Brevet FR2100612A1 — publié le 19720324

i 2100612 La présente invention concerne d'une façon générale les installations de forage^plus particulièrement les dispositifs de levage et de descente des tiges ou tubes de forage. La plupart des puits de pétrole et de gaz sont forés par 5 le procédé de forage dit "rotary" dans lequel un trépan est monté à l'extrémité d'un train de tiges de forage et est entraîné en rotation dans le trou du puits par ledit train et par tin appareillage approprié assufant son entraînement en rotation. L'appareillage d'entraînement en rotation peut comporter une table "rotary" 10 qui est montée sur la plate-forme ou pont de forage et qui est traversée par les tiges; selon une variante, cet appareillage peut comporter un moteur hydraulique ou électrique monté de toute manière appropriée dans la tour ou mât de forage et pouvant être relié à l'élément supérieur du train de tiges de forage. 15 Dans le procédé "rotary" , des éléments de tiges sont ajoutés au train à mesure que la profondeur du puits augmente,accroissant ainsi le poids total du train de forage et par suite le poids agissant pour exercer une poussée vers le bas sur le trépan. Dans les forages profonds, ce poids agissant est souvent supérieur 20 à celui auquel peut résister le trépan,ee qui oblige à exercer sur le train une force dirigée vers le haut. Jusqu'à présent, on a utilisé différents dispositifs automatiques pour exercer la force de levage nécessaire pour empêcher une détérioration du trépan. Il y a d'autre part des cas où il est nécessaire d'exercer sur le 25 trépan une force dirigée vers le bas pour obtenir la pénétration désirée du trépan dans les formations de terrain; il en est ainsi par exemple dans le cas du forage de puits relativement profonds car le poids total du train de tiges de forage peut alors être insuffisant, notamment quand on rencontre des formations de terrain 30 dur. On trouve souvent des situations similaires pendant les phases initiales d'un forage de puits profonds, c'est-à-dire avant qu'un nombre suffisant d'éléments de tiges aient été ajoutés pour faire porter le poids nécessaire sur le trépan» Les installations de forage rotary usuelles connues 35 comprennent un mât ou tour vertical muni d'une tête de forage pouvant se déplacer longitudinalement à l'intérieur du mât. La tête de forage peut supporter à rotation une longueur de tiges de forage à l'extrémité supérieure de laquelle elle est généralement reliée par un joint fileté. Pour assurer la montée ou la descente 40 du train de forage, des systèmes séparés de câbles de descente et 71 05063 2 2100612 de montée sont reliés à la tête de forage et des treuils appropriés sont utilisés pour enrouler et dérouler les câbles suivant les besoins. Le# mécanismes à treuil de types connus utilisent des tambours séparés pour les câbles de montée et de descente.On 5 a obtenu par ce moyen des résultats assez satisfaisants, la plupart de ces dispositifs sont extrêmement complexes et coûteux et entraînent une usure et une détérioration excessives des «âbles. Selon la présente invention,il est prévu une installation de forage du type précité utilisant un seul tambour de treuil pour 10 les câbles de descente et de levage. L'installation est telle que, lorsqu'un câble est déroulé du tambour, l'autre câble s'enroule sur celui-ci, le tambour étant de dimensions suffisantes pour qu'il n'existe jamais plus d'une seule couche de câble enroulée sur lui. Cette disposition permet d'obtenir une simplicité de construc-15 tion,des longueurs égales de déroulement des câbles de levage et de descente et une diminution de l'usure et/ou de la détérioration des câbles, à cause de cet enroulement caractéristique en coucke unique. L'invention fournit donc sous une de ses formes, une ins-20 tallation de forage caractérisée en ce qu'il comprend un mât ou tour, une tête de forage montée de manière à se déplacer longitu-dinalement dans le mât, la tête de forage pouvant supporter un train de tiges de forage monté à rotation à l'intérieur du mât,des moyens de levage comportant un câble associé à la tête de forage 25 qui peut ainsi soulever le train de tiges de forage, et des moyens de descente comprenant un câble associé à la tête de forage pour lui permettre de faire descendre ledit train,lesdits moyens de levage et de descente comprenant en outre un tambour de treuil et un entraînement en rotation de ce dernier,lesdits câbles de levage 30 et de descente étant reliés audit tambour de telle manière?' lorsque le tambour est entraîné en rotation,un des câbles soit mis en tension et s'enroule sur le tambour en une seule couche tandis que l'autre se déroule du tambour, des forces ascendantes ou descendantes étant ainsi exercées sur la tête de forage de manière à la 35 faire se déplacef le long du mât dans un sens déterminé par le sens de rotation du tambour, les dimensions du tambour étant telles qu'une seule couche de câble doive être enroulée sur le tambour quelle que soit la position de la tête de forage à l'intérieur du mât. 71 05063 3 2100612 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la description ci-après d'un exemple non-limitatif de réalisation,en référence aux dessins annexés dans lesquels : 5 Pig.l est une vue en élévation d'une partie d'un appareil de forage selon l'invention; Fig.2 est une vue schématique du dispositif de levage et de descente du train de forage; Fig.3 et 4 représentent schématiquement un tambour de treuil, 10 avec les câbles de levage et de descente dans les positions haute et basse de la tête de forage. L'invention convient à de nombreux types d'installation de forage; elle a été décrite ci-après dans le cas d'une installation mobile. 15 On voit au dessin une installation de forage 10 avec une plate-forme 12 montée sur des roues 14 permettant son déplacement, Des vérins de mise à niveau 16 peuvent être sortis pour supporter la plate-forme 12 pendant le forage. Le mât 18, représenté vertical en figure 1>est articulé en PO des emplacements 20 sur un ensemble porteur 22 de manière que le mât puisse être abaissé dans une position horizontale lorsque l'installation de forage doit être transportée d'un endroit à un autre . Pour faciliter la manutention des longueurs ou éléments 25 de tiges de forage,un bras pivotant 24 peut être utilisé pour soulever les longueurs ou éléments de tiges de leur position horizontale de rangement jusqu'à une position verticale en vue de leur connextion sur l'extrémité supérieure du train de forage,à la manière bien connue. Pour pouvoir exécuter automatiquement cette 30 opération,on prévoit à la manière connue des serre-tubes ou pinces automatiques 26 avec des élévateurs automatiques 28. Une tête de forage 3° est montée dans le mât de manière à se déplacer le long du mât sur des guides appropriés non-repré-sentés.Dans l'exemple, la tête de forage est équipée d'un moteur 35 hydraulique 32 pour assurer la rotation du train de tiges en vue de forer le puits:on notera cependant que le train de tiges ou tubes peut être entraîné par d'autres moyens,par exemple mécaniquement ou par des dispositifs du type à table tournante (rotary). Un raccord fileté 33 pouvant être vissé dans l'extrémité supérieu-j,n re du train de tubes disposé suivant l'axe de forage "A" est 71 05063 2100612 monté à rotation dans la tête de forage 30 de manière à être entraîné par le moteur 32.Un tambour de treuil 34 monté sur le mât 18 et entraîné par un moteur^ assure le levage et la descente de la tête de forage 30»comme on le décrira en détail plus loin. 5 Le mât de forage 18,la tête de forage 30 et son mécanisme d'entraînement le long du mât ont été représentés schématiquement en figure 2;on notera que les éléments sont représentés avec des proportions différentes de la réalité pour mieux mettre en évidence les principes appliqués ici. On n'a pas non plus fait figurer 10 aux dessins des détails connus tels que les moyens de guidage longitudinal de la tête de forage dans le mât ,etc.... Le mécanisme de treuil 34 comprend un seul tambour 36 de diamètre uniforme sur toute sa longueur et entraîné dans les deux directions par un dispositif 38. Différents dispositifs d'entraî-15 nement de treuil peuvent être trouvés sur le marché,entre autres, par exemple le dispositif "Gearmatic". Pour lever la tête de forage 30, il est prévu un câble de levage 38 (ligne en traits pleins) qui est relié par une extrémité à me extrémité 36a du tambour de levage tandis que son extrémité 20 opposée est accrochée en 40 sur un point fixe de l'appareil de for rage . Le câble de levage 38 est dirigé vers le haut,à partir de son point de liaison avec le tambour 36 en passant sur une poulie folle 42 montée dans une zone adjacente à l'extrémité supérieure S6 du mât;le cable 38/dirige ensuite vers le bas et passe sur une 25 poulie 44 montée sur la tête de forage 36 » puis il remonte vers le haut en passant sur les deux poulies 45 voisines de la partie supérieure du mât l8,puis redescend en passant sur la poulie 46 montée sur la tête de forage 30 puis remonte de nouveau en passant sur la poulie 48 montée voisine de la partie supérieure du mât, 30 le câble descendant ensuite jusqu'au point d'ancrage 40.Le montage qui vient d'être décrit est un système à quatre brins offrant l'avantage d'une démultiplication mécanique égale à quatre.On voit d'après la figure 2 que,lorsque le câble de levage 50 s'enroule sur le tambour 36,1a tête de forage est déplacée vers le haut. 35 Le système du câble de descende de la tête de forage est également un système à quatre brins. Le câble de descente 50 { une ligne en tirets) est relié par une extrémité au tambour de treuil 36 au voisinage de son extrémité 36b qui est opposée à l'extrémité 36a ; par son autre extrémité il est fixé en un point 40 d'ancrage 52 fixé à l'appareil de forage.Comme représenté en fi 71 05063 5 2100612 gure 2, le câble de descente est dirigé vers le haut à partir du tambour de treuil 36 en passant sur une poulie 54 montée à la partie supérieure du mât 18,puis vers le bas en passant autour de la poulie 56 montée au voisinage de l'extrémité inférieure du mât 5 18,puis il remonte vers le haut en passant sur une poulie 58 montée sur la tête de forage 30,et descend ensuite en passant autour de poulies 60 voisines de la partie inférieure du mât, puis remonte en passant sur une autre poulie 62 montée sur la tête de forage et enfin redescend jusqu'à l'extrémité d'ancrage 52. 10 On a représenté des systèmes de câbles à quatre brins,mais il est clair qu'on peut adopter d'autres dispositions de câbles (par exemple à deux brins et à six brins) à condition que le nombre des brins intervenant dans le système de levage fournisse la même démultiplication mécanique que le nombre de brins interve-15 nant dans le système de descente. Les câbles de descente 50 et de levage 38 sont disposés de manière telle que, lorsque le tambour de treuil 36 est entraîné en rotation,un des câbles s'enroule sur le tambour en une seule couche tandis que l'autre câble s'en déroule de celui-ci,ce qui 20 assure à tous moments des longueurs égales d'enroulement et de déroulement des deux câbles. A la figure 3 on a représenté la disposition des câbles 38 et 50 sur le tambour de treuil lorsque la tête de forage se trouve en un point voisin de sa position la plus haute. On voit qu'une partie importante de la surface du tambour 25 est recouverte par une seule couche dtjfcâble de levage 38,cette couche s'étendant de 1 'extrémité 36a du tambour jusque dans une position écartée de son extrémité opposée 36b.Une seule couche du câble de descente 50 s'étend à partir de l'extrémité opposée du tambour 36b sur une distance relativement courte en direction de 30 l'extrémité opposée du tambour.En figure 4 on voit l'autre situation extrême , pour laquelle la tête de forage 30 se trouve dans sa position la plus basse:une seule couche du câble de descente 36 s'étend ici sur une grande partie de la surface de tambour alors que seules quelques spires du câble de levage restent au 35 voisinage de l'extrémité 36a du tambour. . Le diamètre et la longueur du tambour de treuil sont choisis suffisamment grands pour qu'il ne soit pas nécessâre d'si-rouler plus d'une seule couche de câble sur le tambour à un instant quelconque pour obtenir les longueurs requises des deux câ-40 bles.Un mécanisme transversal approprié de guidage peut être 71 05063 6 2100612 utilisé pour faciliter l'enroulement des câbles sur le tambour 36 en une seule couche;en général un tel mécanisme n'est cependant pas nécessaire, en particulier si les câbles sont à "'un . moment quelconque, amenés au tambour perpendiculairement à l'axe de ce 5 dernier. Dans la disposition représentée à la figure 2,les câbles de levage et de descente sont dirigés vérs le bas en direction du tambour à partir des poulies 42 et 54 fixées à la partie supérieure du mât et, comme la distance entre ces poulies et le tambour est grande par comparaison à la longueur de ce dernier,les câbles 10 arrivent à tout moment sur le tambour 36 pratiquement perpendiculairement au tambour 36 à son axe de rotation. 71 05063 7 2100612 -REVENDICATIONS- 1, Appareil de forage caractérisé en ce qu'il comprend un mât,une tête de forage montée de manière à se déplacer longitudi-nalement dans le mat,la tête de forage pouvant supporter un train de tiges de forage monté à rotation à l'intérieur du mât,des mo-5 yens de levage comportant un câble associé à la tête de forage qui peut ainsi soulever le train de tiges de forage,et des moyens de descente comprenant ion câble associé à la tête de forage pour lui permettre de faire descendre ledit train,lesdits moyens de levage et de descente comprenant en outre un tambour de treuil et 10 un entraînement en rotation de ce dernier,lesdits câbles de levage et de descente étant reliés audit tambour de telle manière que, lorsque le tambour est entraîné en rotation,un des câbles soit mis en tension et s'enroule sur le tambour en une seule coucke tandis que l'autre se déroule du tambour,des forces ascendantes ou des-15 cendantes étant ainsi exercées sur la tête de forage de manière à la faire se déplacer le long du mât dans un sens déterminé par le sens de rotation du tambour ,les dimensions du tambouiv^belles qu'une seule couche de câble doive être enroulée sur le tambour quelle que soit la position de la tête de forage à 1'intérieur du 20 mât. 2.Appareil de forage selon la revendication 1,caractérisé en ce que le câble de levage est fixé sur le tambour au voisinage d'une des extrémités de ce dernier et en ce que le câble de descente est fixé sur le tambour dans^iSie/^roisine de l'autre extré-25 mité du dit tambour.