu d'antennes 627 rayonne sensiblement de manière identique sur l'ensemble du pourtour du corps 600, au moins sur un tronçon longitudinal du corps 600 comprenant le jeu d'antennes 627. À titre d'exemple, le jeu d'antennes 627 comprend ici huit antennes élémentaires 700-i 25 (N=8). Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 7B, les antennes élémentaires 700-i sont des antennes dites planaires, aussi désignées "antennes patch" dans la technique. Ces antennes permettent de réaliser, dans un encombrement réduit, des antennes présentant de bonnes propriétés de directivité. 30 Ici, les antennes planaires sont des antennes rectangulaires à couplage à fente connectées en réseau par un jeu de coupleurs hybrides (non représentés). In the embodiment of FIG. 6B, the on-board communication device 600 is intended to cooperate with a surface communication device 632 which may be provided with an eyelet (not shown) through which a vertical cable passes. The surface communication device 632 may remain stationary at the base of the wellhead apparatus during the combined downward or upward and rotational movements of the LKV valve relative to the derrick 10. As shown in FIG. 4, the SavSub tubular element located below the LKV safety valve is normally a wear insert or "saver sub". The Applicant has observed that the two ends of this wear insert could be provided with communication couplers, while a connection between them passes along the wear insert, preferably in a conduit pierced in the wall of the housing. this one, from one end to the other. This is now described with reference to FIG. 14A. This FIG. 14A shows a wear insert which is here the SavSub wear insert of FIG. 4. In a conventional manner, the SavSub insert comprises a tubular general structure 1400 with a thread 1401 at the upper end, compatible with threading. 602 low end of the safety valve LKV, and a thread 1402 at the bottom end. The low end thread 1402 of the SavSub insert is compatible with the threads used in the lower part of the column of tubes. The low end of the SavSub insert is equipped with a 1426 coupler, similar to those used in the drill pipe column. The upper end of the SavSub insert is equipped with a coupler 1427, homologous to the coupler 626 of the LKV safety valve. Here, the high end coupler 1427 and the low end coupler 1426 of the SavSub insert are analogous. These couplers are interconnected by an electrical connection 1424 borrowing a longitudinal bore, provided here in the annular wall of the tube. In particular, the coupler 1426 of the bottom of the SavSub insert may be of the same dimensions as the couplers which are used in the drill pipe column, while the top 1427 coupler of the SavSub insert and the 626 coupler of the The bottom of the LKV valve can also be the same dimensions as those used in the drill pipe column. FIG. 14B shows an alternative embodiment of the SavSub insert which differs from that illustrated in FIG. 14A in that its upper end thread 1401 is of the male type, and not a female one. In this form, it is particularly suitable for an LKV valve whose 602 low end thread would be female type. As a result, the high end coupler 1427 is housed close to the corresponding end face of the SavSub insert, whereas, in the embodiment of FIG. 14A, this coupler 1427 is housed at the bottom of a bore provided for receive the low end of the LKV valve. In other words, in FIG. 14B, the high-end coupler 1427 is close to the end of the thread 1401 which is remote from the lower end of the SavSub insert, while in FIG. 14A this coupler 1427 is close to the end of the thread 1401 which is close to the low end of the SavSub insert. Reference is now made to Figure 7A. The set of antennas 627 comprises a plurality of elementary antennas 700-i (i integer from 1 to N, N being the number of antennas of said set), flat, which are printed on a substrate 702 and covered with a layer cover 704 made of a non-metallic material. The cover layer 704 may be different from the cover 628 (not shown in Fig. 7A). The elementary antennas 700-i are arranged regularly distributed around the axis of symmetry of the body 600. The right part of FIG. 7, which represents part of the set of antennas 627 in a developed form, shows, for example, for example, elementary antennas 700-i of elongate shape which are each inclined with respect to the longitudinal direction of the body 600 so that each end of an elementary antenna 700-i is approximately aligned, in the direction of the axis of symmetry of the body 600, with, each time, a respective end of an adjacent elementary antenna 700-i. With such an arrangement, the set of antennas 627 radiates substantially identically over the entire periphery of the body 600, at least over a longitudinal portion of the body 600 comprising the antenna set 627. By way of example, the Antenna set 627 here comprises eight elementary antennas 700-i (N = 8). According to an alternative embodiment illustrated in FIG. 7B, the elementary antennas 700-i are so-called planar antennas, also referred to as "patch antennas" in the art. These antennas make it possible to realize, in a small footprint, antennas having good directivity properties. Here, the planar antennas are slot coupled rectangular antennas connected in a network by a set of hybrid couplers (not shown).
La figure 8 illustre fonctionnellement un jeu de composants 800 pour l'électronique embarquée 621. Le jeu de composants 800 comprend un premier circuit émetteur/récepteur 810 relié de manière bidirectionnelle au jeu d'antennes 627 et qui gère la communication entre le jeu d'antennes 627 et l'antenne fixe installée sur l'appareil de tête de puits, et un second circuit émetteur/récepteur 804 en charge de la transmission bidirectionnelle de données avec les dispositifs embarqués dans la colonne de forage, dispositifs qui sont représentés dans leur ensemble par le cadre en trait tireté portant la référence 806. Le jeu de composants 800 comprend également de la mémoire 808, dans laquelle peuvent être stockées des données utiles, en particulier les données provenant de la colonne de forage à émettre vers le réseau de surface et les données provenant de ce réseau à acheminer dans la colonne de forage. Par exemple, la mémoire 808 agit à la manière d'une mémoire tampon. Le jeu de composants 800 intègre encore une ou plusieurs batteries 814 qui alimentent 15 l'ensemble des éléments l'électronique embarquée 621, dont un microcontrôleur 802 qui fait opérer l'ensemble de ces éléments de manière conjointe. En option, le jeu de composants 800 comprend une interface de communication 810 dite locale, reliée à des capteurs embarqués dans la vanne LKV et qui mesurent des caractéristiques de fonctionnement de l'électronique embarquée 621 et/ou la vanne LKV 20 elle-même. Ces caractéristiques peuvent comprendre, à titre non limitatif, des données sur les conditions vibratoires de la vanne LKV, sur la pression à l'intérieur de cette vanne, ou encore de température. Toujours en option, le jeu de composants 800 comprend une interface de configuration 818 au travers de laquelle le microprogramme du microcontrôleur 802 peut être mis à jour 25 et/ou des données récupérées de la mémoire 808, et/ou l'électronique embarquée 621, voire la vanne LKV elle-même, testées et/ou configurées, entre autres choses. La figure 9 représente fonctionnellement une électronique de surface 900 qui coopère avec une ou plusieurs antennes fixes en vue de communiquer avec le dispositif embarqué dans la vanne LKV. L'électronique de surface 900 forme également une partie de ce que 30 l'on a appelé l'interface de surface. FIG. 8 functionally illustrates a set of components 800 for the on-board electronics 621. The component set 800 comprises a first transmitter / receiver circuit 810 bidirectionally connected to the set of antennas 627 and which manages the communication between the set of components. antennas 627 and the fixed antenna installed on the wellhead apparatus, and a second transceiver circuit 804 in charge of bidirectional transmission of data with the on-board devices in the drill string, which devices are represented as a whole by the dashed frame with the reference 806. The set of components 800 also includes the memory 808, in which useful data can be stored, in particular data from the drill string to be transmitted to the surface network and data from this network to be routed in the drill string. For example, the memory 808 acts as a buffer. The set of components 800 further integrates one or more batteries 814 which supply all the elements of the onboard electronics 621, including a microcontroller 802 which operates all of these elements jointly. Optionally, the set of components 800 comprises a so-called local communication interface 810, connected to sensors embedded in the LKV valve and which measure operating characteristics of the onboard electronics 621 and / or the LKV valve 20 itself. These characteristics may include, without limitation, data on the vibratory conditions of the LKV valve, the pressure inside this valve, or temperature. Still optionally, the component set 800 comprises a configuration interface 818 through which the firmware of the microcontroller 802 can be updated and / or data recovered from the memory 808, and / or the on-board electronics 621, even the LKV valve itself, tested and / or configured, among other things. FIG. 9 functionally represents a surface electronics 900 which cooperates with one or more fixed antennas in order to communicate with the on-board device in the LKV valve. The surface electronics 900 also forms part of what has been called the surface interface.
L'électronique de surface 900 comprend une unité centrale de calcul 902 alimentée par l'intermédiaire d'un transformateur de courant 904 relié à un réseau de distribution d'énergie, lequel réseau est schématisé par le cadre en trait tireté référencé 906. En remplacement ou en complément, l'électronique de surface 900 peut être équipée d'une ou plusieurs batteries, assurant le fonctionnement de l'équipement en cas de défaillance du réseau de distribution d'énergie. L'électronique de surface 900 intègre un circuit d'émission/réception 908 qui assure une communication bidirectionnelle de type numérique avec l'unité de traitement 902 et une communication bidirectionnelle avec l'antenne 910, laquelle peut être de type filaire comme dans le mode de réalisation de la figure 6A ou autre, par exemple conforme au mode de réalisation de la figure 6B. L'électronique de surface 900 comprend encore une interface d' entrée/sortie, ici de type Ethernet, reliée à un réseau d'échange de données schématisé par le bloc en trait tireté 914, et un circuit de configuration 916 relié à l'unité de calcul 902 et accessible éventuellement par une interface d'entrée/sortie d'un type standard, par exemple USB (pour "Universal Serial Bus" ou "bus série universel" en français). La figure 10 montre une partie du jeu de composants 800 destinée à l'émission/réception de données par l'intermédiaire du jeu d'antennes 627. Les lignes de transmission des différences antennes élémentaires 700-i y sont 20 respectivement référencées 100_1, 100 2, ..., 100_8. Chaque ligne de transmission 100_i (i=1, ..., 8) est reliée à une voie de commutation respective d'un circuit de commutation 102 dont une voie d'entrée/sortie est reliée à une voie d'entrée/sortie d'un commutateur 106 à deux voies de commutation. Le circuit de commutation 102 est capable de brancher sélectivement, ici sur commande d'un 25 microcontrôleur 104, une ou plusieurs des lignes de transmission 100_i à l'entrée/sortie du commutateur 106. Le commutateur 106 présente une première voie de commutation reliée à une ligne réceptrice 107 et une seconde voie de commutation reliée à une ligne émettrice 111. Sur commande du microcontrôleur 104, le commutateur 106 peut passer d'un premier état de 30 commutation dans lequel la ligne réceptrice 107 est reliée à la voie d'entrée/sortie du circuit de commutation 102, le jeu d'antennes 627 opérant alors en mode réception, à un second état de commutation dans lequel c'est la ligne émettrice 111 qui est reliée à la voie d'entrée/sortie du circuit de commutation 102, le jeu d'antennes 627 opérant alors en mode émission. Le commutateur 106, la ligne réceptrice 107 et la ligne émettrice 111 forment une électronique de travail qui est capable de travailler en mode émission ou mode réception, selon l'état de commutation du commutateur 106. Bien qu'ici le microcontrôleur 104 commande à la fois le circuit de commutation 102 et le commutateur 106, on peut prévoir, en variante, la commande de ces deux dispositifs par des microcontrôleurs dédiés distincts. La ligne réceptrice 107 comprend un amplificateur-adaptateur 108 et une mémoire de réception 110, tandis que la ligne émettrice 111 comprend un amplificateur-adaptateur 112 et une mémoire d'émission 114. Bien que cela ne soit pas représenté sur les figures, l'amplificateur-adaptateur 108 de la ligne réceptrice 107 et l'amplificateurs-adaptateur 112 de la ligne émettrice 111 peuvent être commandés par le microcontrôleur 104. La mémoire de réception 110 et la mémoire d'émission 114 peuvent être organisées au 15 sein d'un même dispositif électronique. Cette partie du jeu de composants 800 comporte en outre un circuit de détection 118 auquel sont reliées chacune des lignes de transmission 100_1 à 100_8 par l'intermédiaire d'une entrée respective. Le circuit de détection 118 est capable d'établir un signal représentatif d'une puissance de réception telle que mesurée, en ses entrées, sur chacune 20 des lignes de transmission 100_1 à 100_8 correspondant aux antennes élémentaires 700-i du jeu d'antennes 627, et, le cas échéant, de délivrer ce signal en sortie, ici au microcontrôleur 104. La figure 11 illustre le fonctionnement de l'électronique embarquée, en ce qui concerne l'émission et la réception de données. 25 Dans une opération 1100, l'électronique embarquée 800 est initialisée, au moins en ce qui concerne les éléments décrits en relation avec la figure 10. La chaîne de transmission est en mode réception (le commutateur 106 est sur la ligne réceptrice 107). On acquiert le signal issu du circuit de détection 118. Dans une opération 1102, on vérifie si le jeu d'antennes est au moins partiellement 30 opérationnel, c'est-à-dire que l'un au moins des éléments d'antenne est capable de recevoir un signal en provenance de l'antenne fixe. Par exemple, on vérifie que le circuit de détection 118 mesure une valeur de puissance de réception supérieure à une valeur seuil pour l'une au moins des antennes élémentaires 700. Sinon, l'opération 1102 est recommencée jusqu'à ce qu'une antenne au moins soit opérationnelle. The surface electronics 900 comprises a central computing unit 902 fed via a current transformer 904 connected to a power distribution network, which network is shown schematically by the dashed frame referenced 906. In replacement or in addition, the surface electronics 900 may be equipped with one or more batteries, ensuring the operation of the equipment in case of failure of the power distribution network. The surface electronics 900 integrates a transmit / receive circuit 908 which provides bi-directional digital type communication with the processing unit 902 and bidirectional communication with the antenna 910, which may be wired as in the embodiment of Figure 6A or other, for example according to the embodiment of Figure 6B. The surface electronics 900 further comprises an input / output interface, here Ethernet type, connected to a data exchange network shown schematically by the dashed block 914, and a configuration circuit 916 connected to the unit. 902 calculation and possibly accessible by an input / output interface of a standard type, for example USB (for "Universal Serial Bus" or "universal serial bus" in French). FIG. 10 shows a portion of the set of components 800 for transmitting / receiving data via the antenna set 627. The transmission lines of the elementary antenna differences 700-iy are respectively referenced 100_1, 100 2 , ..., 100_8. Each transmission line 100_i (i = 1, ..., 8) is connected to a respective switching channel of a switching circuit 102, an input / output channel of which is connected to an input / output channel. a switch 106 with two switching channels. The switching circuit 102 is capable of selectively connecting, here on command of a microcontroller 104, one or more of the transmission lines 100_i to the input / output of the switch 106. The switch 106 has a first switching path connected to a receiver line 107 and a second switching channel connected to a transmitting line 111. On command of the microcontroller 104, the switch 106 can switch from a first switching state in which the receiver line 107 is connected to the input channel / output of the switching circuit 102, the set of antennas 627 then operating in reception mode, to a second switching state in which it is the transmitting line 111 which is connected to the input / output channel of the switching circuit 102, the set of antennas 627 then operating in transmission mode. The switch 106, the receiver line 107 and the transmitting line 111 form a work electronics that is capable of working in transmit mode or receive mode, depending on the switch state of the switch 106. Although here the microcontroller 104 commands the Once the switching circuit 102 and the switch 106 have been used, it is possible, in a variant, to control these two devices by separate dedicated microcontrollers. The receiver line 107 comprises an amplifier-adapter 108 and a reception memory 110, while the transmitter line 111 comprises an amplifier-adapter 112 and a transmission memory 114. Although this is not shown in the figures, the amplifier-adapter 108 of the receiver line 107 and the amplifier-adapter 112 of the transmitting line 111 may be controlled by the microcontroller 104. The reception memory 110 and the transmission memory 114 may be organized within a same electronic device. This part of the set of components 800 further comprises a detection circuit 118 to which each of the transmission lines 100_1 to 100_8 are connected through a respective input. The detection circuit 118 is capable of establishing a signal representative of a reception power as measured, at its inputs, on each of the transmission lines 100_1 to 100_8 corresponding to the elementary antennas 700-i of the antenna set 627. , and, if necessary, to output this signal, here to the microcontroller 104. Figure 11 illustrates the operation of the on-board electronics, as regards the transmission and reception of data. In an operation 1100, the on-board electronics 800 is initialized, at least with respect to the elements described in connection with FIG. 10. The transmission chain is in reception mode (the switch 106 is on the receiver line 107). The signal obtained from the detection circuit 118 is acquired. In an operation 1102, it is checked whether the set of antennas is at least partially operational, that is to say that at least one of the antenna elements is capable of receiving a signal from the fixed antenna. For example, it is verified that the detection circuit 118 measures a reception power value greater than a threshold value for at least one of the elementary antennas 700. Otherwise, the operation 1102 is restarted until an antenna at least be operational.
Lorsque le test de l'opération 1102 est positif, on organise la réception d'un paquet de données et l'émission d'un autre paquet de données, au cours d'une opération 1104. Puis on met en oeuvre un traitement sur les données reçues et/ou les données à émettre à la prochaine étape d'émission/réception, au cours d'une opération 1106. Au cours de cette opération de traitement, on vérifie en particulier que le paquet de données reçu est intègre, autrement dit que les données reçues forment un paquet complet. On assure également l'encapsulation de données en paquets pour émission. Cette succession d'opérations peut être réalisée sous la forme d'une fonction d'un microprogramme exécuté par le microcontrôleur 104. Rien n'empêche cependant une réalisation à partir exclusivement de circuits électroniques logiques. When the test of the operation 1102 is positive, the reception of a data packet and the transmission of another data packet are organized during an operation 1104. Then a processing is carried out on the received data and / or the data to be transmitted in the next transmission / reception step, during an operation 1106. During this processing operation, it is verified in particular that the received data packet is intact, in other words that the received data form a complete package. Encapsulation of packet data for transmission is also provided. This succession of operations can be performed in the form of a function of a microprogram executed by the microcontroller 104. However, nothing prevents an embodiment from exclusively logic electronic circuits.
La figure 12 détaille l'opération d'émission et réception d'un paquet de données. Cette opération commence par une étape d'initialisation 1200. Cette étape d'initialisation comporte en particulier une phase de synchronisation entre l'électronique embarquée 800 et l'électronique de surface 900 visant à définir des fenêtres temporelles respectives pour l'émission et la réception d'un paquet de données. À l'étape 1202, l'électronique embarquée 800 se trouve dans un état de réception. Ceci implique que le commutateur 106 soit commuté sur la ligne de réception 107, ce qui peut faire l'objet d'un test supplémentaire. En pratique, le commutateur 106 possède un état de commutation par défaut qui correspond au mode réception. L'état de réception implique également la mise en service de l'amplificateur-adaptateur 108. Les données reçues sont inscrites dans la mémoire de réception 110. Cette étape de réception s'achève lorsqu'une période temporelle t_r, précisée lors de la synchronisation avec l'électronique de surface 900, s'est écoulée. On verra plus avant comment on peut évaluer de manière avantageuse cette période Lorsque la durée t _r est écoulée, on teste, à l'étape 1204, s'il y a eu au cours de la période 30 t _r qui vient de s'écouler un changement d'état au sein du circuit de commutation 102. Figure 12 details the operation of transmitting and receiving a data packet. This operation begins with an initialization step 1200. This initialization step comprises in particular a synchronization phase between the onboard electronics 800 and the surface electronics 900 to define respective time windows for transmission and reception. a packet of data. In step 1202, the on-board electronics 800 is in a receiving state. This implies that the switch 106 is switched to the receive line 107, which can be further tested. In practice, the switch 106 has a default switching state that corresponds to the receive mode. The reception state also involves the putting into service of the amplifier-adapter 108. The received data are written in the reception memory 110. This reception step ends when a time period t_r, specified during the synchronization with the surface electronics 900, has elapsed. It will be seen later how this period can be advantageously evaluated. When the time t r is over, it is tested, at step 1204, whether there has been during the period 30 t r that has just elapsed. a change of state within the switching circuit 102.
Si oui, alors l'étape 1202 est recommencée. Autrement dit, l'électronique embarquée 800 se trouve dans à nouveau dans le mode de réception de données, et ce pour une nouvelle période temporelle t_r. Le temps t_r que dure cette période de réception peut faire l'objet d'une nouvelle synchronisation. Autrement dit, la durée de la période temporelle de réception peut être adaptée à chaque fois que cette étape 1202 est recommencée. Cela permet de prendre en compte le fait que le circuit de commutation 102 peut être commuté trop fréquemment pour permettre la réception d'un paquet complet de données dans la période temporelle t_r négociée. Si le test de l'étape 1204 est négatif, alors l'électronique embarquée est basculée en mode émission, à l'étape 1208. Ceci implique que le commutateur 106 soit basculé sur sa seconde voie de commutation et que l'amplificateur-adaptateur de la voie d'émission soit rendu opérationnel. Cette étape d'émission de paquet est achevée lorsqu'une période temporelle t_s, dont la durée a été négociée lors de l'étape de synchronisation précédente, s'est écoulée. If yes, then step 1202 is restarted. In other words, the on-board electronics 800 is in the data reception mode again, for a new time period t_r. The time t_r that this period of reception lasts can be the subject of a new synchronization. In other words, the duration of the reception time period can be adapted each time this step 1202 is restarted. This makes it possible to take into account the fact that the switching circuit 102 can be switched too frequently to allow the reception of a complete packet of data in the negotiated time period t_r. If the test of step 1204 is negative, then the on-board electronics is switched to transmission mode, in step 1208. This implies that the switch 106 is switched to its second switching channel and that the amplifier-adapter of the channel of emission is made operational. This packet sending step is completed when a time period t_s, the duration of which has been negotiated during the previous synchronization step, has elapsed.
Lorsque la période temporelle t_s est écoulée, on teste s'il y a eu une commutation au sein du commutateur 102 au cours de cet intervalle de temps, à l'étape 1210. Si oui, alors on recommence l'étape d'émission 1208 pour une nouvelle période temporelle t_s, de durée égale ou différente à la précédente période temporelle t_s. Si l'intervalle t_s s'est écoulé sans qu'une commutation intervienne, alors le jeu d'antennes 627 est basculé en mode réception, au cours de l'étape 1212, c'est-à-dire que le microcontrôleur 104 émet un signal de commutation à destination du commutateur 106 qui branche la ligne de réception 107 à la voie d'entrée/sortie du circuit de commutation 102. Les étapes qui viennent d'être décrites peuvent être réalisées grâce à l'exécution d'une 25 fonction du microprogramme du microcontrôleur 104. La figure 13 illustre le fonctionnement de l'électronique embarquée, en ce qui concerne la commutation des antennes élémentaires 700-i du jeu d'antennes 627. Après une opération d'initialisation 1300, on teste si le jeu d'antennes est au moins partiellement opérationnel, au cours d'une étape 1302. 30 Ce test consiste en particulier à vérifier qu'une puissance minimale en réception peut être mesurée sur l'une au moins des lignes de transmission 100_i 0=1, ..., 8). When the time period t_s has elapsed, it is tested whether there has been a switch within the switch 102 during this time interval, at step 1210. If yes, then the transmission step 1208 is restarted. for a new time period t_s, of duration equal to or different from the previous time period t_s. If the interval t_s has elapsed without switching, then the set of antennas 627 is switched to receive mode, in step 1212, i.e., the microcontroller 104 emits a switching signal to the switch 106 which connects the receive line 107 to the input / output channel of the switching circuit 102. The steps just described can be performed by executing a function Microcontroller microprogram 104. FIG. 13 illustrates the operation of the on-board electronics, with respect to the switching of elementary antennas 700-i of the antenna set 627. After an initialization operation 1300, it is tested whether the set of antennas is at least partially operational during a step 1302. This test consists in particular in verifying that a minimum reception power can be measured on at least one of the transmission lines 100_i 0 = 1, ..., 8).
Si le test de l'opération 1302 est négatif, alors on recommence l'opération 1302 jusqu'à ce qu'il soit positif, le cas échéant après temporisation. A l'opération 1304, on évalue un ou plusieurs critères de sélection portant sur l'ensemble des antennes élémentaires 700-i jugées opérationnelles. À cet instant, on cherche à 5 déterminer la ou les antennes les plus performantes pour la communication. Selon un mode de réalisation, on sélectionne la ligne d'antenne 100_i sur laquelle est mesurée la puissance de réception la plus importante. Dans cette réalisation, on concentre la puissance d'émission disponible sur une unique antenne élémentaire 700, ce qui permet d'être très performant en débit et en économie d'énergie. 10 En variante, on pourrait sélectionner un sous-ensemble de lignes de transmission, par exemple l'ensemble des lignes de transmission sur lesquelles on mesure une puissance de réception supérieure à une valeur-plancher prédéterminée. Dans une autre variante encore, on pourrait également sélectionner la ligne sur laquelle on mesure la puissance de réception la plus importante, ou plusieurs lignes sur lesquelles on 15 mesure les puissances de réception les plus importantes, c'est-à-dire supérieures aux puissances de réception mesurées sur les autres lignes. Dans ce cas, la sélection peut être conditionnée par le fait que la puissance de réception mesurée sur les lignes sélectionnées soit supérieure à une valeur de puissance plancher. La ou les antennes sélectionnées peuvent aussi comprendre une ou plusieurs antennes 20 élémentaires voisines de l'antenne correspondant à la ligne de transmission sur laquelle on a mesuré la puissance de réception la plus importante, notamment si plusieurs antennes fixes sont utilisées en surface. Selon une autre variante encore, les niveaux de puissance mesurés par le circuit de détection 118 peuvent n'être pris en compte que de manière secondaire pour la sélection 25 de la ou des antennes élémentaires. Par exemple, l'antenne élémentaire active à l'instant présent étant identifiée (par exemple à l'aide d'un registre mémoire), l'antenne élémentaire sélectionnée à l'opération 1304 peut être l'antenne adjacente à l'antenne courante (identifiant inférieur ou supérieur) sur la ligne de transmission de laquelle on mesure la plus grande puissance de réception. Toujours par exemple, l'antenne élémentaire 30 actuellement active et un sens de rotation du corps 600 (connu de l'extrapolation de l'évolution de la puissance de réception d'une ligne d'antenne, typiquement la ligne d'antenne qui correspond à l'antenne présentement activée, et de l'évolution de la pente) étant connus, l'antenne sélectionnée au cours de l'opération 1304 peut être l'antenne suivante (de numéro d'identification inférieur ou supérieur), à condition que la puissance de réception mesurée soit supérieure à une valeur seuil. À l'opération 1306, on commande le circuit de commutation 102 de manière qu'il branche les voies de commutation correspondant aux lignes de transmission des antennes sélectionnées à sa voie d'entrée/sortie. À l'opération 1308, on teste si une ou plusieurs conditions de commutation sont remplies. Ces conditions de commutation visent à déterminer lorsqu'il est opportun d'opérer une 10 modification dans l'ensemble des antennes actives. Une première condition peut comprendre l'évaluation de la puissance de réception de l'antenne actuellement active et la comparaison du niveau de puissance mesuré à une valeur plancher, cette première condition étant remplie si la puissance mesurée est inférieure à la valeur plancher. 15 Une seconde condition peut comprendre la comparaison des puissances de réception mesurées sur les lignes de transmission correspondant à un sous-ensemble du jeu d'antennes 700. Par exemple, la seconde condition est remplie s'il existe une ligne de transmission, différente de la ligne correspondant à l'antenne actuellement active, sur laquelle on mesure une puissance de réception supérieure à la ligne de l'antenne 20 actuellement activée. Une troisième condition peut comprendre l'écoulement d'une période temporelle déterminée, par exemple évaluée sur la base d'une vitesse de rotation du corps 600. L'opération 1308 est recommencée tant que les conditions de commutation ne sont pas remplies. 25 Les opérations décrites en relation avec la figure 12 peuvent être mises en oeuvre par l'exécution d'une ou plusieurs fonctions du microprogramme du microcontrôleur 104, d'un microcontrôleur dédié à la commande du circuit de détection et du circuit de commutation 102 et/ou d'un circuit spécifique. Le circuit de détection 118, conjointement au microcontrôleur 104 avec lequel il échange 30 des données, agit à la manière d'un moniteur d'antennes élémentaires qui évalue répétitivement la puissance de réception de chacune de ces antennes élémentaires, en tant que grandeur de qualité de réception, ou d'un sous-ensemble du jeu d'antennes 627. Le circuit de détection 118, conjointement au microcontrôleur 104, sélectionnent répétitivement une ou plusieurs antennes élémentaires dudit jeu en fonction des grandeurs de qualité de réception issues dudit sous-ensemble et commandent le circuit de commutation 102, qui agit en tant qu'actionneur, pour brancher la ou les antennes ainsi sélectionnées ce que l'on peut appeler une électronique de travail, c'est-à-dire les lignes émettrice 111 et réceptrice 108. On revient maintenant sur l'étape de traitement décrite plus haut en relation avec la figure 13. If the test of the operation 1302 is negative, then the operation 1302 is repeated until it is positive, if necessary after the delay. In operation 1304, one or more selection criteria are evaluated for all the elementary antennas 700-i judged operational. At this time, it is sought to determine the most efficient antenna or antennas for communication. According to one embodiment, the antenna line 100_i on which the largest reception power is measured is selected. In this embodiment, the available transmission power is concentrated on a single elementary antenna 700, which makes it possible to be very efficient in terms of speed and energy saving. Alternatively, a subset of transmission lines could be selected, for example, all transmission lines on which a reception power greater than a predetermined floor value is measured. In yet another variant, it would also be possible to select the line on which the largest reception power is measured, or several lines on which the largest reception powers, that is to say greater than the powers, are measured. received on the other lines. In this case, the selection may be conditioned by the fact that the reception power measured on the selected lines is greater than a floor power value. The selected antenna or antennas may also include one or more elementary antennas adjacent to the antenna corresponding to the transmission line on which the largest reception power has been measured, especially if several fixed antennas are used on the surface. According to yet another variant, the power levels measured by the detection circuit 118 may be taken into account only in a secondary manner for the selection of the elementary antenna or antennas. For example, the active elementary antenna at the present time being identified (for example by means of a memory register), the elementary antenna selected in the operation 1304 may be the antenna adjacent to the current antenna (lower or higher identifier) on the transmission line which is measured the largest power of reception. Still for example, the elementary antenna 30 currently active and a direction of rotation of the body 600 (known from the extrapolation of the evolution of the reception power of an antenna line, typically the corresponding antenna line at the presently activated antenna, and the evolution of the slope) being known, the antenna selected in the course of the operation 1304 may be the next antenna (of lower or higher identification number), provided that the measured reception power is greater than a threshold value. In operation 1306, the switching circuit 102 is controlled to connect the switching channels corresponding to the transmission lines of the selected antennas to its input / output channel. In step 1308, it is tested whether one or more switching conditions are met. These switching conditions aim to determine when it is appropriate to make a modification in the set of active antennas. A first condition may include evaluating the reception power of the currently active antenna and comparing the measured power level to a floor value, this first condition being fulfilled if the measured power is less than the floor value. A second condition may include comparing the reception powers measured on the transmission lines corresponding to a subset of the set of antennas 700. For example, the second condition is fulfilled if there is a transmission line, different from the line corresponding to the currently active antenna, on which a higher reception power is measured at the line of the antenna 20 currently activated. A third condition may include the flow of a specified time period, for example, evaluated on the basis of a rotational speed of the body 600. The operation 1308 is restarted as long as the switching conditions are not fulfilled. The operations described in connection with FIG. 12 can be implemented by the execution of one or more functions of the firmware of the microcontroller 104, of a microcontroller dedicated to the control of the detection circuit and of the switching circuit 102 and / or a specific circuit. The detection circuit 118, together with the microcontroller 104 with which it exchanges data, acts in the manner of an elementary antenna monitor which repetitively evaluates the reception power of each of these elementary antennas as a quantity of quality. receiving circuit, or a subset of the set of antennas 627. The detection circuit 118, together with the microcontroller 104, repeatedly select one or more elementary antennas of said set according to the reception quality variables from said subset and control the switching circuit 102, which acts as an actuator, to connect the antenna or antennas so selected what may be called a work electronics, that is to say the transmitter lines 111 and receiver 108 Returning now to the processing step described above in relation to FIG.
Grâce à la répartition régulière des antennes élémentaires 700-i autour de l'axe de symétrie du corps 600, qui correspond à son axe de rotation lorsque la colonne de forage est en service, on peut s'assurer à tout moment d'un niveau de puissance supérieur à un niveau plancher en émission comme en réception, au moins en fonctionnement normal de l'interface de surface. En commutant répétitivement les antennes élémentaires actives sur la ou les plus performantes sur un intervalle de temps, on assure une économie de l'énergie consommée par l'émission de données. Autrement dit, on a réalisé des antennes élémentaires directives qui peuvent donc être commandées de manière à limiter les pertes énergétiques. Sur ce point, l'utilisation de fréquences d'émission élevées, par exemple de l'ordre de 2,45 GHz, améliore encore la directivité des antennes élémentaires. Thanks to the regular distribution of elementary antennas 700-i around the axis of symmetry of the body 600, which corresponds to its axis of rotation when the drill string is in use, it is possible at any time to ensure a level of power greater than a floor level in transmission as in reception, at least in normal operation of the surface interface. By switching repetitively the elementary antennas active on the one or the most efficient over a period of time, it ensures a saving of the energy consumed by the data transmission. In other words, we have made elementary antennas directives that can be controlled to limit energy losses. On this point, the use of high transmission frequencies, for example of the order of 2.45 GHz, further improves the directivity of the elementary antennas.
Le niveau de puissance minimal est maintenu grâce à une commutation plus ou moins régulière, sélective et conditionnelle, des antennes élémentaires actives. La fréquence de commutation dépend de nombreux paramètres, notamment de l'évolution des conditions de propagation des ondes radiofréquences dans l'appareil de tête de puits, conditions qui sont susceptibles d'être influencées par de nombreux paramètres assez imprévisibles, comme la présence d'outillages entre le corps 600 et l'antenne fixe par exemple. Il faut remarquer que l'effet négatif de ces phénomènes imprévisibles sur la transmission est minimisé du fait que l'on commute généralement la ou les antennes élémentaires les plus performantes (et non nécessairement celle qui se trouve en face de l'antenne fixe). The minimum power level is maintained through more or less regular, selective and conditional switching of active elementary antennas. The switching frequency depends on many parameters, in particular on the evolution of the radiofrequency wave propagation conditions in the wellhead apparatus, conditions which are likely to be influenced by many rather unpredictable parameters, such as the presence of tooling between the body 600 and the fixed antenna for example. It should be noted that the negative effect of these unpredictable phenomena on the transmission is minimized by the fact that the most efficient elementary antenna or antennas is usually switched (and not necessarily that which is in front of the fixed antenna).
La vitesse de rotation du corps 600 par rapport à l'antenne fixe peut influencer la fréquence de commutation des antennes élémentaires 700, et par conséquent la durée de la fenêtre temporelle effectivement disponible pour l'émission et la réception de données. Étant donné un niveau de puissance d'émission seuil, au-delà duquel on estime que la transmission de données est opportune, l'augmentation de la vitesse de rotation de la colonne de forage tend à diminuer la fenêtre temporelle effectivement disponible pour une antenne élémentaire, tandis que la diminution de cette vitesse tend à augmenter cette fenêtre temporelle. On peut avantageusement adapter le traitement réalisé sur les paquets de données pour 10 prendre cela en compte. Dans un mode de réalisation, les données à émettre sont encapsulées dans des paquets dont la taille est susceptible de varier dans le temps, en fonction de la fréquence de commutation, laquelle peut être évaluée sur la base d'un historique (une moyenne de la fréquence de commutation un Intervalle de temps passé, par exemple), ou sur celle d'une 15 vitesse de rotation. Autrement dit, la taille des paquets émis et reçus est adaptée en fonction de la fenêtre temporelle offerte à chaque fois par une antenne élémentaire 700. On peut également prévoir des paquets de taille fixe. La taille des paquets peut alors être estimée sur la base d'une vitesse de rotation maximale de la colonne de forage, qu'elle soit réelle (par exemple 120 tours par minute) ou théorique (par exemple 250 tours par 20 minute). À l'intérieur d'une fenêtre temporelle, il convient d'organiser au moins un intervalle pour la réception, de durée tr, et un intervalle pour l'émission, de durée t _s. Ces durées t _r et t _s peuvent être déduites, le cas échéant, de la fenêtre temporelle disponible sur une antenne élémentaire 700, que la durée de cette fenêtre soit connue, estimée, mesurée, ou 25 supposée. Les durées t _s et t r ne sont pas nécessairement identiques l'une à l'autre étant donné que, dans l'application décrite ici, les informations à extraire de la colonne de forage sont plus importantes en quantité que les informations à transmettre à cette colonne. Comme on l'a vu, la solution proposée ici procède d'une remise en cause complète des 30 idées habituelles de l'homme du métier. Cela intervient tout d'abord du fait qu'un dispositif de communication est prévu sur un élément de sécurité, à savoir une vanne. The rotation speed of the body 600 relative to the fixed antenna can influence the switching frequency of the elementary antennas 700, and therefore the duration of the time window actually available for the transmission and reception of data. Given a threshold transmission power level, beyond which it is considered that data transmission is appropriate, the increase in the rotation speed of the drill string tends to decrease the time window actually available for an elementary antenna. , while the decrease in this speed tends to increase this time window. The processing performed on the data packets can be advantageously adapted to take this into account. In one embodiment, the data to be transmitted is encapsulated in packets whose size is likely to vary over time, depending on the switching frequency, which can be evaluated on the basis of a history (an average of switching frequency, eg a time interval), or that of a rotational speed. In other words, the size of the transmitted and received packets is adapted according to the time window offered each time by an elementary antenna 700. It is also possible to provide fixed size packets. The size of the packets can then be estimated on the basis of a maximum rotation speed of the drill string, whether real (for example 120 revolutions per minute) or theoretical (for example 250 revolutions per minute). Within a time window, it is necessary to organize at least one interval for reception, of duration tr, and an interval for transmission, of duration t _s. These times t_r and t _s can be deduced, if necessary, from the time window available on an elementary antenna 700, whether the duration of this window is known, estimated, measured, or assumed. The times t _s and tr are not necessarily identical to each other since, in the application described here, the information to be extracted from the drill string is larger in quantity than the information to be transmitted to this drill. column. As we have seen, the solution proposed here proceeds from a complete questioning of the usual ideas of the person skilled in the art. This occurs first of all because a communication device is provided on a security element, namely a valve.
Au contraire, les solutions connues, notamment US 2010/0224409, placent le joint tournant sur l'insert d'usure, alors que celui-ci va se trouver tout près d'organes mécaniques travaillant en force, comme la pince-verrou hydraulique ("hydraulic clamp"). Il en découle un risque sérieux d'endommagement pour le dispositif de communication, et pour son câble de liaison avec l'interface de surface, donc d'interruption de service intempestive. De plus, il est habituel de "reconditionner" périodiquement les filetages de l'insert d'usure. La présence sur celui-ci d'un dispositif de communication peut poser problème, si l'on veut réaliser le reconditionnement de ses filetages à des conditions économiques acceptables. La variante consistant à faire du composant d'usure un composant jetable n'est pas nécessairement souhaitable non plus, économiquement. US 2010/0224409 propose de réaliser un dispositif de communication au moins en partie amovible, mais cela rend plus complexe encore la fabrication de l'insert d'usure. La solution ici proposée évite ce problème. L'insert d'usure est équipé de coupleurs d'extrémité et d'un câble, d'une manière semblable à ce qui est fait pour les tubes de la colonne de forage. Il ne comporte pas la partie saillante externe que constitue le joint tournant. On peut donc reconditionner les filetages de l'insert d'usure par les mêmes techniques que celles utilisées pour les tubes de la colonne de forage. L'insert d'usure conserve ses qualités de résistance mécanique, critiques à cet endroit de la colonne. Le coût de reconditionnement de l'insert d'usure se trouve optimisé par rapport aux solutions connues sous les noms de "Data Swivel" et "SwivelLink". L'insert d'usure conserve un encombrement extérieur réduit au minimum. La prévision du dispositif de communication sur la vanne LKV permet en outre de disposer sur cette vanne de deux positions de serrage envisageables au moins, à savoir au-25 dessus du jeu d'antennes et sous celui-ci, du fait de la longueur de cette vanne. Comme expliqué plus haut, l'invention ne se limite pas au cas du forage par moteur au sommet, mais peut également être envisagée en combinaison d'une tige profilée de type "kelly". Dans ce cas, la vanne LKV décrite ici pourrait être employée en tant que "upper kelly valve", tandis que la tige profilée "kelly", la vanne de sécurité "lower kelly valve" et 30 l'insert d'usure inférieur ("lower saver sub") pourraient être chacun équipés de coupleurs d'extrémités et d'un câble reliant électriquement ces coupleurs. On the contrary, the known solutions, in particular US 2010/0224409, place the rotary joint on the wear insert, while it will be close to mechanical members working in force, such as hydraulic clamp-lock ( "hydraulic clamp"). This results in a serious risk of damage to the communication device, and for its connection cable with the surface interface, so inadvertent service interruption. In addition, it is usual to periodically "recondition" the threads of the wear insert. The presence on it of a communication device can pose a problem, if one wants to achieve the repackaging of its threads at acceptable economic conditions. The alternative of making the wear component a disposable component is not necessarily desirable either economically. US 2010/0224409 proposes to make a communication device at least partly removable, but this makes it even more complex to manufacture the wear insert. The solution proposed here avoids this problem. The wear insert is equipped with end couplers and a cable, in a manner similar to what is done for the tubes of the drill string. It does not include the outer projection that constitutes the rotary joint. It is therefore possible to repackage the threads of the wear insert by the same techniques as those used for the tubes of the drill string. The wear insert retains its qualities of mechanical strength, critical at this point of the column. The cost of repackaging the wear insert is optimized compared to the solutions known as "Data Swivel" and "SwivelLink". The wear insert maintains a small external footprint. The prediction of the communication device on the valve LKV also makes it possible to have on this valve at least two possible clamping positions, namely above and below the set of antennas, because of the length of the this valve. As explained above, the invention is not limited to the case of drilling by motor at the top, but can also be considered in combination with a profiled stem type "kelly". In this case, the LKV valve described here could be used as an "upper kelly valve", while the "kelly" shaped stem, the "lower kelly valve" and the lower wear insert (" lower saver sub ") could each be equipped with end couplers and a cable electrically connecting these couplers.
La vanne LKV décrite pourrait également être agencée en tant que vanne pneumatique. Bien que le dispositif de communication qui vient d'être décrit présente de nombreux avantages lorsqu'il est intégré à une vanne de sécurité de type vanne "kelly", certains au moins de ces avantages peuvent être retrouvés dès lors que le dispositif en question se trouve embarqué dans un élément de la colonne de forage de forme axisymétrique. Le dispositif décrit permet d'économiser substantiellement l'énergie consommée par les opérations de transmission de données. Ceci présente une importance toute particulière dans le domaine du forage, car le dispositif en question, comme l'ensemble des dispositifs électriques embarqués dans la colonne de forage, doivent être autonomes et sont par conséquent alimentés par des batteries embarquées. Or l'épuisement d'une batterie peut avoir des conséquences particulièrement néfastes, car son remplacement nécessite l'arrêt de la production et/ou du forage. Plus précisément, le dispositif proposé ici offre une gestion optimale de l'énergie dédiée à la transmission de données, puisque l'ensemble de la puissance disponible est toujours attribuée à l'antenne, ou à un sous-ensemble du jeu d'antennes, le plus performant, les autres antennes étant rendues passives. Ceci est encore amélioré par l'utilisation d'antennes très directives, qui permettent de sélectionner efficacement la ou les antennes à utiliser à un moment donné. Il convient de noter que, bien qu'à tout moment seule une partie du jeu d'antennes soit activée, on peut obtenir, grâce au dispositif proposé, une transmission de données sensiblement continue, même dans le cas de l'utilisation d'une unique antenne fixe. Cette transmission peut se faire à des débits supérieurs, et avec des performances énergétiques remarquables. Le dispositif proposé permet en outre une transmission de données de type TDMA, pour "Time Division Multiple Access", ou "accès multiple par répartition dans le temps" en 25 français. The described LKV valve could also be arranged as a pneumatic valve. Although the communication device which has just been described has many advantages when it is integrated with a "kelly" valve, at least some of these advantages can be found once the device in question becomes is embedded in an axially symmetrical drill pipe element. The described device saves substantially the energy consumed by the data transmission operations. This is of particular importance in the field of drilling, because the device in question, as all the electrical devices embedded in the drill string, must be autonomous and are therefore powered by on-board batteries. However the depletion of a battery can have particularly harmful consequences, because its replacement requires the stop of the production and / or drilling. More precisely, the device proposed here offers optimal management of the energy dedicated to the transmission of data, since all the available power is always attributed to the antenna, or to a subset of the antenna set, the most efficient, the other antennas being rendered passive. This is further enhanced by the use of highly directional antennas, which effectively select the antenna or antennas to be used at a given time. It should be noted that, although at any time only a part of the antenna set is activated, it is possible to obtain, thanks to the proposed device, a substantially continuous data transmission, even in the case of the use of an antenna. single fixed antenna. This transmission can be done at higher speeds, and with remarkable energy performance. The proposed device also allows data transmission of TDMA type, for "Time Division Multiple Access", or "time division multiple access" in French.
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