FR2867627A1 - Appareil et methode de production d'energie electrique dans un sondage - Google Patents

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Jacques Orban
Jean Michel Hache
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Abstract

Un appareil (160) et la méthode connexe de production d'énergie électrique dans un logement tubulaire (150), tel qu'une masse-tige, disposé dans un sondage (11) dans lequel un fluide de forage (26) s'écoule à travers le logement tubulaire. L'appareil comprend un stator d'alternateur (162) adapté de manière à pouvoir être immobilisé en rotation à l'intérieur du logement tubulaire, un rotor d'alternateur tubulaire (160) monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur, et une roue (166) fixée sur la périphérie du rotor d'alternateur. En conséquence, le fluide de forage traversant le logement tubulaire quand l'appareil y est disposé, engage la roue et provoque la rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.

Description

APPAREIL ET METHODE
DE PRODUCTION D'ENERGIE ELECTRIQUE
DANS UN SONDAGE
ANTÉCÉDENTS DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne des outils de fond utilisés dans les opérations de forage pétrolier et gazier, et plus particulièrement, des moyens de production d'énergie électrique pour les outils et procédés de mesure en cours de forage (MWD) utilisés dans ces opérations.
io Antécédents de l'état de la technique connexe Le forage de puits de pétrole et de gaz implique typiquement l'usage de plusieurs systèmes de mesure et de télémétrie différents pour fournir des données concernant la formation souterraine pénétrée par un sondage, et des données concernant l'état de diverses paramètres de forage pendant le procédé de forage. Dans les outils MWD, les données sont saisies par des capteurs situés dans le train de tiges près de l'outil. Ces données sont soit stockées dans la mémoire de fond, soit transmises à la surface par des moyens de télémétrie tels que des dispositifs de télémétrie par débit de boue.
Tant les capteurs de fond que les moyens de télémétrie de l'outil MWD exigent de l'énergie électrique. Comme il n'est pas possible d'acheminer un câble d'alimentation électrique par le train de tiges entre la surface et les capteurs ou moyens de télémétrie, l'énergie électrique doit s'obtenir au fond. L'état de la technique des dispositifs MWD obtient cette énergie en fond de trou à partir soit d'une batterie, soit d'un turbo-alternateur. Des exemples d'alternateurs utilisés dans les outils de fond sont indiqués dans le Brevet U.S. n 5.517.464, cédé au cessionnaire de la présente invention, et le Brevet U.S. n 5.793.625 cédé à Baker Hughes. Un exemple de générateur de couple électrique de type alternateur (pour le maintien de l'orientation angulaire d'un élément tubulaire à l'intérieur d'un système orientable rotatif) est révélé dans le Brevet U.S. n 5.265.682, également cédé au cessionnaire de la présente invention.
Les turbo-alternateurs utilisent des rotors dotés de roues placées dans le circuit haute pression du fluide de forage ( circuit de boue ) à l'intérieur du train de tiges de manière à ce que les aubes de la roue convertissent l'énergie hydraulique du fluide de forage en rotation du rotor. Les rotors tournent à une vitesse angulaire qui fournit suffisamment d'énergie aux outils MWD pour alimenter les moyens de télémétrie et les capteurs, et dans certains cas d'autres outils dans l'assemblage de fond (BHA).
Dans la plupart des modèles classiques, l'arbre de la turbine (c.-à-d. le rotor) est couplé à io un alternateur soit directement, soit par le biais d'un train d'engrenages, pouvant adapter la vitesse de rotation du rotor pour garantir le fonctionnement optimal de la turbine et de l'alternateur. L'arbre de la turbine est supporté par des roulements. Typiquement, l'arbre, les roulements, le train d'engrenages et l'alternateur sont tous logés dans une chambre à huile pressurisée afin de fonctionner dans des conditions de propreté et de bonne lubrification. Puisque l'arbre de la turbine tourne dans le fluide de forage, un joint rotatif est nécessaire pour isoler le fluide de forage de l'huile présente dans la chambre pressurisée. Du fait que la vitesse de rotation est élevée, la surface d'un joint rotatif typique doit être lubrifiée au moyen d'une substance autre que le fluide de forage puisque ce dernier contient des particules érosives qui détruiraient rapidement le joint rotatif Cette lubrification est obtenue en assurant une fuite d'huile, faible mais constante, depuis la chambre vers le joint rotatif. Cette fuite empêche également le fluide de forage d'envahir la chambre à huile, ce qui est souhaitable du fait que la propreté de l'huile favorise une longue vie utile des engrenages, roulements et composants électriques à l'intérieur de l'huile (en effet, des particules du fluide de forage éroderaient les pièces mobiles et endommageraient les composants de l'alternateur.) Pour réaliser cette fuite contrôlée à travers le joint rotatif, l'huile de la chambre est légèrement pressurisée par rapport à la pression de la boue au moyen d'un piston de compensation muni d'un ressort à l'intérieur de la chambre à huile pressurisée. Ce piston doit se déplacer en fonction du temps, ce qui rend la chambre plus longue et plus volumineuse qu'elle ne pourrait autrement l'être. En conséquence, il est bien connu que le piston de compensation et le joint rotatif ont tendance à rendre onéreuse l'alimentation d'énergie électrique en fond de puits.
io En outre, l'expérience dans le domaine a prouvé que la majorité des pannes et des coûts d'entretien associés aux alternateurs de fond sont dus aux joints rotatifs et à la longueur du système de compensation de pression. Il existe par conséquent le besoin d'un système de production d'énergie électrique en fond de puits qui fonctionne sans avoir besoin de ces composants.
Il existe en outre le besoin d'un système de production d'énergie électrique en fond de puits qui soit capable de produire une puissance élevée dans des conditions de service difficiles, comme la présence de boue ou de fluide de forage érosif.
DÉFINITIONS Certain termes sont définis au cours de la présente description lors de leur première utilisation, tandis que certains autres termes utilisés dans la présente description sont définis ci-après: Aval désigne le sens dans lequel le fluide de forage est pompé pour traverser un train de tiges, p. ex., dans le sens du vecteur gravimétrique dans une section verticale du puits.
Particules désigne des solides relativement lourds dont certains sont destinés à boucher de petits trous, et qui sont mélangés ou en suspension dans un fluide de forage. Les particules peuvent avoir une vaste gamme de dimensions et peuvent inclure des déblais de forage ainsi que des additifs utilisés pour contrôler les conditions hydrostatiques du sondage.
Amont désigne le sens opposé au sens aval.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION lo Dans une réalisation, la présente invention fournit un appareil de production d'énergie électrique dans un logement tubulaire disposé dans un sondage dans lequel coule du fluide de forage à travers le logement tubulaire. L'appareil comprend un stator d'alternateur adapté de manière à pouvoir être immobilisé en rotation à l'intérieur du logement tubulaire, un rotor d'alternateur tubulaire monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur, et une roue fixée sur la périphérie du rotor d'alternateur. En conséquence, le fluide de forage traversant le logement tubulaire quand l'appareil y est disposé, engage la roue et provoque la rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.
Dans une réalisation particulière de l'appareil selon l'invention, le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur sont de taille et de forme telles qu'ils définissent un espace annulaire conducteur de fluide entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur. Ainsi, l'écoulement du fluide de forage à travers le logement tubulaire quand l'appareil y est disposé, provoque également l'acheminement du fluide de forage à travers l'espace pour évacuer la chaleur du stator d'alternateur. L'espace a de préférence un diamètre qui augmente en général dans le sens aval, de manière à favoriser le mouvement des particules dans le fluide de forage à travers l'espace.
En outre, le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur sont de préférence de taille et de forme telles qu'ils définissent au moins une entrée et au moins une sortie pour l'écoulement du fluide de forage entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur. Une pluralité de roulements, y compris au moins un roulement radial et un roulement axial, sont prévus pour assurer le mouvement du rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur. Les roulements sont lubrifiés par le fluide de forage. Le rotor d'alternateur peut aussi être doté d'un canal généralement radial, ou de plusieurs de ces canaux, en position intermédiaire entre l'entrée et la io sortie, de manière à faciliter l'extraction des particules dans le fluide de forage situé entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur.
En outre, la roue fixée au rotor d'alternateur définit un rotor de turbine qui est le complément d'un stator de turbine ayant un corps tubulaire fixé coaxialement à une extrémité amont du stator d'alternateur. Une pluralité d'aubes sont fixées à la périphérie du corps tubulaire 1s du stator de turbine pour agiter le fluide de forage s'écoulant à travers le logement tubulaire, les particules du fluide de forage étant ainsi détournées de l'entrée du fluide.
Le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur ont tous deux de préférence des extrémités aval, l'extrémité aval du stator d'alternateur dépassant en aval de l'extrémité aval du rotor d'alternateur. Les extrémités aval sont de taille et de forme telles qu'elles définissent entre elles un espace annulaire adjacent à la sortie dans laquelle le fluide de forage s'écoulant à travers la sortie sera accéléré pour exercer une force de levage sur le rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur. La force de levage a pour effet de réduire les forces de frottement appliqués au(x) roulement(s) axial(aux). Ces forces de frottement peuvent être davantage réduites au moyen d'une bague segmentée à l'intérieur du roulement axial permettant de produire un film hydrodynamique de fluide de forage qui empêche les forces de contact par frottement.
En outre, un élément déformable de manière élastique peut être disposé entre l'extrémité aval du stator d'alternateur et un roulement axial aval adjacent. Ainsi, l'écoulement du fluide de forage à travers le logement tubulaire imposera une force dirigée vers le bas sur la roue qui déplace axialement le rotor d'alternateur d'une certaine distance en aval pour comprimer l'élément déformable de manière élastique. Puis, quand l'écoulement du fluide de forage est arrêté, l'élément se dilatera pour soulever le rotor d'alternateur de la même distance. L'usage de cet élément a un certain nombre d'objectifs. Par exemple, l'élément déformable de manière io élastique peut avoir une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur de se déplacer axialement en aval dès le début de l'écoulement du fluide de forage sur une distance suffisante pour briser un gel thixotrope susceptible de s'être formé pendant que le fluide de forage était statique. De plus, l'élément peut servir à contrôler la vitesse du rotor d'alternateur de manière à éviter des complications résultant de variations importantes de la vitesse.
Plus particulièrement, quand l'appareil selon l'invention comprend un rotor de turbine et un stator de turbine (comme mentionné ci-dessus), les aubes périphériques du corps tubulaire peuvent être situées à une distance de séparation du rotor de turbine afin d'agiter le fluide de forage s'écoulant à travers le logement tubulaire de manière à favoriser l'effet du fluide en écoulement sur le rotor de turbine. Dans cette réalisation, l'élément déformable de manière élastique a une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur et au rotor de turbine de se déplacer axialement en aval pendant l'écoulement du fluide de forage et d'accroître la distance de séparation entre le rotor de turbine rotor et le stator de turbine jusqu'au point où l'effet du fluide de forage en écoulement sur le rotor de turbine est réduit. Cet effet entraîne également la restriction de la vitesse de rotation du rotor d'alternateur, prévenant ainsi certaines difficultés associées à des variations importantes de la vitesse dans le rotor d'alternateur.
Ce déplacement axial en aval du rotor d'alternateur pendant l'écoulement du fluide de forage réduit aussi la couverture d'un ensemble d'aimants à l'intérieur du rotor d'alternateur par rapport à un ensemble d'enroulements conducteurs à l'intérieur du stator d'alternateur, permettant ainsi de contrôler la production d'énergie électrique. Ceci est souhaitable car cela réduit la gamme de puissance fournie qui doit être adaptée à certains composants, tels que l'électronique MWD dans le train de tiges.
L'appareil selon l'invention peut aussi comprendre un élément conique divergent adapté io pour sa fixation à l'intérieur du logement tubulaire. L'élément conique divergent est de taille et forme permettant le déplacement axial du rotor d'alternateur et du rotor de turbine qu'il contient, disposition selon laquelle le déplacement axial en aval du rotor d'alternateur et du rotor de turbine à l'intérieur de l'élément conique divergent positionne le rotor de turbine dans une région d'écoulement du fluide de forage à vitesse réduite. Ceci a pour effet de contrôler la vitesse de rotation du rotor d'alternateur.
Dans une réalisation particulière de l'appareil selon l'invention, le stator d'alternateur a un ensemble d'enroulements conducteurs disposés à l'intérieur de manière à faciliter le contrôle de la tension de sortie de chaque enroulement, disposition selon laquelle l'excentricité du rotor d'alternateur peut être déterminée par rapport au stator d'alternateur. L'appareil selon l'invention peut aussi comprendre un régulateur électronique permettant d'ajuster séparément le courant traversant chaque enroulement de manière à contrer l'excentricité, empêchant ainsi le tournoiement du rotor d'alternateur.
Selon une autre réalisation, le stator d'alternateur a un ensemble d'enroulements conducteurs disposés à l'intérieur de telle manière que les enroulements sont répartis asymétriquement autour du stator d'alternateur, et le rotor d'alternateur a un ensemble d'aimants disposés à l'intérieur autour d'un rebord intérieur du rotor d'alternateur. Ainsi, le rotor d'alternateur applique une force d'attraction magnétique résultante sur le stator d'alternateur dans une direction radiale fixe qui empêche le tournoiement du rotor d'alternateur.
Selon une autre réalisation, la présente invention fournit un système de production d'énergie électrique dans un train de tiges disposé dans un sondage. Le système comprend un logement tubulaire raccordé à l'intérieur du train de tiges, un stator d'alternateur immobilisé en io rotation à l'intérieur du logement tubulaire, un rotor d'alternateur tubulaire monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur, et une roue fixée sur la périphérie du rotor d'alternateur. Ainsi, le fluide de forage traversant le train de tiges engage la roue et provoque la rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.
Selon une réalisation particulière du système selon l'invention, le logement tubulaire est une masse-tige. Le système peut aussi comprendre un ensemble de capteurs MWD et un dispositif de télémétrie, tous deux disposés dans la masse-tige et alimentés par l'énergie électrique produite.
Selon une autre réalisation, la présente invention fournit une méthode de production d'énergie électrique dans un sondage. La méthode comprend l'étape consistant à supporter un rotor d'alternateur de manière à pouvoir tourner autour d'un stator d'alternateur, immobiliser le stator d'alternateur en rotation à l'intérieur d'un train de tiges disposé dans le sondage, et faire couler le fluide de forage à travers le train de tiges. Le rotor d'alternateur a une roue périphérique qui convertit l'énergie hydraulique du fluide de forage en rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.
Selon une réalisation particulière de la méthode selon l'invention, le rotor d'alternateur est supporté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur par des roulements, comprenant de préférence au moins un roulement axial et un roulement radial qui sont lubrifiés par le fluide de forage traversant le train de tiges. Cette réalisation comprend aussi de préférence les étapes consistant à acheminer le fluide de forage en écoulement à travers un espace entre le stator d'alternateur et le rotor d'alternateur pour extraire la chaleur du stator d'alternateur, empêchant l'accumulation de particules de fluide de forage à l'intérieur de l'espace, et réduisant io le contact par frottement au niveau du roulement axial.
Selon une réalisation particulière, la méthode selon l'invention comprend aussi l'étape consistant à détourner les particules du fluide de forage afin qu'elles ne passent entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur.
Pendant les périodes où le fluide de forage ne s'écoule pas à travers le train de tiges, il sera statique et pourra former un gel thixotrope. Ainsi, la méthode selon l'invention peut aussi comprendre l'étape consistant à briser le gel thixotrope qui s'est formé entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur pendant que le fluide de forage était statique.
Selon une réalisation particulière, la méthode selon l'invention comprend aussi l'étape consistant à contrôler la vitesse de rotation du rotor d'alternateur. Comme mentionné ci-dessus, ce contrôle empêche certaines difficultés associées à de grandes variations de la vitesse du rotor d'alternateur.
Selon une réalisation particulière, la méthode selon l'invention comprend aussi l'étape consistant à contrôler la production d'énergie électrique. Ceci a pour effet de réduire la gamme de puissance fournie (tension primaire) qui doit être reçue par l'électronique de contrôle.
Selon une réalisation particulière, la méthode selon l'invention comprend aussi l'étape consistant à prédire l'usure des roulements. La prédiction de l'usure, en particulier pour les roulements radiaux, peut prévenir un endommagement grave du rotor d' alternateur et du stator d' alternateur.
Selon une réalisation particulière, la méthode selon l'invention comprend aussi l'étape consistant à empêcher le tournoiement du rotor d'alternateur. io
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
De manière à comprendre en détail les caractéristiques et avantages de la présente invention exposés ci-dessus, il est possible d'avoir une description plus spécifique de l'invention, brièvement résumée ci-dessus, par référence à ses modes de réalisation qui sont illustrés sur les dessins joints. Il est toutefois à noter que les dessins joints n'illustrent que les modes de réalisation typiques de cette invention et ne doivent par conséquent pas être considérés comme limitant sa portée, car l'invention peut convenir à d'autres modes de réalisation pareillement effectifs.
La Figure 1 est un schéma en élévation, partiellement en coupe, d'un train de tiges doté d'un système de production d'énergie électrique conforme à la présente invention.
La Figure 2 est une coupe détaillé d'un appareil de production d'énergie électrique en fond de puits conforme à la présente invention.
La Figure 3 est une représentation semi-schématique d'une cavité centrifuge et d'un canal d'échappement de particules conforme à une réalisation différente de l'appareil selon l'invention de la Figure 2.
La Figure 4 est une vue en perspective d'un manchon racleur conforme à l'appareil de la Figure 2.
La Figure 5 est une représentation semi-schématique d'un espace annulaire formé entre un rotor d'alternateur et un stator d'alternateur conformément à une réalisation différente de l'appareil de la Figure 2, l'espace annulaire permettant l'accélération de l'écoulement du fluide de forage entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur afin de produire une force de levage sur le rotor d'alternateur.
lo La Figure 6 est une vue en perspective d'une bague statique segmentée d'un roulement axial conforme à l'appareil de la Figure 2.
La Figure 7 est un schéma illustrant l'effet exercé par le déplacement axial d'un rotor d'alternateur sur la tension de sortie, conformément à la présente invention.
La Figure 8A est une vue en coupe selon la ligne en pointillés 8A-8A de la Figure 2, montrant les multiples enroulements d'un stator d'alternateur à l'intérieur d'un rotor d'alternateur rotor doté de quatre aimants permanents.
La Figure 8B est un graphe de la tension de sortie des enroulements du stator d'alternateur conforme à l'appareil de la Figure 8A.
La Figure 9A est une vue en coupe similaire à celle de la Figure 8A, mais montrant un déplacement radial du rotor d'alternateur à l'intérieur du stator d'alternateur.
La Figure 9B est un graphe de la tension de sortie des enroulements de stator d'alternateur conformément au déplacement de la Figure 9A, contrairement au graphe de la Figure 8B.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La FIG. 1 illustre un appareil de forage et train de tiges classiques dans lesquels la présente invention peut être avantageusement utilisée. Un ensemble plate-forme et derrick terrestre 10 est positionné au-dessus d'un sondage I l pénétrant une formation souterraine F. Dans la réalisation illustrée, le sondage 11 est formé par forage rotatif de manière bien connue. L'homme du métier ayant le privilège de cette divulgation appréciera toutefois que la présente invention trouve également une application dans des opérations de forage autres que le forage rotatif classique (p. ex., le forage directionnel à moteur à boue), et n'est pas limité aux appareils io terrestres.
Un train de tiges 12 est suspendu dans le sondage 11 et comprend un outil de forage 15 à son extrémité inférieure. Le train de tiges 12 est entraîné en rotation par une table de rotation 16, actionnée par des moyens non représentés, qui engage une tige d'entraînement 17 à l'extrémité supérieure du train de tiges. Le train de tiges 12 est suspendu à un crochet 18, attaché à un is moufle mobile (également non représenté), par le biais de la tige d'entraînement 17 et d'une tête d'injection rotary 19 qui permet la rotation du train de tiges par rapport au crochet.
Le fluide de forage ou la boue 26 est stockée dans une fosse 27 aménagée sur le site du puits. Une pompe 29 fournit le fluide de forage 26 à l'intérieur du train de tiges 12 via un orifice dans la tête d'injection 19, causant l'écoulement vers le bas du fluide de forage à travers le train de tiges 12 comme indiqué par la flèche 9. Le fluide de forage sort du train de tiges 12 via les orifices de l'outil de forage 15, puis circule vers le haut à travers la région comprise entre l'extérieur du train de tiges et la paroi du sondage, appelée espace annulaire, comme indiqué par les flèches 32. De cette manière, le fluide de forage lubrifie l'outil de forage 15 et entraîne les déblais de formation à la surface quand il est renvoyé à la fosse 27 pour recirculation.
Le train de tiges 12 comprend aussi un assemblage de fond (BHA), généralement désigné par 100, près de l'outil de forage 15 (en d'autres termes, à plusieurs longueurs de masse-tige de l'outil de forage). L'assemblage de fond comprend des moyens de mesure, de traitement et de stockage des données, ainsi que de communication avec la surface. Le BHA 100 comprend donc, entre autres choses, un appareil 200 permettant de déterminer et de communiquer une ou plusieurs propriétés de la formation F entourant le sondage 1l, telles que la résistivité de la formation (ou conductivité), le rayonnement naturel, la densité (rayons gamma ou neutrons) et la io pression de couche.
Le BHA 100 comprend aussi des masses-tiges 130, 150 pour l'exécution de diverses autres fonctions de mesure. La masse-tige 150, en particulier, renferme un outil de mesure en cours de forage (MWD). L'outil MWD 150 comprend un sous-ensemble de communication 152 qui communique avec un système similaire (non représenté) à la surface de la terre, et un ensemble de capteurs 156 doté des capteurs appropriés pour déterminer les paramètres de forage en temps réel, tels que direction, inclinaison et face de coupe, entre autres choses.
Le sous-ensemble de communication 152 comprend un transmetteur qui émet un signal, tel qu'un signal acoustique ou électromagnétique, qui est représentatif des paramètres de forage mesurés. Le signal émis est reçu en surface par des transducteurs, représentés par le numéro de référence 31, qui convertissent les signaux acoustiques reçus en signaux électroniques S pour complément de traitement, stockage et utilisation conformément à des méthodes et systèmes classiques.
L'outil MWD comprend aussi un appareil 160 pour la production d'énergie électrique en fond de trou, en particulier l'électricité nécessaire au sous-ensemble de communication 152 et à l'ensemble de capteurs 156. En conséquence, l'appareil 160 est couplé entre le sous-ensemble de communication 152 et l'ensemble de capteurs 156, et est disposé directement dans le fluide de 5 forage 26 qui s'écoule à travers le train de tiges 12 et la masse-tige MWD 150.
En ce qui concerne la Figure 2, l'appareil 160 comprend un stator d'alternateur interne 162 adapté pour pouvoir être immobilisé en rotation à l'intérieur de la masse-tige 150, un rotor d'alternateur tubulaire 164 monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur 162, et une roue 166 fixée à la périphérie du rotor d'alternateur 164. Un ensemble d'aimants io permanents 190 est monté à l'intérieur (ou fixé à un rebord interne) du rotor d'alternateur 164 pour produire un flux magnétique. Un ensemble d'enroulements conducteurs multiphasés 192 est monté à l'intérieur du stator d'alternateur 162. En conséquence, le fluide de forage 26 s'écoulant dans la direction des flèches 9 à travers la masse-tige 150 engage la roue 166 et cause la rotation du rotor d'alternateur 164 autour du stator d'alternateur 162 pour produire de l'énergie électrique à l'intérieur du stator d'alternateur.
L'homme du métier appréciera que l'agencement de l'appareil 160 est le contraire de celui d'un alternateur typique dans lequel le rotor est le composant interne. Un avantage de cette construction non classique est un lien simplifié entre le rotor d'alternateur 164 et la partie tournante (c. -à-d., la roue 166). Un autre avantage est que les connexions électriques se font plus facilement puisque les enroulements producteurs d'énergie sont fixes au centre. Les enroulements électriques étant dans le stator d'alternateur central, il est toutefois important d'évacuer la chaleur produite à l'intérieur de la structure de l'enroulement par les effets magnétiques dans les aimants 190, les courants de Foucault dans le manchon racleur 196 s'il est composé d'un matériau conducteur (manchon racleur décrit ci-dessous), et par la perte ohmique dans les enroulements 192. Cette chaleur est évacuée par l'écoulement de la boue dans l'espace annulaire de l'alternateur 172 (aussi décrit ci-dessous) et par conduction à travers le rotor d'alternateur externe 164.
Les enroulements 192 du stator d'alternateur 162 sont isolés du fluide de forage pressurisé 26 dans l'espace au moyen d'une paroi relativement mince, typiquement composée d'une mince plaque d'acier déformable. Cette paroi assure l'isolation du fluide, mais la pression du fluide de forage est supportée par le feuilletage et l'enrobage des enroulements (p. ex., époxy) à l'intérieur de la paroi du stator d'alternateur.
io Le stator d'alternateur 162 est fixé coaxialement au niveau d'une extrémité amont 162u d'un stator de turbine tubulaire 168 qui, à son tour, est inséré dans un manchon (non représenté) fixé de manière classique à la masse-tige 150. Le stator de turbine est de plus couplé à un châssisélectronique (non représenté) de manière classique. Le stator d'alternateur 162 est fixé au niveau d'une extrémité aval 162d de celuici à un cône déflecteur 170 qui est épaulé et claveté à la is masse-tige 150 de manière classique afin de prévenir tout mouvement axial et de rotation vers le bas du stator d'alternateur 162.
Selon un autre avantage de la présente invention, il n'y a pas de joint rotatif entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur, si bien que du fluide de forage est toujours présent entre les composants. Plus particulièrement, le rotor d'alternateur 164 et le stator d'alternateur 162 sont de taille et de forme permettant de définir au moins une entrée 174 et au moins une sortie 176, ainsi que l'espace annulaire conducteur de fluide 172, pour l'acheminement du fluide de forage entre le rotor d'alternateur 164 et le stator d'alternateur 162.
Des mesures spéciales doivent être prises pour accommoder la présence de particules particulièrement de particules lourdes à l'intérieur du fluide de forage (boue). Ces particules peuvent être présentes en grande quantité, selon les besoins, pour ajuster la densité de la boue de manière à mieux contrôler l'hydrostatique du puits. Autrement, des particules sont ajoutées au fluide de forage à titre de colmatant. Ces particules de colmatant englobent une gamme étendue de tailles, et leur principale caractéristique est de boucher les petits trous. Pendant l'écoulement de la boue à l'intérieur des zones des roulements de l'alternateur (décrites ci-dessous) et de l'espace annulaire 172, il est souhaitable d'assurer que les particules qui entrent dans l'espace annulaire en ressortent. À cet effet, il est préféré que toutes les dimensions de l'espace annulaire io n'aient pas d'étranglement plus petit que la taille de l'entrée du fluide 174.
Le fluide dans l'espace annulaire 172 est mis en rotation par la rotation du rotor d'alternateur 164. En raison de cette rotation, une accélération centrifuge est appliquée au fluide et aux particules en suspension dans le fluide. Comme les particules du fluide de forage sont plus lourdes que la phase liquide, elles seront entraînées vers les portions radiales extérieures de l'espace annulaire, c.-à-d. que les particules s'accumuleront contre le rotor d'alternateur 164. Puisqu'un petit élément du flux axial existe dans le fluide de forage à l'intérieur de l'espace annulaire 172, le nouveau fluide est continuellement acheminé dans l'espace annulaire au niveau de l'entrée 174. Les particules de ce nouveau fluide peuvent également être compactées contre le rotor d'alternateur. À mesure que le processus de renouvellement est maintenu, le processus de compaction peut faire que l'espace annulaire est complètement rempli de particules (ou de boue épaissie). L'appareil 166 incorpore plusieurs particularités techniques pour pallier à ce risque de compaction, comme décrit ci-dessous.
L'homme du métier appréciera le fait que la roue 166 définit aussi un rotor de turbine qui est le complément du stator de turbine 168, et plus particulièrement, une pluralité d'aubes 169 fixées à la périphérie du corps tubulaire du stator de turbine. L'effet combiné du stator de turbine et du rotor de turbine est une agitation du fluide de forage 26 s'écoulant à travers la masse-tige 150. En d'autres termes, le stator de turbine 168 détourne l'écoulement de la boue de son circuit d'écoulement axial et produit un mouvement de tournoiement dans le fluide de forage avant que le fluide n'entre en contact avec le rotor de turbine 166 pour convertir l'énergie cinétique du fluide en rotation. Ce mouvement de tournoiement a tendance à détourner les particules du fluide de forage, les empêchant de pénétrer dans l'espace annulaire 172 par l'entrée du fluide 174.
Io Il est toutefois reconnu que certaines particules du fluide de forage particulièrement les particules les plus petites se fraieront un chemin dans l'espace annulaire 172 par l'entrée 174. En conséquence, l'espace annulaire 172 est conçu pour utiliser une succession de diamètres croissants en direction aval (voir les flèches 9) sur la majorité de sa longueur axiale, soit en échelonnant les augmentations de diamètre, soit au moyen de profils graduels. De cette façon, le fluide de forage et les particules en suspension sont soumis à une accélération centrifuge accrue à l'intérieur de l'espace 172 en direction aval. Ceci empêche la compaction des particules à l'intérieur de l'espace et assure que les matières les plus lourdes dans le fluide de forage auront tendance à se déplacer en aval jusqu'à ce qu'elles puissent sortir de l'espace de l'alternateur et retourner dans le circuit principal de boue à l'intérieur de la masse-tige 150 (et du train de tiges 12).
Comme mentionné ci-dessus, une pluralité de roulements, y compris les roulements radiaux amont et aval 178u, 178d et les roulements axiaux amont et aval 180u, 180d, sont prévus pour soutenir le mouvement du rotor d'alternateur 164 par rapport au stator d'alternateur 162.
Les roulements sont lubrifiés par le fluide de forage 26. Il est à noter que les roulements axiaux sont disposés près d'une extrémité aval 164d du rotor d'alternateur 164. Les roulements axiaux sont plus efficaces dans une région de diamètre réduit. Toutefois, une telle réduction est préjudiciable à l'effet souhaité du déplacement axial aval des particules de fluide de forage. Pour contrer le risque d'accumulation de particules et le blocage au niveau des roulements axiaux, le rotor d'alternateur 164 est doté d'une pluralité de passages de fluide 182 juste en amont du roulement radial aval. À cet endroit, le diamètre de l'espace annulaire 172 est le plus grand, produisant un effet de pompage pour chasser le fluide de forage 26 à travers l'espace annulaire 172.
io Selon une réalisation différente de l'appareil selon l'invention, désignée 160' à la Figure 3, une cavité centrifuge 173 et un canal d'évacuation des particules 175 sont formés dans une partie du rotor d'alternateur 164' définissant l'espace annulaire 172'. La cavité 173 a pour fonction d'assurer que les particules en suspension dans le fluide de forage 26 seront recueillies (voir l'accumulation de particules 177), sous une action de pompage centrifuge résultante, et chassées de l'espace par le canal d'évacuation 175.
La Figure 4 est une vue en perspective d'un manchon racleur 196 qui remplit une fonction similaire d'extraction des particules. Le manchon racleur est muni d'une ou plusieurs nervures hélicoïdales sur sa surface extérieure, et est lui-même fixé à la surface extérieure du stator d'alternateur 162, comme représenté à la Figure 2. Ainsi, la ou les nervures hélicoïdales du manchon racleur 196 favorisent l'action de pompage produite par la rotation du rotor d'alternateur 164 autour du stator d'alternateur 162 dans le but de déplacer les particules du fluide de forage axialement en aval et vers les orifices de fluide 182 et la sortie 176. Ceci élimine la probabilité d'accumulation et de compaction de particules à l'intérieur de l'espace annulaire 172.
Du fait que le fluide de forage est abrasif, les manchons des roulements sont fabriqués en matériaux résistant à l'abrasion. Le jeu du manchon de roulement radial est défini comme un compromis entre le besoin d'assurer le bon guidage des pièces tournantes, d'assurer une bonne lubrification et de limiter les effets de tournoiement pendant la rotation, tout en permettant aux grosses particules de franchir le jeu.
Les roulements axiaux supportent le poids du rotor d'alternateur 164 (spécialement pendant les chocs) et la force de réaction axiale de la roue 166. Les roulements axiaux (ou de io butée) utilisent des jeux de segments relativement importants de manière à promouvoir la continuité et l'intégrité structurale de l'outil MWD 150. En conséquence, le rayon correspondant à la zone de contact du roulement est relativement grand. Ce grand rayon génère une force de frottement appréciable pour une force de contact et un coefficient de frottement donnés. Il est par conséquent souvent utile de minimiser le frottement au niveau des roulements.
Le rotor d'alternateur 164 et le stator d'alternateur 162 sont munis d'extrémités aval respectives 164d et 162d, l'extrémité aval 162d du stator d'alternateur dépassant en aval de l'extrémité aval du rotor d'alternateur. En ce qui concerne maintenant la Figure 5, les extrémités 164d", 162d" sont, selon une réalisation différente de l'appareil 160", de taille et de forme permettant de définir un espace annulaire 184 entre elles, adjacent à la sortie du fluide 176".
Avec une différence préférentielle de diamètres entre les extrémités aval, il est possible de générer une force hydraulique axiale qui a tendance à soulever le rotor d'alternateur 164" pour réduire la poussée vers le bas totale due au poids du rotor d'alternateur et la force axiale de la roue 166. Le fluide de forage 26 s'écoulant vers la sortie 176" sera accéléré par l'augmentation de diamètre au niveau de l'espace annulaire 184 pour exercer une force de levage FL sur le rotor d'alternateur 164" par rapport au stator d'alternateur 162". La force de levage a pour effet de réduire les forces de frottement appliquées au(x) roulement(s) axial(aux) 180u, 180r (voir la Figure 2). Avec des vitesses de rotation élevées, la pression dynamique produite dans l'espace annulaire 184 peut devenir considérable. Grâce au bon contrôle des fuites dues à la variation du jeu entre les positions axiales neutres du rotor d'alternateur et du stator d'alternateur, le rotor d'alternateur trouvera la position optimale (légèrement déplacée en aval) pendant l'écoulement de la boue et maintiendra la lubrification des deux roulements axiaux.
Les forces de frottement au niveau des roulements axiaux sont davantage réduites en io équipant les roulements axiaux d'une bague statique segmentée 181, comme représenté aux Figures 2 et 6. La bague statique segmentée coopère avec une bague rotative 179 utilisée par chacun des roulements axiaux de manière à former un angle faible entre la bague statique et la bague rotative, disposition selon laquelle un effet de coincement hydrodynamique du fluide se produit quand l'écoulement de boue cause la rotation du rotor d'alternateur. Cet effet is hydrodynamique produit un film lubrifiant 186 qui réduit, et éventuellement supprime, tout contact solide direct entre le rotor d'alternateur 164 et le stator d'alternateur 162. Grâce à ce film 186, le frottement à sec est relativement réduit (voire supprimé) et l'usure des roulements de butée axiaux est considérablement réduite. Cela a l'avantage de réduire le couple exigé de la roue 166 pour la rotation du rotor d'alternateur 164.
En ce qui concerne encore la Figure 2, un élément déformable de manière élastique 188, tel qu'un segment de ressort hélicoïdal ou un disque en élastomère, est disposé entre l'extrémité aval 162d du stator d'alternateur (adjacent au cône divergent 170) et le roulement axial aval 180r. Ainsi, l'écoulement du fluide de forage 26 à travers la masse-tige 150 imposera une force vers le bas sur la roue 166 qui déplace axialement le rotor d'alternateur 164 d'une certaine distance en aval afin de comprimer l'élément déformable de manière élastique 188. Puis, quand l'écoulement de fluide de forage est arrêté, l'élément 188 se dilatera pour soulever le rotor d'alternateur 164 de la même distance afin de prendre une position neutre. L'utilisation de cet élément 188 a un certain nombre d'objectifs.
Par exemple, pendant les périodes durant lesquelles le fluide de forage ne s'écoule pas à travers le train de tiges, il sera statique et pourra former un gel thixotrope. Il est possible qu'au début de l'écoulement du fluide de forage, la roue 166 soit incapable de produire un couple suffisant pour briser ce gel. En conséquence, l'élément déformable de manière élastique 188 peut io être doté d'une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur 164 de se déplacer axialement en aval d'une distance relativement faible au début de l'écoulement du fluide de forage. Cette distance est suffisante pour briser le gel thixotrope qui est susceptible de s'être formé pendant que le fluide de forage était statique. La combinaison de la force de cisaillement due au couple appliqué par la roue et au déplacement axial brisera le gel de boue et facilitera la rotation au démarrage.
L'homme du métier appréciera que la vitesse de rotation du rotor d'alternateur 164 dépend du débit du fluide de forage (boue), de la densité de la boue (du fait que l'énergie cinétique dépend de ces 2 éléments), ainsi que du courant électrique dans l'enroulement qui génère un couple de réaction, et de la viscosité de la boue. Du fait de la nature de ces variables déterminantes, il est prédit que l'alternateur fonctionnera sur une gamme étendue de vitesses de rotation, ce qui crée des difficultés. Par exemple, la tension de sortie du stator d'alternateur 162 variera considérablement sur la gamme de vitesses, rendant difficile la conception de l'électronique de contrôle MWD. Deuxièmement, divers modes de résonance peuvent être présents sur une gamme étendue de vitesses qui soumettent l'appareil 160 à des chocs et/ou endommagements.
Il est par conséquent souvent utile de contrôler la gamme des vitesses de rotation du rotor d'alternateur 164. Une solution est d'utiliser divers mécanismes de freinage pouvant être activés à des vitesses supérieures. Alors que cette technique est très efficace pour limiter la gamme de vitesses, la roue 166 doit produire simultanément la puissance requise pour l'alternateur et le freinage. Aux vitesses élevées, la puissance totale nécessaire peut entraîner une érosion importante des aubes de la roue.
Un autre avantage de la présente invention concerne la limitation de la gamme de vitesses io sans imposer d'efforts indus sur la roue 166. En conséquence, l'élément déformable de manière élastique 188 peut être conçu avec une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur 164 d'être déplacé axialement sur une distance supérieure au déplacement nécessaire pour briser le gel (décrite antérieurement). Puis, aux débits plus élevés du fluide de forage, la force axiale de la roue 166 augmente jusqu'à ce que la turbine se déplace axialement en aval sous la is compression de l'élément 188. Ceci résulte en une distance de séparation d entre les aubes du stator de turbine 169 et le rotor de turbine (roue) 166 qui dépasse la distance optimale, disposition selon laquelle le fluide de forage sortant du stator de turbine perd l'angle optimum pour attaquer le rotor de turbine 166. Ceci réduit le moment que le rotor de turbine peut convertir en couple du rotor d'alternateur 164, disposition selon laquelle la vitesse du rotor d'alternateur est limitée même lorsqu'il fonctionne à des conditions de débit élevé du fluide de forage.
L'appareil selon l'invention 160 comprend aussi dans une réalisation particulière, un élément conique divergent 194 qui est adapté de manière à pouvoir être fixé à l'intérieur de la masse-tige 150, comme représenté à la Figure 2. L'élément conique divergent 194 est de taille et de forme permettant le déplacement axial du rotor d'alternateur 164 et du rotor de turbine (roue) 166 à l'intérieur de ce dernier, disposition selon laquelle le déplacement axial en aval du rotor d'alternateur et du rotor de turbine sous l'effet de l'écoulement du fluide de forage dans la direction 9 positionne le rotor de turbine 166 dans une région d'écoulement à vitesse réduite du fluide de forage à l'intérieur de l'élément conique divergent 194. Ceci a pour effet de contrôler davantage la vitesse de rotation du rotor d'alternateur 164.
Ce déplacement axial en aval du rotor d'alternateur 164 pendant l'écoulement du fluide de forage réduit aussi la couverture de l'ensemble d'aimants 190 à l'intérieur du rotor d'alternateur 164 autour de l'ensemble d'enroulements conducteurs 192 à l'intérieur du stator io d'alternateur 192, permettant ainsi de contrôler la production d'énergie électrique. Ceci a pour effet de réduire la tension de sortie (voir V 1 à la Figure 7) qui serait autrement obtenue (voir V2) pour une vitesse de rotation donnée. Ce contrôle est souhaitable car cela réduit la gamme de puissance fournie qui doit être adaptée à certains composants, comme l'électronique dans l'outil MWD.
is Avec des roulements lubrifiés par la boue, une usure est prévue dans la plupart des conditions d'exploitation. Il est par conséquent souhaitable de surveiller l'usure des roulements pour éviter d'atteindre un niveau d'usure où l'alternateur fera l'objet d'endommagements ou de défaillances importants. Un tel endommagement pourrait, par exemple, être causé soit par de grands chocs (spécialement des chocs radiaux) dus à l'augmentation du jeu, soit par l'abrasion du stator d'alternateur par le rotor d'alternateur (ou vice-versa). En conséquence, selon la réalisation particulière de l'appareil selon l'invention 166 représenté à la Figure 2, l'ensemble d'enroulements conducteurs 192 à l'intérieur du stator d'alternateur 162 est disposé de manière à faciliter le contrôle de la tension de sortie de chaque enroulement séparément. De cette façon, l'excentricité du rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur ou plus particulièrement, la variation de la position radiale de chaque enroulement peut être déterminée. Quand les enroulements individuels 192 sont séparés des aimants permanents 190 d'une distance commune, comme représenté à la Figure 8A, ils généreront des tensions de sortie communes, comme représenté à la Figure 8B. Toutefois, quand les enroulements individuels 192 sont séparés des aimants 190 de distances différentes, comme représenté à la Figure 9A, ils généreront des tensions de sortie inversement différentes, comme représenté à la Figure 9B. Ainsi, par exemple, l'enroulement 1 s'avère avoir une séparation minime ou nulle de l'aimant 190a (Figure 9A), mais l'enroulement 1 produit la plus grande amplitude de tension de sortie (Figure 9B).
io En surveillant l'amplitude de la tension de sortie de chaque enroulement 192 du stator d'alternateur, il est possible d'analyser la fréquence de la tension de chaque enroulement. La fluctuation primaire correspondra à la fréquence CA du stator d'alternateur pour la vitesse de rotation donnée du rotor d'alternateur (selon la configuration polaire). L'autre fluctuation concernera la variation de l'excentricité du rotor d'alternateur. Cette analyse permet de déterminer l'excentricité du rotor d'alternateur et la dépendance de cette excentricité en fonction du temps. Il est par conséquent possible de prédire quand l'usure du rotor atteindra une limite d'excentricité (usure) prédéfinie, et de prévoir la maintenance des roulements radiaux en conséquence.
Parce que l'appareil 160 est lubrifié par la boue, il fonctionne avec des jeux relativement importants dans les roulements radiaux. Ces jeux importants ont tendance à faciliter le tournoiement du rotor d'alternateur 164 à l'intérieur du stator d'alternateur 162. Une solution pour retarder ce tournoiement est de générer une force perpendiculaire sur le rotor d'alternateur, appliquée selon une direction fixe par rapport au stator d'alternateur. Ceci peut être réalisé en rendant le stator d'alternateur axialement asymétrique de sorte que la force résultante de l'attraction magnétique radiale du rotor soit toujours dirigée dans une direction fixe. Cette asymétrie pourrait être réalisée en laissant un dégagement entre deux enroulements consécutifs, comme entre les enroulements 1 et 2 illustrés à la Figure 8A.
Une réalisation différente de la présente invention (non représentée) retarde activement le tournoiement du rotor d'alternateur. En utilisant à nouveau le concept de contrôle de la tension de sortie de chaque enroulement 192 (décrit ci-dessus), il est possible de déterminer la position instantanée du centre du rotor d'alternateur (voir par exemple les Figures 9A-9B). Comme expliqué ci-dessus, l'enroulement correspondant au plus petit espace aura la plus grande tension de sortie. En forçant cet enroulement à avoir un courant plus élevé que les autres, le courant de cet enroulement produira un contre-flux magnétique qui s'oppose au flux magnétique généré dans le rotor d'alternateur. Ceci réduit l'attraction locale du rotor d'alternateur (voir par exemple l'enroulement 1 à la Figure 9A), ce qui a tendance à déplacer l'alternateur en sens opposé (p.ex., vers l'enroulement 4). L'effet de courant forcé est produit avec l'électronique de contrôle MWD appropriée.
Il sera entendu d'après la description précédente que diverses modifications et changements peuvent être apportés aux réalisations préférées et différentes de la présente invention sans dévier de son vrai caractère.
Cette description n'est donnée qu'à des fins d'illustration et ne doit pas être interprétée dans un sens limitatif La portée de la présente invention ne doit être déterminée que par le texte des revendications qui suivent. Le terme comportant dans les revendications est entendu signifier comprenant au moins de telle sorte que la liste d'éléments indiquée dans une revendication constitue un groupe ouvert.
Un , une et les autres termes au singulier sont entendus inclure leurs formes au pluriel, sauf exclusion expresse.

Claims (31)

REVENDICATIONS Les objets des revendications sont:
1. Un appareil (160) de production d'énergie électrique dans un logement tubulaire (150) disposé dans un sondage (11) dans lequel le fluide de forage (26) s'écoule à travers le logement tubulaire, l'appareil comportant: un stator d'alternateur (162) adapté de manière à pouvoir être immobilisé en rotation à l'intérieur du logement tubulaire (150); un rotor d'alternateur tubulaire (166) monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur; et une roue fixée (166) à la périphérie du rotor d'alternateur; disposition selon laquelle le fluide de forage (26) traversant le logement tubulaire quand l'appareil y est disposé, engage la roue et provoque la rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.
2. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel le rotor d'alternateur (160 et le stator d'alternateur (162) sont de taille et de forme permettant de définir au moins une entrée et au moins une sortie pour l'écoulement du fluide de forage entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur, et comportant aussi une pluralité de roulements pour assurer le mouvement du rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur, les roulements étant lubrifiés par le fluide de forage.
3. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel le rotor d'alternateur (160) et le stator d'alternateur (162) sont de taille et de forme permettant de définir un espace annulaire conducteur de fluide (172) entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur, disposition selon laquelle l'écoulement du fluide de forage à travers le logement tubulaire quand l'appareil y est disposé, provoque également l'acheminement du fluide de forage à travers l'espace pour extraire la chaleur du stator d' alternateur.
4. L'appareil selon la revendication 3, dans lequel l'espace a un diamètre qui augmente en général dans le sens aval de manière à favoriser le mouvement des particules du fluide de forage à travers l'espace.
5. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel le rotor d'alternateur est doté d'un canal généralement radial, en position intermédiaire entre l'entrée et la sortie de manière à faciliter l'extraction de particules du fluide de forage disposé entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur.
6. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel la roue définit un rotor de turbine, et comportant de plus un stator de turbine ayant un corps tubulaire fixé coaxiale ment à une extrémité amont du stator d'alternateur, et une pluralité d'aubes (169) fixées à la périphérie du corps tubulaire pour agiter le fluide de forage s'écoulant à travers le logement tubulaire, disposition selon laquelle les particules du fluide de forage sont détournées de l'entrée.
7. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel les roulements comprennent des roulements radiaux (178u,d) et des roulements axiaux (180u,d).
8. L'appareil selon la revendication 2, dans lequel le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur ont tous deux des extrémités aval, l'extrémité aval du stator d'alternateur dépassant en aval de l'extrémité aval du rotor d'alternateur, les extrémités aval étant de taille et de forme telles qu'elles définissent un espace annulaire adjacent à la sortie dans lequel le fluide de forage s'écoulant à travers la sortie sera accéléré pour exercer une force de levage sur le rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur.
9. L'appareil selon la revendication 7, dans lequel les roulements comprennent au moins un roulement axial qui utilise une bague segmentée pour produire un film hydrodynamique de fluide de forage qui réduit le contact par frottement au niveau du roulement axial.
10. L'appareil selon la revendication 8, dans lequel les roulements comprennent au moins un roulement axial aval disposé entre les extrémités aval, et comportant de plus un élément déformable de manière élastique (188) entre l'extrémité aval du stator d'alternateur et le roulement axial aval, disposition selon laquelle l'écoulement du fluide de forage à travers le logement tubulaire impose une force vers le bas sur la roue qui déplace axiale ment le rotor d'alternateur d'une certaine distance en aval afin de comprimer l'élément qui se dilatera pour soulever le rotor d'alternateur de la même distance quand l'écoulement de fluide de forage est arrêté.
11. L'appareil selon la revendication 10, dans lequel l'élément déformable de manière élastique a une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur de se déplacer axiale ment en aval dès le début de l'écoulement du fluide de forage sur une distance suffisante pour briser un gel thixotrope susceptible de s'être formé pendant que le fluide de forage était statique.
12. L'appareil selon la revendication 10, dans lequel la roue (166) définit un rotor de turbine, et comportant de plus un stator de turbine ayant un corps tubulaire fixé coaxialement à une extrémité amont du stator d'alternateur, et une pluralité d'aubes (169) fixées à la périphérie du corps tubulaire à une distance de séparation du rotor de turbine pour agiter le fluide de forage s'écoulant à travers le logement tubulaire, de manière à favoriser l'effet du fluide de forage en écoulement sur le rotor de turbine, et en outre dans lequel l'élément déformable de manière élastique (188) a une constante d'élasticité qui permet au rotor d'alternateur et au rotor de turbine de se déplacer axialement en aval pendant l'écoulement du fluide de forage et d'augmenter la distance de séparation entre le rotor de turbine et le stator de turbine jusqu'au point où l'effet du fluide de forage en écoulement sur le rotor de turbine est réduit, disposition selon laquelle la vitesse de rotation du rotor d' alternateur est restreinte.
13. L'appareil selon la revendication 12, comportant de plus un élément conique divergent (194) adapté de manière à pouvoir être fixé à l'intérieur du logement tubulaire, et de taille et de forme permettant le déplacement axial du rotor d'alternateur et du rotor de turbine à l'intérieur de ce dernier, disposition selon laquelle le déplacement axial en aval du rotor d'alternateur et du rotor de turbine à l'intérieur de l'élément conique divergent positionne le rotor de turbine dans une région d'écoulement à vitesse réduite du fluide de forage qui réduit la vitesse de rotation du rotor d'alternateur.
14. L'appareil selon la revendication 10, dans lequel le déplacement axial en aval du rotor d'alternateur pendant l'écoulement du fluide de forage réduit la couverture d'un ensemble d'aimants à l'intérieur du rotor d'alternateur par rapport à un ensemble d'enroulements conducteurs (192) à l'intérieur du rotor d'alternateur, permettant ainsi de réduire la production d'énergie électrique.
15. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel le stator d'alternateur comporte un ensemble d'enroulements conducteurs (192) disposés à l'intérieur de manière à faciliter le contrôle de la tension de sortie de chaque enroulement, disposition selon laquelle l'excentricité du rotor d'alternateur par rapport au stator d'alternateur peut être déterminée.
16. L'appareil selon la revendication 1, dans lequel le stator d'alternateur a un ensemble d'enroulements conducteurs (192) disposés à l'intérieur de telle manière que les enroulements sont répartis asymétriquement autour du stator d'alternateur, et le rotor d'alternateur a un ensemble d'aimants disposés à l'intérieur autour d'un rebord intérieur du rotor d'alternateur, disposition selon laquelle le rotor d'alternateur applique une force d'attraction magnétique résultante sur le stator d'alternateur dans une direction radiale fixe qui empêche le tournoiement du rotor d' alternateur.
17. L'appareil selon la revendication 15, comportant de plus un régulateur électronique permettant d'ajuster séparément le courant traversant chaque enroulement de manière à contrer l'excentricité, empêchant ainsi le tournoiement du rotor d'alternateur.
18. Un système de production d'énergie électrique dans un train de tiges disposé dans un sondage, comportant: un logement tubulaire (150) raccordé à l'intérieur du train de tiges; un stator d'alternateur (162) immobilisé en rotation à l'intérieur du logement tubulaire; un rotor d'alternateur tubulaire (150) monté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur; et une roue (166) fixée à la périphérie du rotor d'alternateur; disposition selon laquelle le fluide de forage (26) traversant le train de tiges engage la roue et provoque la rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur pour produire de l'énergie électrique.
19. Le système selon la revendication 18, dans lequel le logement tubulaire est une masse-tige.
20. Le système selon la revendication 19, comportant aussi un ensemble de capteurs MWD (156) et un dispositif de télémétrie, tous deux disposés dans la masse-tige et alimentés par l'énergie électrique produite.
21. Une méthode de production d'énergie électrique dans un sondage, la méthode comportant les étapes suivantes: l'étape consistant à supporter un rotor d' alternateur (150) de manière à pouvoir tourner autour d'un stator d'alternateur (162), le rotor d'alternateur étant doté d'une roue périphérique (166) ; l'étape consistant à immobiliser le stator d'alternateur en rotation à l'intérieur d'un train de tiges (12) disposé dans le sondage; et l'étape consistant à faire couler du fluide de forage (26) à travers le train de tiges, disposition selon laquelle la roue convertit l'énergie hydraulique du fluide de forage en rotation du rotor d'alternateur autour du stator d'alternateur afin de produire de l'énergie électrique.
22. La méthode selon la revendication 21, selon laquelle le rotor d'alternateur est supporté de manière à pouvoir tourner autour du stator d'alternateur par des roulements qui sont lubrifiés par le fluide de forage traversant le train de tiges.
23. La méthode selon la revendication 21, comportant aussi l'étape consistant à acheminer du fluide de forage à travers un espace (172) entre le stator d'alternateur et le rotor d'alternateur pour extraire la chaleur du stator d'alternateur.
24. La méthode selon la revendication 23, comportant aussi l'étape consistant à prévenir l'accumulation de particules de fluide de forage à l'intérieur de l'espace.
25. La méthode selon la revendication 21, comportant de plus l'étape consistant à détourner les particules du fluide de forage pour qu'elles ne passent pas entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur.
26. La méthode selon la revendication 22, selon laquelle les roulements comprennent au moins un roulement axial (180u,d), et comportant de plus l'étape consistant à réduire le contact par frottement au niveau du roulement axial.
27. La méthode selon la revendication 21, comportant de plus l'étape consistant à briser un gel thixotrope qui s'est formé entre le rotor d'alternateur et le stator d'alternateur pendant que le fluide de forage était statique.
28. La méthode selon la revendication 21, comportant de plus l'étape consistant à contrôler la vitesse de rotation du rotor d'alternateur.
29. La méthode selon la revendication 21, comportant de plus l'étape consistant à contrôler la production d'énergie électrique.
30. La méthode selon la revendication 22, comportant de plus l'étape consistant à prédire l'usure des roulements.
31. La méthode selon la revendication 21, comportant de plus l'étape consistant à empêcher le tournoiement du rotor d'alternateur.
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