Brevet FR2009330A1 — publié le 19700130

La présente invention se rapporte aux appareillages de forage des trous de sonde et, plus particulièrement, à un raccord déviateur utilisable pour le forage des trous de sonde effectué à l'aide d'un trépan actionné par un moteur monté à l'extrémité inférieure du train de tubes de forage. En général, les raccords utilisés pour obtenir en cours de forage la déviation d'un trou de sonde, et qui sont courazeent appelés "déviateurs", comportent un elément cylindrique dont la face d'extrémité sur laquelle est monté le moteur actionnant le trépan de forage est taillée obliquement. Ce procédé a pour résultat l'application de contraintes de flexion indésirables sur le trépan qui est monté en bout du train de tubes de forage. La présente invention a pour objet un déviateur utilisable dans un appareillage de forage du type décrit, dans lequel le trépan de forage est actionné par un moteur monté à l'extrémité inférieure du train de tubes de forage, ce déviateur comportant un organe mobile monté sur ce train de tubes et pouvant entre déplacé transversalement par rapport au trépan de façon à entrer en contact, en cours de forage, avec une partie de la paroi du trou de sonde située à proximité du trépans et donnant ainsi naissance à une force transversale appliquée à ce trépan, et qui provoque la déviation désirée du trou de sonde. Selon un mode de réalisation de l'invention applicable dans le cas où le forage est effectué à l'aide d'un trépan tu par une turbine hydraulique dont le corps est rotatif, un organe d'appui est monté sur le corps rotatif de cette turbine, et est rattaché au train de tubes de forage de façon à demeurer immobile par rapport à celui-ci, l'organe du déviateur qui peut se déplacer transversalement par rapport-à ce train de tubes étant actionné par des dispositifs logés dans ledit organe d'ap- pui. Cette disposition permet d'obtenir, en cours de fora- ge, la déviation désirée du trépan, et les contraintes de vle- xion qui q'exercent sur le train de tubes de forage peuvent être réduites à un minimum en plaçant le déviateur, sur ce train de tubes, en un point tel que les forces de déviation transversa- les auxquelles il donne naissance s'exercent aussi près que pos- sible du trépan. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'organe mobile du déviateur est constitué par un patin oblong, monté à l'extérieur d'un moteur de forage à corps- fixe1 pouvant pivoter sur ce corps et se déplacant transversalement sous l'action de pistons mus par un fluide sous pression. Selon un mode de réalisation- préféré de l'invention, le déviateur qui en fait.l'objet est utilisé sur un--ensemble moteur-trépan dans lequel le moteur mettant le trépan en rotation est constitué par une turbine actionnée par la pression d'un fluide refoulé en surface dans le train de tubes de forage. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser le même fluide sous pression pour la mise en rotation de la turbine de forage et pour actionner les pistons commandant les déplacements du patin du déviateur; mais, en variante, les mouvements de ces pistons peuvent aussi être comaandés séparément, par une transmission hydraulique à huile sous pression. De préférence encore, les pistons moteurs du patin du déviateur sont logés dans des cylindres formés par le patin lui-mme, et ils sont montés de façon à stappuyer, en cours de forage,/L1organe d'appui du déviateur et à repousser le patin de celui-ci radialement et-vers l'extérieur, jusqu'à ce qu'il vienne s'appliquer contre la paroi du trou de sonde. après que le patin du déviateur a été ainsi appliqlié -contre cette paroi, toute pression exercée sur lui donnera naissance dans, l'arbre de forage, et par l'intermédiaire de l'organe d'appui du déviateur, à une réaction latérale qui fait dévier le trépan. De préférence, encore, il est prévu un dispositif li alitant la course transversale du patin du déviateur, ce dispositif étant réglable et permettant ainsi d'effectuer des déviations à rayons de courbure différents. De préférence également, a forme du patin du déviateur est telle qu'en cours de dévia- tion cepatin-est en contact avec la paroi du trou de sonde sur une surface relativement large de de,préférence-enfin, l'extrémité inférieure libre de ce patin est taillée en chanfrein. Le déplacement de ce patin vers l'extérieur peut ainsi titre limité de façon que, lorsqu'il est à sa position d'écartement maximal, son extrémité inférieure chanfreinée demeure constam- ment circonscrite par une circonférence dont le diamètre est inférieur à celui du trépan. Ceci permet de réduire les risques de coincement du patin du déviateur dans une crevasse ou une fissure acmidentelle de la paroi du trou de sonde. La longueur de la partie de la surface latérale du patin du déviateur qui se trouve en contact avec la paroi du trou de sonde doit autre déterminée en fonction de la largeur maximale des fissures ou des crevasses dont la présence est prévisible dans les formations traversées, et que le patin du déviateur aura a franchir par glissement, cette longueur étant d'autre part fonction, dans une certaine mesure, du diamètre du trépan de forage utilisé. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront encore de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif, et avec référence au dessin annexé,'dans lequel La figure i est une vue en perspective d'un turbomoteur de forage équipé d'un déviateur conforme à l'invention ; et La figure 2 est une vue de détail montrant l'assembla- ge de certains élements de ce déviateur. La figure 1 représente un turbomoteur de forage 1 dont la consbruction et le fonctionnement ne-font pas partie de la présente invention et qui, par suite, ne seront pays décrits. Ce turbomoteur 1 comporte un corps 2 qui est fixé à l'extrémité inférieure du train de tubes de forage, et dans lequel est logée la turbine qui met le trépan en rotation. Le couple moteur est transmis à ce trépan (non représenté) par un arbre tournant 3 fixé en bout de l'arbre de la turbine, par un raccord 4. Le trépan de forage peut astre fixé à l'extrémité de l'arbre 3, par vissage dans un filetage intérieur 5 ménagé dans cet arbre. Un manchon d'appui 6 entoure ltarbre 3 à proximité de l'extrémité 7 de cet arbre sur laquelle le trépan peut être fixe. Ce manchon d'appui 6 forme deux nervures longitudinales 8 qui le relient au patin 10 qui fait essentiellement 240objet de la présente invention, et est ainsi maintenu fixe par rapport au train de tubes de forage En cours d'opération, la turbine de forage est mise en rotation, de la manière habituelle, par un courant de boue refoulé en surface dans-le train de tubes de forage. Lorsqu'on désire, en cours de forage, dévier la di rection de pénétration du trépan, il est nécessaire d'exercer sur celui-ci une certaine forte transversale. d cet effet, le patin du déviateur conforme à la présente invention est monté de façon à pouvoir pivoter sur le corps fixe 2 de la turbine qui constitue une partie du train de tubes de forage, ce montage pivotant comportant un collier il et deux tourillons 12. Le patin 10 se prolonge à partir de ce collier, et vient recouvrir par son extrémité inférieure le manchon d'appui 6 dans lequel tourne l'extrémité inférieure de l'arbre 3. Ce manchon 6 constitue un point d'appui eixe par rapport au train de tubes de forage, sur lequel le patin peut appliquer une force transversale faisant dévier le trépan, et qui renferme des portées (non représentées) dans lesquelles tourne l'arbre 3. Cette force transversale de déviation est fournie par trois pistons 15 coulissant dans dés cylindres 16 formés par le patin du déviateur, la face intérieure de chacun de ces pistons s'appuyant sur la surface latérale du manchon 2. La figure 2 montre avec plus de détails l'un de ces pistons en position dans son cylindre. Un conduit 17 prévu dans le patin 10 permet d'appliquer dans les cylindres 16 la pression d'un courant de boue prélevé sur le courant principal actionnant la turbine de forage. Cette prise de boue peut s'effectuer aussi bien, si cette solution est d'une mise en oeuvre plus commode, à l'aval de la turbine de forage. Lorsque la pression de la boue de forage vient s'exercer sur la face extérieure de chacun des pistons 15 dont la face intérieure s'appuie sur le manchon fixe 6, le patin 10 du déviateur est repoussé vers l'extérieur par rapport au train de tubes de forage, et il vient s'appliquer contre la paroi du trou de sonde.Si cette pression est maintenue dans les cylindres 16 le patin, ainsi maintenu constamment appliqué contre la paroi du trou de sonde, tend à écarter le trépan de forage du point de contact entre le patin et la paroi du trou de sonde, ce qui a pour effet de donner naissance sur ce trépan à la force de déviation désirée0 Il est nécessaire de veiller à ce que le courant de boue sortant-du conduit 17 ne vienne pas frapper la paroi du trou de sonde avec une force suffisante pour provoquer l'érosion de cette paroi, et, à cet effet, l'ex- trémité de sortie 20 du conduit 17 est infléchie radialement vers l'intérieur, dans le mode de réalisation représenté. La forme du patin 10 doit être telle que sa surface de contact avec la paroi du trou des sonde soit relativement importante, ce par quoi il faut entendre que ladite surface de contact doit avoir une étendue suffisante pour que soient réduits les risques de coincement du patin dans les fissures ou les crevasses de la paroi du trou de sonde, et une pénétration indésirable de ce patin dans les couches molles des formations traversées par le sondage. Il est de plus préférable que la for- ce transversale exercée par le patin soit appliquée aussi près que possible du trépan de forage, en vue de réduire les contraintes de flexion dans l'arbre 3. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté le patin, dont la section est en forme d'arc de cercle, et dont la longueur est relativement importante, pivote à l'extrémité inférieure fixe du train de tubes de forage, s'étend en diminuant de largeur en direction de l'extrémité 7 de l'arbre 3, et se termine à son extrémité inférieure par un chanfrein 13. La surface de la partie d'extrémité 14 de ce patin qui est en contact en cours de forage avec la paroi du trou de sonde, y compris son chanfrein 13, doit recevoir préalable- ment un traitement de surface qui la rende résistance à l'usure Lorsque le courant de boue moteur est interrompu, ctest-à-dire lorsque le forage est arrêté, le patin du déviateur revient à sa position de repos à laquelle il est parallèle au trou de sonde et à l'arbre 3. L'épaisseur de la partie d'extrémité 14 du patin 10 est prévue suffisante pour que les cylindres 16 puissent y entre ménagés, et pour qu t elle puisse demeurer constamment logée entre les deux nervures 8 par l'intermédiaire desquelles le patin empech~e le manchon 6 de tourner avec l'arbre 3. Un passage transversal 18 de section-rectangulaire est ménagé dans la partie d'extrémité 14 du patin 10. Une cla- vette 19 traversant les deux nervures 8 du manchon et entourée dtune chemise tubulaire de section rectangulaire dont le perça- ge central est excentré, est engagée dans ce passage 18 de fa çon à y laisser un certain jeu radial qui permet à l'extrémité inférieure du patin de se déplacer radialement sur une course limitée. L'excentration du perçage intérieur de ladite chemise de section rectangulaire permet d'obtenir deux courses maximales différentes pour le déplacement radial du patin. Il peut autre prévu un jeu de telles chemises, présentant chacune une excentration différente de leur perçage intérieur, et permettant ainsi de régler avec toute la précision désirable le rayon de courbure de la déviation imposée au trou de sonde Pour obtenir cette déviation dans la direction désirée, il suffit d'orienter le train de tubes de forage dans le trou de sonde de façon que le patin du déviateur vienne stap- pliquer contre la paroi du trou de sonde à l'opposé de la- di- rection de déviation désirée.Dans le mode de réalisation-représenté, le patin du déviateur n'est mis en place sur le train de tubes de forage que lorsqu'on désire procéder à une déviation du trou.de sonde. Le déviateur conforme à la présente invention est susceptible de nombreux autres modes de réalisation. Par exemple, une soupape commande à distance peut- titre prévue sur le conduit 17, et pourra être actionnée séleotivement par des si- gnaux émis en surface, signaux électriques ou impulsions de pression d'un fluide par exemple. Dans ce cas, le déviateur pourra astre monté à demeure à l'extrémité du train de tubes de forage, et pourra ainsi être utilisé soit,pour effectuer la déviation désirée du trou de sonde, soit pour corriger toute déviation accidentelle indésirable de celui-ci. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, plusieurs patins déviateurs sont montés dans des directions radiales différentes autour de la turbine de forage, et la pression de la boue de forage peut titre appliquée sur les pistons de commande de l'un quelconque de ces patins, au moyen de soupapes commandées à distance et prévues respectivement sur chacun des conduits d'alimentation en boue de ces patins. De la sorte, des déviations dans diverses directions peuvent entre obtenues au moyen d'un système de commande automatique logé dans un élément intermédiaire adjacent à la turbine de forage. Bien que la présente invention ait été décrite dans son application à un turbomoteur de forage mis en action par un courant de boue refoulé en surface, elle peut s'appliquer aussi à d'autres types de moteurs de forage, et la commande des mouvements du patin déviateur conforme à l'invention n'est donc pas limitée à celle décrite, et qui consiste à utiliser la boue de forage elle-même. Ainsi, par exemple, des pistons à commande par solénoïde pourraient ventre utilisés pour obtenir les déviations désirées. D'autre part, ces déviations peuvent aussi être obtenues sans la présence d'un patin sur le déviateur, si ce déviateur porte des pistons ayant une section assez importante pour pouvoir former par eux-mêmes une surface d'appui suffisante sur la paroi du trou de sonde Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir des organes reliant le manchon 6 au train de tubes de forage, et ltempechant de tourner. Il importe de veiller à ce que les forces transversales exercées sur le trépan de forage ne lui soient pas appliquées trop brutalement, au point de ralentir sa vitesse de rotation. Â cet effet il peut être préférable, dans le cas d'un forage par turbomoteur, et lorsque les mouvements du patin du déviateur sont commandés par la pression du fluide de forage, de prélever à l'aval de la turbine ce fluide assurant la commande du déviateur. Bien entendu, la présente inventon n1 est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais stétend à toutes les variantes conformes à son esprit. aEvzwDICAXIONS 1 - Déviateur pour appareillage de forage dans lequel le trépan de forage est mis en rotation par un moteur monté à l'ex- trémité inférieure du train de tiges de forage, ce déviateur étant caractérisé par-un organe mobile relié au train de tige de forage et pouvant se déplacer, en cours de forage, transversalement par rapport au trépan, de façon à venir s'appliquer contre la paroi du trou de sonde à proximité de ce trépan, et donner ainsi naissance à une force transversale appliquée audit trépan et qui provoque la déviation du trou de sonde. 2 - Déviateur selon la Revendication 1 utilisable en coopération avec un turbomoteur de forage, et caractérisé par un organe dtappui monté sur une partie tournante de ce turbomoteur et relié au train de tubes de forage de façon à demeurer fixe par rapport à celui-ci, la commande des mouvements de organe mobile du déviateur étant effectuée par des dispositifs logés dans ledit organe d'appui. 3 - Déviateur selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que organe moMilexst constitué par un patin oblong, pivotant sur une partie fixe de I'appareillage de forage et s'6tendant vers le trépan, ce patin étant relié à l'organe d'appui du déviateur de façon à empêcher celui-ci de tourner avec ladite partit tournante du turbomoteur de forage. 4 - Déviateur selon la Revendication 3, caractérisé par au moins un piston actionné par un fluide sous pression pouvant se déplacer de façon à-appliquer le patin du déviateur contre la paroi du trou de sonde. 5 - Déviateur selon l'une quelconque des Revendication5 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que le fluide moteur de la turbine est utilisé psur commander les mouvements dudit ou desdits pistons. 6 - Déviateur selon l'une quelconque des Revendications 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que les mouvements du ou des pistons sont commandés par pression d'huile. 7 - Déviateur selon l'une quelconque des Revendications precéden- tes, caractérisé par un dispositif permettant de limiter la course des mouvements transversaux de son organe mobile.