Brevet FR2073469A1 — publié le 19711001

kk895 2073469 La présente invention concerne un procédé et un appareil de sondage dirigé ; elle vise, en particulier, un procédé de sondage dans lequel on obtient de plus grandes vitesses d'éjection de fluide, et un dispositif Dlacé dans une colonne de forage, qui 5 augmente la pression du fluide et par conséquent sa vitesse» Il est de plus en plus important, dans la recherche du pétrole ou du gaz, d'être capable de forer à des profondeurs accrifis pour avoir accès à des réserves de pétrole en diminution. Lorsqu* on travaille à ces plus grandes profondeurs, il est également im-10 portant de pouvoir commander la direction prise par l'appareil de forage. Il est en effet souvent nécessaire de dévier le puits latéralement, par rapport au sondage vertical, pour atteindre un gisement particulier. Cette technique est particulièrement importante dans le forage en mer, où il' est souhaitable d'installer le moins 15 de plateformes possible, à partir desquelles on veut sonder dans une surface aussi grande que possible. Un des dispositifs le plus couramment utilisé jusqu'à présent oour le sondage dirigé est le déviateur à biseau, qui guide un trépan rotatif usuel contre la paroi latérale d'un puits et 20 amorce ainsi une déviation du puits par rapport à sa direction initiale. Pour utiliser cette technique avec succès, il faut que le puits traverse, depuis la surface, un terrain suffisamment consolidé pour accepter le déviateur. Celui-ci doit ensuite être réglé, au moyen d'un équipement de contrôle d'orientation et de di-25 rection, pour vérifier son alignement convenable- Un autre grave inconvénient de ce dispositif est que le puits lui-même doit être foré avec un diamètre assez grand pour accepter le corps du déviateur . Les inconvénients du système de sondage dirigé décrit ci-30 dessus ont été supprimés par l'enroloi du procédé connu sous le nom de déviation à jet, ou par érosion. Ce procédé combine l'entraînement hydraulique et la taille mécanique, pour cévier latéralement le puits dans, la direction voulue. Le tréoan porte une tuyère hydraulique qui est orientée vers la surface latérale du puits qu'on 35 veut dévier. Le fluide de forage, boue par exemole^ qui circule normalement à travers la colonne de forage et le trépan, est dirigé plus particulièrement contre ladite paroi latérale, pour éroder cette surface et dévier par conséquent l'outil de forage dans la direction voulue. Dans beaucoup de cas, lorsqu'on a effectué une 40 pénétration suffisante dans la direction désirée, un mouvement ver- BAD ORIGINAL 70 44896 2 2°™69 tical de la colonne devient admissible, et on communique au trépan un mouvement alternatif de haut en bas et inversement, pour obtenir un effet de coupe, par exemole par augmentation et diminution du poids appliqué sur l'outil par la colonne de forage et les colliers. 5 Le puits est alors dévié dans la direction voulue, c'est-à-dire dans celle où le jet est orienté. Pendant cette opération, il n'y a pas de rotation de l'outil et de la colonne, jusqu'à ce que la déviation désirée soit obtenue, mais on obtient cependant un trou cylindrique grâce au mouvement alternatif vertical de la colonne 10 de forage. Toutefois, du fait des profondeurs croissantes de forage, le temps nécessaire pour exécuter une déviation par érosion, et par conséquent son prix de revient, augmentent sensiblement. Par exemple, on a trouvé qu'à des profondeurs supérieures à 500 mètres, le 15 temps nécessaire augmente en proportion directe de la profondeur. Pour des profondeurs de 4 000 mètres et plus, il est pratiquement impossible d'utiliser économiquement la déviation par érosion, avec les dispositifs et par les procédés connus. Cela est particulièrement vrai lorsque le fluide circulant dans la colonne est de la 20 boue. Si le fluide est de l'air ou un autre gaz, la vitesse de pénétration est sensiblement inchangée. Toutefois, la boue étant le fluide de forage le plus courant car le plus économique, il est nécessaire d'arriver à obtenir une meilleure pénétration avec la boue, aux plus grandes profondeurs." 25 On pense maintenant que la cause principale du prix de forage accru, en fonction de la plus grande profondeur, dans le sondage dirigé, avec de la boue comme fluide, est la pression hydrostatique qui s'exerce sur le terrain en cours de forageo Cette pression correspond au poids de la colonne de boue. Elle augmente 30 proportionnellement à la profondeur, c'est-à-dire au poids de la colonne de boue. Lorsque la profondeur augmente, la vitesse du fluide de forage, à la sortie de la tuyère, est dissipée ou réduite à faible distance de la tuyère, 15 à 20 cm environ, vers la surface latérale du terrain a éroder. En effet, le fluide d'érosion, boue 35 par exemole, pénètre dans un milieu fluide de pression élevée. Comme la pression hydrostatique est une fonction directe de la profondeur, le milieu fluide, dans les puits peia profonds, est à une pression notablement réduite. La pression élevée du fluide, dans les trous profonds, réduit la vitesse, et par conséquent l'efficacité, 40 du jet sortant de la tuyère, avant qu'il frappe le terrain à éroder. BAD ORIGINAL 70 44896 3 2073469 La présente invention a donc pour objet un procédé et un appareil qui augmentent sensiblement la vitesse du fluide de forage à la sortie de l'outil, lorsqu'on utilise le procédé de déviation par jet ou érosion. 5 L'invention vise également un procédé et un appareil, qui permettent d'utiliser économiquement la technique de déviation des ouits car érosion à jet, à des profondeurs accrues, et en particulier lorsqu'on emploie la boue comme fluide de forage. L'invention sera mieux comnrise à la lumière de la des— 10 cription de ses formes de réalisation, non limitatives, représentées sur les dessins annexés. Fig. 1 est une vue schématique d'une forme préférée de réalisation d'un aopareil de forage, modifié conformément à la présente invention. en couoe, 15 tig. 2 est une vue de côté,/d'une forme préférée de réa lisation d'un joint coulissant, comportant un clapet anti-retour, conforme à la présente invention et susceotible d'être placé dans une colonne de forage, pour la mise en oeuvre du Drocédé de 1*invention. 20 Fig» 3 est une coupe de l'appareil de la figure 2, sui vant la ligne 3-3, et Fig„ 4 est une vue de dessous, schématique, d'un tréoan de forage à déviation par jet, conforme à la présente invention. On voit, sur la figure 1, un puits 34 dont la déviation 25 a été amorcée, par le orocédé d'érosion au jet. La direction que doit prendre le forage 34 est indiquée oar la flèche reorésentée à sa partie inférieure. Un chevalement ou derrick 10, de tyoe usuel, associé à une plateforme ou table 12, suooorte l'ensemble de 1'aopareil de 30 forage. Le puits 34 a été foré verticalement, par rotation d'une colonne 22. Celle-ci comprend une série ou chapelet de tubes 24, axialement adjacents, et de colliers 27, en fonction des besoins. Comme représenté, un collier 27 est placé à l'extrémité inférieure de la colonne et porte un outil de forage rotatif, ou tréoan 30. 35 Celui-ci est particulièrement adapté à l'utilisation du orocédé de déviation par jet, suivant l'invention, décrit plus loin» Les détails de construction du trépan 30 seront décrits avec référence à la figure 4. Les tubes 24 et les colliers 27 permettent la circulation d'un fluide, vers le bas, à travers eux» Dans cette forme pré-40 férée de réalisation, le fluide en circulation est de la boueo Un BÂD ORIGINAL 70 44896 * 2073469 tube annulaire 25 entoure le tube de forage 24, à sa partie supérieure, dans le puits 34, pour guider la boue qui remonte vers la surface. Un conduit 40 communique avec le tube 25 et évacue la boue. Le conduit 40 traverse un dessableur 42, de type usuel, qui séoare 5 les particules solides de la boue de forage. Cette dernière est alors récupérée, par un conduit 41, dans un réservoir 44. Pour refouler la boue vers le bas, dans le tube 24, on utilise une pompe 46, de type usuel, qui aspire la boue dans le réservoir 44 et l'envoie sous pression dans un conduit 48o Celui-ci 10 aboutit à une tige d'entraînement 18, par l'intermédiaire d'une rotule 16. La tige 18 est accouplée au tube de forage 24, dans lequel Dasse la boue. Pendant le forage normal, une table rotative 20, qui entoure la tige 18 et le tube 24, met ces éléments en rotation, pour engendrer l'action de forage. 15 Lorsqu'on veut effectuer une déviation, conformément à la présente invention, on remplace le tréoan usuel par un outil 30 qui comporte au moins une, et de préférence deux tuyères ou orifices 32, à travers lesquels on peut faire passer une plus grande quantité de boue qu'à travers n'importe quel autre orifice de l'outil. 20 D'autre part, un joint coulissant 26 est interposé dans la colonne de forage 22, près de l'outil 30. La colonne 22 comporte un clapet 28 qui empêche la boue sous pression de remonter dans le tube 24. Les détails de construction du joint 26 et du clapet 28 seront décrits à propos des figures 2 et 3. 25 Le procédé de déviation décrit ci-aorès comprend un mou vement vertical alternatif de la colonne de forage. Une bielle 15, dirigée vers le haut à partir de la rotule 16, est reliée à un crochet 14. Un entraînement vertical, réalisé par tout moyen approprié, non représenté, agit sur le crochet 14 de façon à communiquer 30 un mouvement alternatif vertical à la colonne de forage. Pour dévier le puits 34 de sa direction verticale, par le présent procédé de déviation par jet, l'outil 30 est orienté de façon que la ou les tuyères 32 dirigent le jet de boue contre la paroi latérale du puits, dans la direction qu'on veut donner au 35 puits. La pompe 46 fonctionne et envoie de la boue sous pression vers le fond du puits, par le tube 24, comme indiqué plus haut. On soulève la colonne 22, au moyen du crochet 14, d'une distance égal* à la longueur de déplacement du joint coulissant télescopique 26, en extension. Lorsque la colonne a été remontée de cette façon, on 40 la redescend, aussi vite que possible, dans le puits 34„ A ce moment, BAD ORtGÎNAL 70 44896 5 2073469 le clapet 28 placé à la partie supérieure du joint coulissant 26 se ferme et emprisonne la boue contenue dans le joint et dans le tube de forage situé au-dessous. Le poids de la colonne descendante 22 provoque un télescopage du joint 26 sur lui-même, ce qui 5 diminue le volume total de la caoacité fermée par le clapet 28, La boue contenue dans cette capacité est donc comprimée, et s'é-chaope par conséquent des orifices 32 de l'outil 30, avec un mouvement accéléré. Le déplacement Vertical alternatif de la colonne 22, pour ouvrir et fermer le joint coulissant 26, est répété c'y— 10 cliquement. Les plus grandes vitesses d'éjection de boue, obtenues par la compression du joint 26, érodent le terrain, près des orifi ces 32 de l'outil 30, dans la direction de déviation désirée» D' autre part, le mouvement vertical alternatif de la colonne engendre une action de coupe de l'outil, dans le terrain. 15 L'emploi du procédé et du dispositif suivant la présente invention permet d'obtenir des vitesses d'éjection qui sont deux à quatre fois plus grandes que les vitesses usuelles d'éjection utilisant seulement des pompes en surface. En effet, l'équioement sui vant l'art antérieur fait seulement intervenir l'action de pompage 20 par exemple au moyen de la pompe 46 de la figure 1, pour obtenir la vitesse d'éjection désirée aux orifices du trépan. Comme déjà indiqué, la pression hydrostatique, à de plus grandes profondeurs, s'oppose à cette action de pompage, à un degré qui réduit notablement la vitesse d'éjection, et par conséquent l'efficacité des 25 orifices comme moyen d'érosion du terrain. Le joint coulissant 26 fournit une impulsion de oression, pendant la course descendante de la colonne de forage 22, qui accroît les vitesses d'éjection . dans la proportion indiquée plus haut et résoud donc ce problème. Les figures 2 et 3 représentent les détails de réalisa-30 tion du joint coulissant 26 et du clapet 28. Ce dernier fait réellement partie intégrante du joint 26 et il est placé directement au-dessus de sa partie télescopique. Le joint coulissant.26 comprend une pièce cylindrique su périeure 60, à épaulement, qui correspond au tube 24 situé au-des-35 sus. La surface intérieure 62 de la oièce 60 est convergente, à partir d'un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du tube de forage, puis brusquement divergente vers l'extérieur, pour former un épaulement angulaire 63. A partir de ce point et vers le bas, la surface intérieure de la pièce 60 est d'un diamètre sensi— 40 blement équivalent au diamètre intérieur de l'extrémité supérieure 70 44896 6 2073469 de la surface 62. Une pièce cylindrique intérieure 66 est vissée dans la partie inférieure de la pièce 60, et se prolonge vers le bas. La pièce intérieure 66 est coaxiale avec la pièce 60 et son diamètre intérieur est sensiblement égal au diamètre intérieur de 5 la partie inférieure de la pièce 60, de façon à former un conduit pour la circulation de la boue. Une pièce cylindrique extérieure 70 est vissée, en 71, sur la surface extérieure de la pièce 60, à l'extrémité inférieure de celle-ci. La pièce 70 comporte une série de cannelures trapézoï-10.dales 72 (voir figure 3), espacées circonférentiellement. Les cannelures 72 ne s'étendent pas sur toute la longueur de la pièce 70 et s'arrêtent brusquement sur des épaulements 65. La longueur des cannelures 72 est égale à la longueur de déplacement adoptée pour le joint coulissant 26. Une pièce cylindrique coulissante 74 est 15 placée entre les pièces 66 et 70, concentriquement à ces dernières. La pièce coulissante 74 comporte, solidairement a son extrémité supérieure, une série de dents trapézoïdales 76 correspondant aux cannelures 72. Les dents 76 s'étendent axialement, le long de la surface extérieure de la pièce 74, sur une distance qui est seule-20 ment une fraction de la longueur totale de cette pièce. La pièce coulissante 74, pendant tout le déplacement du joint coulissant 26, dépasse au-dessous de l'extrémité inférieure de la pièce intérieure 66, ce qui correspond a une augmentation brusque de la section du conduit de fluide. Une pièce cylindrique inférieure 78 est 25 vissée, en 79, sur l'extrémité inférieure de la pièce coulissante 74. Le diamètre extérieur de la pièce 78 est sensiblement égal au diamètre extérieur de la pièce cylindrique extérieure 70, et la surface intérieure de la pièce 78 a une configuration 84 convergente-divergente. Deux joints toriques 80, voisins l'un de l'autre, sont 30 logés dans la partie inférieure de la surface extérieure de la pièce cylindrique intérieure 70. Ces joints assurent l'étanchéité entre cette dernière pièce et la surface intérieure de la pièce coulissante 74. Le clapet 28 est constitué, dans le joint coulissant, par 35 une bille 68 d'un diamètre tel qu'elle s'ajuste dans l'épaulement 63 et forme avec celui-ci une étanchéité au fluide, lorsque la contre-pression agit sur elle. Quand le clapet n'est pas en position de fermeture» la bille 68 repose sur un support 69, fixé au-dessus de la face d'extrémité supérieure de la pièce cylindrique intérieu-40 re 66. 70 44896 7 2073469 Pendant la course ascendante de la colonne de forage 22, comme indiqué plus haut, la boue de forage est refoulée par une pompe 46, vers le bas, dans le tube 24,1e joint coulissant 26, le tube 24 et le collier 27 olacés au-dessous du joint 26„ Pendant 5 cette course ascendante, la bille 68 reoose sur son support 69 et y est maintenue, au moins partiellement, par la pression de la boue refoulée vers le bas, dans la direction de la fléché, à travexs le joint 260 D'autre oart, pendant cette course montante, les dents 76 glissant vers le bas, dans les cannelures 72, jusqu'à ce que, 10 au point mort haut de la course de la colonne, elles reposent sur les épaulements' 65 de la pièce cylindrique extérieure 70. Lorsque la colonne 22 commence sa course descendante rapide, son poids provoque le début de compression du joint coulissant 26, c'est-à-dire que les dents 76 commencent à se déplacer 15 vers le haut dans les cannelures 72<> De ce fait, une contre-pressicn notable se crée dans le joint 26 et fait monter la bille 68 qui vient se loger dans le cône formé par 1'épaulement 63. La contre-pression agissant sur la bille 68 la maintient en contact étanche avec 1'épaulement 63. Le joint continue son mouvement de compres-20 sion jusqu'à ce que les dents 76 viennent reposer contre la surface inférieure 75 d'extrémité de la nièce cylindrique 60, Le clapet 28 étant alors complètement fermé, le fluide de forage contenu dans le joint 26 et le tube inférieur 24 est comprimé et éjecté par les orifices 32 de l'outil 30, à une vitesse accrue, comme décrit plus 25 hauto La formation d'un conduit de plus grand diamètre, dans la partie inférieure de la pièce coulissante 74, permet au joint coulissant de supporter les pressions plus élevées qui existent dans cette zone pendant la phase de fermeture» De plus, le convergent-divergent 84 formé par la surface intérieure de la nièce 78 agit, 30 de façon connue, pour augmenter la vitesse d'éjection. Bien que les joints coulissants soient connus des hommes de l'art, dans le domaine du forage, ils sont seulement utilisés pour télescooer rapidement la colonne afin de transmettre des chocs aux éléments inférieurs de cette colonne, oour les dégager d'un blo-ou collage 35 cage/dans le puits. Le joint coulissant 26, décrit ci-dessus, diffère de l'équioement connu, en ce qu'il est conçu particulièrement pour comprimer un volume important de fluide de forage, à très haute pression, et pour résister à là charge axiale exercée par le Doids de la colonne de forage pendant sa course descendante,, 40 La figure'4 est une représentation schématique, en vue de BfO o«etNAL 70 44896 2073469 dessous, d'une forme préférée de réalisation de l'outil 30» Celui-ci., qui est d'autre part de construction usuelle cour la déviation par éjection, comporte une nouvelle disposition de sortie de fluide. L'outil, qui est fixé à l'extrémité inférieure de la colonne 22, 5 comprend un passage central 90, qui communique avec l'intérieur du tube 24 et sert de conduit pour le fluide» Le passage 90 se divise en trois conduits 91, qui communiquent avec des orifices 32 et 33, respectivement, par où sort la boue de forage. Les orifices 32, qui sont utilisés pour l'érosion de la paroi du puits dans la direc-10 tion de déviation désirée, sont de plus grand diamètre que l'orifice 33. Ce dernier, qui envoie la boue dans une direction opposée aux orifices 32, est de diamètre nettement plus petit que ceux-ci, et sert seulement à établir une circulation complète de la boue dans le puits 34 et à purger la pression dans le passage 90» 15 On utilise deux orifices 32, plutôt qu'un seul comme dans l'art antérieur, de façon a éroder la paroi latérale du puits plus rapidement» Ce plus grand nombre d'orifices est plus avantageux dans le système conforme à la présente invention, grâce à la pression plus importante engendrée par le joint coulissant 26, 20 II est entendu que des modifications de détail peuvent être aoportés dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de la orésente invention ; celle-ci n'est pas limitée à la forme de réalisation représentée et décrite ci-dessus a titre d'exemole. BAD ORIGINAL 70 44896 9 2073469 REVENDICATIONS 1. Procédé d'augmentation de la vitesse de forage et de la profon deur admissible pour un sondage dirigé à déviation par jet, caractérisé en ce qu'il comprend : l'orientation d'un trépan, ayant au moins un orifice de sortie de fluide, de façon à diriger cet orifice dans la direction de déviation, vers la surface intérieure du puits a dévier ; le pompage d'un fluide de forage dans un tube placé dans le puits, le trépan étant fixé a l'extrémité inférieure de ce tube ; la fermeture, de façon étanche au fluide, d'une partie du tube adjacente au trépan, l'extrémité inférieure de la dite partie fermée étant en communication de fluide avec ledit orifice ; et la compression du fluide de forage emprisonné dans ladite partie fermée du tube, pour éjecter le fluide par l'orifice, a une vitesse accrue. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu*il com prend un déDlacement vertical alternatif d'une partie supérieure du système formé par le tube de forage et le trépan, après orientation de ce dernier, ladite phase de pompage se produisant pendant la course ascendante du système, la fermeture intervenant sensiblement au début de la course descendante, et la compression correspondant à la course descendante» 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase d'orientation consiste à placer au moins un de plusieurs orifices, situés à la périphérie du trépan, près de la partie de la surface intérieure du puits qui doit être déviée. 4. Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 3, carac térisé en ce que la phase de compression comprend la diminution du volume de la dite partie fermée du tube de forage, pour augmenter la pression du fluide de forage contenu dans cette partie » 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la diminution du volume de la partie fermée est dûe à la diminution rapide de la longueur de ladite partie. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le tube de forage comprend au moins deux éléments alignés axiale— ment, reliés à leurs extrémités adjacentes par un joint coulissant télescopique, la fermeture s'effectuant en un point de la longueur du tube situé au-dessus du dit joint, et la diminution de longueur de la partie fermée, correspondant à un télescooage du joint» 70 «896 ° 2073469 7* Procédé suivant la revendication 6r caractérisé en ce qu'il comprend un déplacement vertical alternatif du tube et de la partie supérieure du joint coulissant, après orientation, le déplacement vers le haut étant égal à la distance de déplacement de la partie télescopique du joint coulissant. 8. Joint coulissant et clapet, pour la compression du fluide de forage dans une partie d'une colonne de forage à déviation par jet, caractérisé en ce qu'il comprend : une pièce cylindrique extérieure, dont la surface intérieure forme un conduit de fluide ouvert aux extrémités ; une pièce cylindrique intérieure, concentrique et radialement intérieure à la précédente, et susceptible de se déplacer d'une distance prédéterminée, de façon télescopique, vers, l'intérieur et vers l'extérieur de la pièce cylindrique extérieure, pour former une extension du conduit de fluide ; et une bille, supportée librement dans le conduit et adjacente à l'extrémité d'entrée.du fluide dans le conduit, le diamètre du conduit étant localement réduit à l'amont de la bille pour lui servir de siège étanche lorsqu' elle est soumise à l'action d'une pression dirigée vers le haut, la bille étant susceptible de venir en contact avec cet épaulement pour une valeur prédéterminée de' ladite pression. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce cylindrique extérieure comporte une pluralité de cannelures, espacées circonférentiellement autour de sa surface intérieure et d'une longueur axiale prédéterminée, et en ce que la pièce cylindrique intérieure comprend une pluralité de dents associées aux cannelures, et, coulissant axialement dans ces dernières. 10. Dispositif suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que 1*extrémité aval de la pièce cylindrique intérieure forme une extrémité aval du conduit de fluide, et en ce que le diamètre intérieur de cette partie est tel que la section du conduit augmente en cet endroit, la pièce cylindrique intérieure formant d'autre part une tuyère convergente-divergente à 1*extrémité aval du conduit de fluide. 11. Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu*il comprend : l'interposition d'un dispositif de joint coulissant et clapet, suivant une quelconque des revendications 8 à 10, à l'extrémité inférieure de la colonne de forage, au-dessus du trépan ; l'extension du joint coulissant BAD ORIGINAL T0 44896 11 2073469 par traction vers le haut sur la colonne ; l'admission d'une quantité substantielle de fluide, par le clapet, dans la partie intérieure centrale du joint, pendant son extension ; la compression rapide du joint par suppression d'au moins une partie de la force de levage exercée sur la colonne ; et 1' emorisonnement de la dite quantité de fluide, au-delà du clapet, Dour éjecter ce fluide par l'orifice de sortie, pendant la comoression du joint, de façon à augmenter sensiblement la pression et la vitesse du fluide éjecté.