Brevet FR2000464A1 — publié le 19690905

La présente invention a pour objet un appareil utilisable dans le forage des trotis de sonde dont l'axe est dévié en cours de forage, depuis une première direction vsrs une deuxième direction. Un tel forage sera appelé, dans la suite du présent exposé, "fora-5 ge déTiéHo Elle a plus particulièrement pour objet un appareil utilisable pour le forage de la portion du trou de sonde qui est déviée par rapport à ladite première direction, et qui sera appelée par la suite "section inclinée du sondage". Elle s'applique 10 plus particulièrement, mais non uniquement,, aux turboforeges. Lans un forage dévié, et plus particulièrement lorsque l'inclinaison sur la verticale de la section déviée atteint 30 à 40 0 ou plus, la composante axiale du poids des masses-tiges qui fournissent la poussée sur le trépan est notablement diminuée, et 15 la fraction de la charge axiale sur le trépan? due au poids des masses-tiges qui se trouvent dans la partie du forage la moins inclinée sur la verticale, est absorbée par les forces de frottement prenant naissance entre l'appareil de forage et le train de tubes d*une part, et d'autre part la paroi de la section la plus inclinée du trou de sonde. La charge réellement appliquée sur le trépan varie donc d*une façon imprévisible en raison de ces frottements qui se produisent dans la section déviée du forage. • Le plus, dans les forages effectués à l'aide d*un train de tiges portant un moteur de forage, une turbine hydraulique par exemple, à son extrémité inférieure, et qui est muni d'un raccord femelle double de déviation, les éléments de la tige de forage qui se trouvent au-dessus du raccord de déviation, entre celui-ci et la section du forage moins inclinée sur la verticale, appliquent sur les éléments du train de tiges de forage situés au-des-sous de ce raccord des moments de flexion dus à leur p-ropre poids, et qui ont tendance à accroître l'angle de déviation. Lu fait que, en général, les éléments du train de tiges de forage qui se trouvent au-dessous du raccord de déviation sont relativement peu nombreux, le moment de flexion dû au poids des éléments de la tige p- :3J situés au-dessus de ce raccord, et auxquels s'oppose le moment de flexion qui se développe au-dessous dudit raccord, devient suffisant pour rendre difficile le contrôle des charges latérales exercées sur le trépan, et celui de l'angle .de déviation. Il existe d'autre part un risque que le moment résultant dépasse la valeur de celui que peut supporter sans danger la turbine de forage. BAD ORIGINAL 69 00861 2000464 Selon la présente invention, dans un forage dévié où le train de tiges porte un moteur de forage à son extrémité inférieure, il est prévu sur ce train de tiges'un ensemble déviateur qui sera décrit plus .loin, au moins une masse-tige flexible placée 5 au-dessus de cet ensemble déviateur, et un deuxième groupe de masses-tiges placé au-dessus de la ou des masses-tiges flexibles, cette dernière ou ces dernières étant suffisamment flexibles pour réduire notablement le moment de flexion appliqué par le deuxième groupe de masses-tiges à l1ensemble déviateur, mais étant capables 10 de transmettre les charges axiales entre ce deuxième groupe de masses-tiges et cet ensemble déviateur. De préférence, la ou les masses-tiges flexibles sont munies de dispositifs de guidage à leurs extrémités® Selon un mode de réalisation préféré de l'invention» il 15 est prévu dans l'ensemble déviateur, au-dessus du moteur d'extrémité de la tige de forage, un vérin appliquant une poussée axiale sur le trépan. Selon un mode de réalisation préféré de 1®invention,encoref l'ensemble déviateur comporte, en partant du fond du forage : le 20 trépan de forage, le moteur actionnant ce trépan, un raccord fe-'melle double de déviation, et une pluralité de masses-tiges fournissant par rapport au raccord de déviation le moment de flexion suffisant pour que le trépan subisse la poussée latérale nécessaire pour obtenir la déviation désirée du trou de sonde. 25 L'emploi d'une ou plusieurs masses-tiges flexibles permet de reporter le. train principal de masses-tiges dans la partie la moins inclinée du forage, ce qui présente l'avantage supplémentaire de faire agir suivant l'axe du forage une fraction plus importante du poids de ce train principal de masses-tiges. 30 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'inven tion ressortiront encore de la description qui va suivre, description faite à titre d'exemple non limitatif et avec référence au dessin annexé, dont la figure unique est une coupe verticale passant dans une partie d'un forage dévié effectuée à l'aide d'un 35 train de tiges de forage conforme à la présente invention. Cette figure représente un trou de sonde 1 en cours de forage et comportant une partie verticale 2 et une partie incurvée 3 dans laquelle le forage est dévié par rapport à la verticale. La courbure de cette partie incurvée peut correspondre, par exem-40 pie, à une déviation égale à 1° d'angle par dam, et l'angle de 8AD QRIGIHAL 69 00861 2000464 déviation total peut être de l'ordre de 30 à 40°« La courbure de la partie incurvée du trou de sonde a été exagérée à dessein sur la figure pour les besoins âe la représentation, la longueur réelle de cette partie du trou de sonde étant en général comprise 5 entre 300 et 420 m. Le train de tiges de forage descendant dans le trou de sonde 1 comporte une pluralité de masses-tiges creuses 4 reliées à un moteur de forage placé en bout de tige, et qui est en l'espèce une turbine de forage 5, au moyen d'un raccord femelle double 10 6, et d'un vérin 7 dont le poids est désigné par W7. Le raccord femelle double 6 est un raccord déviateur, et il est constitué par un corps cylindrique creux dont les faces d'extrémité sont inclinées l'une par rapport à l'autre, et qui permet ainsi de déterminer à la fois la direction en azimut et 15 l'inclinaison, par rapport aux masses-tiges qui le surmontent, de la partie inclinée du forage. Un trépan 8, dont le poids est désigné par W8,mis en rotation par la turbine de forage 5, agit dans le fond du trou de sonde 1. Un train de tubes de forage 10 surmonte les masses-tiges 4. on La turbine de forage 5, dont le poids est désigné par W5, est de type classique. Elle comporte une turbine proprement dite, non représentée, actionnée par un courant de boue qui est refoulé en surface, à l'intérieur du train de tubes de forage, et qui se déverse par le trépan après avoir traversé la turbine. Ce courant de boue remonte ensuite en surface,à l'intérieur du- trou de sonde 1, en passant à l'extérieur du train de tubes. Le trépan est entraîné par la turbine par l'intermédiaire d'un arbre 9. En cours d'opération, le raccord de déviation 6 est en contact avec la paroi de la partie incurvée 3 du trou de sonde, en un point K qui constitue le "genou" de la déviation, e't les éléments du train de forage qui se trouvent dans cette partie incurvée du trou de sonde provoquent la naissance, autour de ce point K, de moments de flexion déterminant la poussée latérale appliquée au trépan. Le vérin 7 est d'un type similaire à ceux décrits dans le Erevet Grande Bretagne ?T° 755.207. Il comporte intérieurement un tube central dans lequel circule le courant de boue, dans son trajet vers la turbine de forage. Ce tube central porte un piston, et il est entouré d'un cylindre dans lequel coulisse ce piston. ^ Ce tube central peut se déplacer en direction axiale orar report BAD ORIGINAL 69 00861 2000464 au cylindre qui l'entoure. Le courant de "boue arrivajrfc^ par l'intérieur du tube central, en sortant de ce tube,/dans le cylindre qui l'entoure et agit sur l'une des faces du piston, la boue se trouvant de l'autre côté de ce piston se mélangeant à la boue qui 5 remonte en surface en passant par des orifices prévus sur la paroi du cylindre. Il s'ensuit que le piston est soumis à une différence de pression très sensiblement égale à la perte de charge subie par le courant de boue dans la turbine et dans le trépan. Cette poussée agit toujours sur le vérin en direction axiale,. 10 quelle que soit l'inclinaison de celui-ci sur la verticale. En variante, ce vérin peut etre un vérin hydraulique à commande indépendante du courant de boue de forage. Le raccord déviateur est surmonté de masses-tiges 4b, 4c et 4d. La masse-tige 4b, dont le poids est W4b, est un tube de 15 contrôle non magnétique contenant des instruments mesurant la direction et l'inclinaison du trou de sonde. La masse-tige 4c, dont le poids W4c est élevé, fournit le moment de flexion nécessaire au point K, et les masses-tiges 4d sont flexibles et relativement légères. Elles portent à chacune de leurs extrémités une 20 bride de guidage 11. Ces masses-tiges flexibles sont surmontées du train principal de masses-tiges 4 qui est constitué, par exemple, par 120 m de masses-tiges, et qui fournit la charge axiale nécessaire sur le trépan, ce train de masses-tiges 4 étant lui-même surmonté du train de tubes de forage 10. ^5 L'appellation "ensemble déviateur" désigne dans le présent exposé l'ensemble des éléments du train de tiges de forage, y compris le raccord déviateur, qui fournissent les forces provoquant l'application au trépan d'une poussée latérale déterminant l'ampleur de la déviation obtenue. Dans le mode de réalisation 30 décrit.ci-dessus, la masse-tige 4c et sa bride de guidage 11, la masse-tige 4b, le raccord déviateur 6 et le train de tiges situé sous ce raccord constituent ledit ensemble déviateur. Dans un train de tiges de forage portant une turbine à son extrémité inférieure, et dépourvu de vérin, la poussée axiale 35 T appliquée au trépan est déterminée principalement par le poids W du train de masses-tiges au-dessus, diminué de là tension de levage L appliquée au train de tiges de forage. Cette force Tf-L constitue le "poids" du trépan, indiqué en surface. En forage dévié, et du fait que les masses-tiges 4° s'introduisent en nombre constamment croissant dans la partie BAD ORIGINAL 69 00861 2000464 incurvée du trou de sonde, la, poussée axiale qu'elles fournissent diminue pour deux raisons> savoir : a) du fait de la diminution de la fraction du poids W du train de masses-tiges qui agit en direction axiale, et b) du fait qu'une fraction plus forte de 5 cette poussée axiale est absorbée par le frottement de ces masses-tiges contre la paroi du trou de sonde. Par contre la réaction du vérin, qui est opposée au poids des masses-tiges qui le surmontent, et les résistances de frottement qu'opposent les masses-tiges et le raccord de dévia-10 -fcion à leur propre glissement dans le trou de sonde se traduisent, le vérin étant placé immédiatement au-dessus de la turbine de forage» par une poussée sur le trépan dont la direction est toujours axiale, quelle que soit l'inclinaison donnée au trou de sonde. Ên raison de la présence desdites résistances de frotte-15 ment sur la paroi du trou de sonde, la poussée axiale exercée par le vérin sur le trépan est supérieure à W-L. Les avantages procurés par la présence du vérin sont d'autant plus importants que la déviation du trou de sonde par rapport à la verticale est importante. Mais, du fait que le vérin 20 est placé au-dessous du raccord de déviation, il est soumis à un moment de flexion en provenance des masses-tiges surmontant le raccord de déviation, et il est important de s'assurer que ce moment de flexion n'est pas supérieur à celui que peut sans dommage supporter le vérin. La présence de ce vérin est particulie-25 rement utile dans le cas de trous de sonde fortement déviés, dans lesquels la composante axiale du poids, des masses-tiges est très faible. Elle est aussi particulièrement utile dans la section du forage située au-dessous de la partie incurvée de celui-ci, section dans laquelle les difficultés relatives aux moments de fle-3® xion sont moindres. Les problèmes posés p r ces moments de flexion sont résolus, selon l'invention, par l'emploi de masses-tiges 4d flexibles et relativement légères, et portant à chacune de leurs extrémités une bride de guidage 11 réduisant l'amplitude de leurs 35 déplacements dans le sens latéral. Ces masses-tiges 4d doivent être suffisamment flexibles pour absorber sans la transmettre la presque totalité des moments de flexion que leur sont appliqués, tout en demeurant capables de transmettre les poussées axiales qu'elles reçoivent du train principal de masses-tiges. Ces masses-tiges 4d ont un diamètre plus faible que celui des autres masses- BAD ORIGiNAL 69 00861 6 2000464 tiges, et elles sont par suite relativement légères, de sorte que le moment de flexion appliqué au moteur de forage se réduit pratiquement à celui provenant des masses-tiges 4b et 4c, et peut donc être facilement contrôlé. 5 Ces masses-tiges flexibles présentent aussi l'avantage qu'elles permettent de reporter dans la section la plus verticale du trou de sonde le train principal de masses-tiges, de sorte qu'une fraction plus importante du poids de ces masses-tiges principales agit en direction axiale, et qu'elles ont une moindre 10 tendance à dégrader la. paroi du trou de sonde. Les forces agissant sur le trépan sont la poussée axiale T et la poussée latérale S. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, la poussée axiale T est fournie par le vérin, et elle n'est que légèrement supérieure au poids indiqué du trépan (W-L). La poua-15 séçlatéràlçé provient des moments de flexion ayant pour centre le point de contact K du raccord déviateur. Si le train de tiges de forage ne comporte pas de masses-tiges flexibles, la charge donnant naissance aux moments de flexion au-dessus du raccord déviateur augmente à mesure que s'aug-20 mentent la longueur de la section déviée du trou de sonde et le nombre des masses-tiges inclinées sur la verticale. Dans de telles conditions, il devient difficile de contrôler l'angle de déviation, et les moments de flexion qui prennent naissance peuvent être suffisants pour endommager le vérin ou le moteur de forage. 25 L'emploi de masses-tiges flexibles et guidées évite la transmission de moments de flexion importants entre les masses-tiges 4 et l'ensemble déviateur, de sorte que le moment de flexion de déviation est la résultante du moment de flexion cëxtrarsum provenant des masses-tiges 4b et 4c surmontant le raccord déviateur, 30 et du moment de torsion senestrorsum provenant de l'ensemble déviateur, c'est-à-dire du vérin, de la turbine de forage, et du trépan placés sous le raccord déviateur. Ce moment résultant est moins variable du fait de la présence des masses-tiges 4d légères et guidées. Le vérin doit être rigide, de façon à pouvoir trans— 35 mettre ce moment résultant, et par suite, il est préféré que sa course soit courte. On remarquera que la position relative des divers éléments de l'ensemble de déviation peut être modifiée et que^ par exemple, les positions du vérin et de la masse-tige 4b peuvent 40 être interverties. Cette solution permet de placer plus près du BÀP ORfCUWUL 69 00861 2000464 trépan., le tube de contrôle contenant les appareils de mesure, ce qui est préférable, mais dans ce cas la poussée du trépan est appliquée directement au raccord déviateur, est partiellement absorbée par les frottements prenant naissance dans le trou de sonde, et s'applique au moteur de forage, ce qui est un inconvé-» nient. La condition principale à observer, lorsque la tige de forage comporte un vérin, est que ce vérin soit placé aussi près que possible du moteur de forage. La présente invention a été décrite saLon un mode de réalisation dans lequel l'élément déviateur. de l'ensemble déviateur est un raccord femelle double, mais elle ne se limite pas à ce cas, et la poussée latérale exercée sur le trépan peut être obtenue par d'autres moyens. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes confoimes à son esprit. BAD ORIGINAL 69 00861 8 2000464 ' RBY3KDICAII0H3 1. - Train de tiges de forage utilisable pour le forage de trous de sonde déviés, à l'aide d'un moteur de forage placé en 5 "bout de tige, et comprenant .: un ensemble déviateur, au moins une masse-tige flexible placée au-dessus de cet ensemble déviateur, et un -deuxième groupe de masses-tiges placé au-dessus de la ou des masses-tiges flexibles, cette dernière ou ces dernières étant suffisamment flexibles pour réduire notablement le moment 10 de flexion appliqué par le deuxième groupe de masses-tiges à l'ensemble déviateur, ruais étant capables de transmettre les charges axiales entre ce deuxième groupe de masses-tiges et cet ensemble déviateur. 2. - Train de tiges de forage selon la Revendication 1, dans 15 lequel la ou les masses-tiges flexibles sont munies à chacune de leurs extrémités d'une bride de guidage limitant leurs mouvements en direction latérale. 3. - Train de tiges de forage selon la Revendication 1, dans lequel l'ensemble déviateur comporte un vérin appliquant au tré- 20 pan une poussée axiale. 4. - Train de tiges de forage séLon l'une quelconque des Revendications précédentes, et dans lequel l'ensemble déviateur comporte, en partant de l'extrémité inférieure du trou de sonde,, le trépan, le moteur de forage, un raccord femelle double déviateur 25 et une pluralité de masses-tiges fournissant le moment de flexion ayant pour centre le raccord déviateur, et nécessaire pour appliquer au trépan la poussée latérale provoquant la déviation désirée du trou de sonde. 5» - Train de tiges de forage selon la Revendication 4, dans 30 lequel-le vérin est inclus dans l'ensemble déviateur", et est placé entre le moteur de forage et le raccord déviateur. 6. — Train de tiges de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur de forage est une turbine. . 35 7. - Masse-tige utilisable dans un train de tiges de forage selon la Revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle est suffisamment flexible pour empêcher pratiquement toute transmission de moments de flexion entre ses deux extrémités, mais est toutefois capable de transmettre les charges de direction axiale. 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