Brevet FR2105120A1 — publié le 19720428

La présente invention concerne des dispositifs,pour l'essai de couches de forage, employés lors du forage des puits de pétrole et de gaz sans remontée du train de tiges. On connatt un dispositif pour l'essai de couches de forage comprenant un obturateur (packer) comprenant un corps relié au train de tiges et un élément obturateur, ainsi qu'un préleveur avec une chambre pour la réception du fluide de la couche, ce préleveur étant transporté à l'intérieur du train de tiges. Ce dispositif antérieur comprend un élément obturateur du type gonflable. Dans le corps de l'obturateur, il est prévu un canal pour mettre en communication l'enceinte de l'obturateur gonflable avec le canal du train de tiges. Au cours du forage, ce canal est fermé par un organe d'isolement à douille. Le préleveur se compose d'une chambre pour le prélèvement de ltéchan- tillon et d'une soupape d'isolement. Pour l'essai, on laisse tomber le préleveur dans le train de tiges. Arrivé à l'obturateur, le préleveur vient porter sur l'coutil de forage et ferme le canal central dans l'obturateur. Quand la pression monte à l'intérieur du train de tiges, l'organe d'isolement à douille se déplace vers le bas, en ouvrant au liquide de circulation l'accès i l'obturateur gonflable.L'obturateur augmente de diamètre et rend étanche la zone attenante au front de taille. La pression continuant à monter, le canal d'admission de la soupape d'isolement du préleveur s'ouvre et un échantillon du fluide de la couche est prélevé. Quand la pression baisse dans le train de tiges, le canal d'admission de la soupape d'isolement se ferme et la pression à l'intérieur de l'obturateur gonflable est réduite jusqu'à la valeur de la pression régnant dans le train de tiges. La remontée du préleveur s'effectue à l'aide d'un instrument de repêchage descendu à l'extrémité d'un câble. L'inconvénient principal de ce dispositif connu consiste en ce que l'élément obturateur est un élément gonflable coûteux et compliqué. Un autre inconvénient de ce dispositif consiste en ce que, lors de l'obturation du puits, quand le liquide de circulation sous pression est admis entre le corps de l'obturateur et la garniture, il pénètre dans cette enceinte des déblais et d'autres corps étrangers qui y restent ensuite après l'enlèvement de la pression régnant dans le train de tiges. La présence de corps étrangers et de déblais dans l'enceinte entre la garniture de l'obturateur et son corps provoque la mise hors d'usage prématurée de l'obturateur. La construction de ce dispositif connu rend son emploi également irrationnel dans le turboforage, car dans ce cas son obturateur ne peut être disposé qu'au-dessus de la turbine. C'est pourquoi le dispositif ne peut pratiquement être appliqué que dans le forage au rotary. Son emploi dans le turboforage est désavantageux pour les raisons suivantes a) la présence d'une turbine de 8 à 20 m de longueur sous l'obturateur augmente exagérément l'espace au-dessous de l'obturateur ; pour les essais d'un grand intervalle, il faut beaucoup trop augmenter le volume de la chambre du préleveur par augmentation de sa longueur. L'assemblage d'un grand nombre de tubes du préleveur requiert un temps important.De la sorte, on n'atteint pas le but principal des dispositifs de ce genre, qui est de diminuer l'intervalle entre l'ouverture de la couche et son essai, ainsi que de réduire les frais de l'essai b) la disposition de l'élément obturateur au-dessus de la turbine ne permet pas de choisir un intervalle minimal d'essai de la couche c) quand l'élément obturateur est placé au-dessus de la turbine, par suite de la grande longueur de la turbine, il est impossible d'essayer immédiatement l'intervalle venant d'être foré avec prélèvement de la carotte. Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients mentionnés en procurant un dispositif pour l'essai de couches de forage comprenant un élément obturateur meilleur marché et plus fiable. Le dispositif pour l'essai de couches de forage, selon l'invention, comprend un obturateur (packer) formé d'un corps connecté au train de tiges et d'un élément obturateur, ainsi qu'un préleveur avec une chambre pour la prise du fluide de la couche, ce préleveur étant transporté à l'intérieur du train de tiges, le susdit dispositif étant caractérisé en ce que, dans le corps de l'obturateur, est disposé un piston qui délimite avec ce corps une chambre tampon étanche et qui comporte une tige dépassant hors du corps, en sorte qu'elle puisse être accouplée à l'outil de forage, ladite tige comportant sur sa partie dégagée une saillie circulaire, tandis que l'élément obturateur est constitué par un manchon en matière élastique serré entre le corps et la saillie circulaire de la tige quand le piston se déplace par rapport au corps, ce qui se produit lorsque la poussée axiale sur l'outil de forage est plus grande que la différence entre les efforts sur le corps dus à la pression hydrostatique dans le puits et à la pression dans la chambre tampon, le susdit manchon obturateur ne se déformant pas lorsque la poussée axiale sur l'outil de forage est plus petite que la différence entre les efforts mentionnés. Grâce à l'invention, on obtient un dispositif pour l'essai de couches, qui permet d'utiliser rationnellement en tant qu'élément d'étanchéité, un élément obturateur de fiabilité maximale, à savoir : un manchon en matière élastique assumant sa fonction d'obturation par un phénomène de compression. L'invention sera mieux comprise encore dans ce qui suit par la description d'un mode de réalisation non limitatif donné en référence aux dessins annexés: la fig. 1 est une coupe longitudinale montrant l'organisa- tion d'une sonde avec un dispositif obturateur suivant l'invention, dans le cas d'un forage au rotary avec prélèvement de la carotte ;; la fig. 2 montre,dans les mêmes conditions, l'organisation d'une sonde avec un dispositif suivant l'invention, après forage au rotary et mise en place du préleveur dans l'obturateur, avant obturation du puits et ouverture de la soupape d'admission du préleveur la fig. 3 montre la même sonde après obturation du puits et avant ouverture de la soupape d'admission du préleveur la fig. 4 montre la même sonde après ouverture de la soupape d'admission du préleveur et au cours de l'essai de la couche la fig. 5 montre, dans les mêmes conditions, l'organisation d'une sonde avec un dispositif obturateur suivant l'invention, dans le cas d'un forage au rotary sans prélèvement de carotte la fig. 6 montre, toujours dans les mêmes conditions, l'or- ganisation d'une sonde avec un dispositif obturateur suivant l'invention, dans le cas d'un turboforage avec prélèvement de la carotte la fig. 7, enfin, montre l'organisation d'une sonde avec un dispositif obturateur suivant l'invention, au cours de l'essai d'une couche après turboforage avec prélèvement de la carotte. On va donner ci-après la description du dispositif proposé pour l'essai de couches de forage, en envisageant différentes variantes d'organisation de la sonde et du dispositif obturateur. La fig. 1 représente la partie inférieure de la sonde, dans laquelle on a monté au-dessus du trépan 1 l'obturateur 2. L'obturateur comprend un adapteur 3,connecté par son bout supérieur aux tiges de forage 4, et un siège 5 sur lequel est posé un carottier 6. Dans le corps 7 de l'obturateur est placé un piston 8 avec une tige dégagée 9. Ce piston constitue avec le corps et la tige 9 une chambre tampon 10 avec des garnitures d'étanchéité 11 et 12, qui peut être remplie d'huile à machines ou d'un autre liquide quelconque non agressif. La tige 9 est accouplée au trépan 1 et comporte sur sa partie dégagée une saillie circulaire 13. L'élément obturateur est constitué par des manchons de caoutchouc 14 enfilés sur la tige 9 et serrés entre le corps 7 et la saillie circulaire 13 de la tige 9 quand le piston se déplace par rapport au corps. La poussée sur le trépan est transmise par les tiges de forage 4 et l'adapteur 3, lequel transmet l'effort au corps 7, qui est maintenu en position haute par une force égale à la différence entre la pression hydrostatique régnant dans le puits et agissant sur le corps, et la pression régnant dans la chambre tampon 10. Au cours du forage, la poussée sur le trépan ne doit pas dépasser la force de retenue de la chambre tampon 10. Le couple est transmis au trépan par l'assemblage à cannelures 15 du corps 7 et de la tige 9 dans la chambre 10. La circulation de la boue s'effectue par les canaux 16 et 17 du carottier 6, l'espace annulaire entre le corps du carottier 6 et la tige 9, et ltespace annulaire entre le corps du carottier 6 et le trépan I d'où la boue sort dans l'espace entourant la sonde (la circulation de la boue est montrée par des flèches). La pression différentielle au canal 16 maintient le carottier en position basse. Après achèvement du forage, le carottier 6 avec la carotte est saisi au moyen d'un instrument de repêchage par la tête 18 et remonté au jour. La fig. 2 représente l'organisation d'une sonde avec le dispositif pour l'essai des couches. A cet effet, à la place du carottier 6, on laisse tomber dans les tiges de forage un préleveur 19, qui vient porter sur le siège 5. Le canal 20 du préleveur est mis en coincidence avec le canal 21 du siège 5. L'outil est amené au front d'attaque du puits. Le puits n'est pas encore obturé et la soupape d'admission du préleveur n'est pas encore ouverte. La fig. 3 représente l'organisation d'une sonde à l'étape suivante de fonctionnement du dispositif pour l'essai de couches, quand le puits est obturé, mais la soupape d'admission du préleveur n'est pas encore ouverte. Pour étanchéifier la zone du puits au-dessous de l'obturateur, on transmet à la partie inférieure de la sonde 4 une poussée axiale égale à la force de retenue de la chambre 10 et à la force de serrage des manchons en caoutchouc 14. Le déplacement du corps 7 par rapport à la tige 9, qui se produit alors, provoque la mise en dépression de la chambre 10 et la mise en communication du canal des tiges de forage avec l'espace entourant les tiges par l'intermédiaire des canaux 22, 23 et l'écartement annulaire entre le corps 7 et le préleveur 19. Au cours de l'obturation, la douille d'appui 24 descend jusqu'à buter contre la saillie circulaire 13 ; il s'ensuit que le manchon en caoutchouc inférieur 14 placé sur la douille d'appui 24 s'élargit jusqu'à un diamètre proche de celui du puits et obture l'espace annulaire entre ledit puits et ce manchon. Ensuite, la poussée axiale n'est encaissée que par la douille d'appui 24. De la sorte, on protège contre les dégradations le manchon en caoutchouc supérieur 14 qui encaisse de grandes charges mécaniques et hydrauliques lors de l'essai des puits. La fig. 4 représente l'organisation d'une sonde avec le dispositif pour l'essai des couches à l'étape suivante de fonctionnement du dispositif, quand un échantillon est prélevé dans la couche par le préleveur. A cet effet, on rétablit la circulation de la boue. La boue passe par l'espace annulaire entre la sonde 4 et le préleveur 19, puis par les canaux 22, 23 et sort dans l'espace autour de la sonde. Les canaux 22 et 23 font apparattre, grâce à leur résistance, une pression différentielle de la boue se trouvant dans l'espace mentionné et dans l'espace autour de la sonde. La boue de l'écartement annulaire passant par le canal 25 agit sur le tiroir 26 et, en surmontant l'effort du ressort 27, elle déplace ce tiroir vers le bas jusqu'à buter.Les canaux 28 et 29 sont alors mis en communication ; l'échantillon de fluide de la couche passe à travers le filtre 30 et par les canaux indiqués 29 et 28, pour entrer dans la chambre 31. Au cours de l'arrivée du fluide de la couche, le manomètre de fond 32 enregistre la montée de pression dans la chambre du préleveur 19. Après prélèvement de l'échantillon, on arrête la circulation de la boue ; sous l'action du ressort 27, le tiroir 26 revient à sa position haute, comme montré sur la fig. 3, et isole l'e- chantillon prélevé. Les canaux 22, 20, 21 et 29 mettent en communication l'espace au-dessus de l'obturateur avec l'espace audessous de l'obturateur et la pression s'égalise dans ces espaces. On remonte un peu la sonde. Le corps 7 revient à sa position initiale, comme représenté sur la fig. 2. L'obturateur rétablit complètement la communication. On descend dans les tiges un instrument de repêchage accroché à un câble et on remonte le préleveur 19 au jour après l'avoir saisi par la tête 33. S'il n'est pas nécessaire de faire un second essai de la couche, on continue le forage avec prélèvement de la carotte jusqu'à la perforation et l'essai du niveau suivants, la sonde étant organisé comme représenté sur la fig. 1. La fig. 5 représente l'organisation d'une sonde avec l'ob- turateur du dispositif dans le cas de forage au rotary sans prélèvement de carotte. Dans ce cas, on connecte à l'obturateur un trépan 34 pour le forage à pleine section, et on monte au-dessus du trépan un clapet de retenue 35 permettant de refouler le liquide à travers le trépan, mais s'opposant au passage du fluide de la couche aux tiges en cas d'éruption. On obtient ainsi des conditions favorables pour la prévention des éruptions de gaz ou de liquide par l'espace autour du tube. A cet effet, on arrête le forage et, immédiatement, par l'action du poids de la sonde, on serre les manchons en caoutchouc 14 de l'obturateur 2,qui isolent la couche. En refoulant de la boue par le train de tiges, on étouffe la couche et on prend toutes les mesures nécessaires. Un avantage important du dispositif proposé consiste en ce qu'il permet d'exécuter l'essai des couches dans un petit intervalle (1,5 à 2 m) lors du turboforage, qui est le procédé de forage le plus avancé, sans montée de la carotte. Cela est obtenu grâce au fait que l'obturateur est placé au-dessous de la turbine et qu'il est doté d'une garniture d'étanchéité spéciale. Il n'est alors pas nécessaire d'apporter des modifications à la construction du trépan à la turbine. En outre, l'obturateur du dispositif permet d'exécuter le turboforage avec un carottier amovible, avec prélèvement de la carotte. La fig. 6 représente l'organisation d'une sonde avec l'obturateur du dispositif dans le cas de turbo forage avec prélèvement de la carotte. Pour préparer l'outil de forage à la turbine, il faut dévisser l'adapteur 3 et le siège 5 employés pour le forage au rotary (cf. fig. 1). Dans le logement du piston 8 (fig. 6), on place un joint d'étanchéité 36 à lobes et un ressort 37, puis on connecte au corps 7 de l'obturateur 2 l'adapteur 38 que l'on accouple à l'arbre 39 de la turbine 40. A la partie supérieure de la turbine, on connecte l'adapteur d'appui 41. A l'intérieur de l'outil, on place un carottier 42. L'outil organisé,comme représenté sur la fig. 6, est descendu en bout du train de tiges 4 pour le carottage. Au cours du forage, le liquide de circulation passe par les canaux 43 et 44 du carottier pour arriver à la turbine 45 à étages multiples dans laquelle l'énergie hydraulique du courant de liquide se transforme en énergie mécanique de rotation de l'arbre de la turbine. Le liquide ayant cédé son énergie passe par les canaux 46, 47 et 48 pour aller au trépan 1 et, en passant à travers celui-ci, il arrive au front d'attaque.Le joint d'étanchéité 36 et le ressort 37 ne sont pas serrés pendant le forage ils restent à l'état libre. Après forage d'un intervalle déterminé, à l'aide d'un instrument de repêchage, on remonte le carottier 42 avec la carotte au jour. La fig. 7 montre l'organisation d'une sonde avec le dispositif au cours de l'essai d'une couche, après turboforage avec prélèvement de la carotte. Dans le cas considéré, on utilise le même préleveur 19 que dans le forage au rotary. Toutefois, audessus du filtre 30 du préleveur, on ajoute un tube de telle fa çon que le filtre 30 se trouve au-dessous du joint d'étanchéité 36. Après appui du préleveur 19, le canal 49 est en communication permanente avec l'espace autour de la sonde, via le canal 49, la turbine 45 et des rainures longitudinales (non représentées sur le dessin) du mamelon 50 de la turbine 40. L'outil est amené au front d'attaque et chargé par une poussée égale à la force de retenue de la chambre tampon 10 et de serrage des manchons en caoutchouc 14.Par suite dudéplacement du corps 7 par rapport à la tige 9, le ressort 37 se comprime et le joint d'é tanchéité 36, en s'élargissant, ferme l'espace annulaire entre la tige 9 et le préleveur 19, isolant ainsi la zone à essayer de la pression hydrostatique régnant dans l'espace autour de la sonde. Avec la pompe à boue, onrétablit la circulation de la boue à travers le canal du raccord 51. Toutes les opérations de prélèvement du fluide de la couche avec le préleveur se repètent suivant la même séquence que dans le forage au rotary. Après prélèvement de l'échantillon et remontée du préleveur, s'il n'est pas nécessaire de faire un second essai, le turboforage peut être continué jusqu'à ouverture du niveau suivant. S'il faut forer à pleine section à la turbine, on remplace le trépan 1 de carottage par un trépan 34 (fig. 5) pour forage à pleine section. Afin que, lors du forage, le courant de liquide circule à travers la turbine 45, on place sur l'adapteur d'appui 41 le même carottier 42, ou bien un tube raccourci, de longueur suffisante pour fermer le canal de l'arbre de la turbine. Pour prévenir les éruptions éventuelles de gaz ou de liquide, on peut monter au-dessus du trépan un clapet de retenue 35 (fig. 5). Un avantage important du dispositif proposé pour l'essai des couches consiste en ce qu'il permet d'utiliser en tant qu'élément d'étanchéité l'élément le plus fiable et le moins cher un manchon de caoutchouc. Le dispositif diffère avantageusement des dispositifs similaires en ce qu'il peut être employé aussi bien dans le forage au rotary avec prélèvement de la carotte, que dans le turboforage avec prélèvement de la carotte suivi des essais des niveaux traversés immédiatement après l'ouverture de la couche, sans remontée de la sonde. A la différence des autres dispositifs similaires, au cours du prélèvement de l'échantillon, quand la sonde avec l'obturateur est immobile, le dispositif proposé permet de réaliser la circulation de la boue au-dessus de l'obturateur et de diminuer ainsi l'éventualité de coinçage du dispositif et de la sonde. Un autre avantage consiste en ce que, dans le cas d'une éruption de liquide ou de gaz pendant le forage, l'obturateur peut immédiatement fermer la zone attenante au front d'attaque, permettant de liquider le jet d'échappement et de prévenir les avaries en chargeant la sonde. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATION Dispositif pour l'essai de couches de forage comprenant un obturateur (packer), comportant un corps relié au train de tiges et un élément obturateur, et un préleveur avec une chambre pour la réception du fluide de la couche, ce préleveur étant transporté à l'intérieur du train de tiges, caractérisé en ce que dans le susdit corps (7) est disposé un piston (8) qui forme avec ce corps une chambre tampon (10) étanche, ce piston (8) ayant une tige (9) sortant du corps (7), accouplée à l'outil de forage (1 ou 34) et portant sur sa partie dégagée une saillie circulaire (13), et en ce que l'élément obturateur se présente sous la forme d'au moins un manchon (14) en matière élastique, ce manchon (14) étant serré entre le corps (7) et la saillie circulaire (13) de la tige (9) quand le piston (8) se déplace par rapport au corps (7), lorsque la poussée axiale sur l'outil (1 ou 34) est plus grande que la différence entre les efforts sur le corps (7) dus à la pression hydrostatique régnant dans le puits et à la pression régnant dans la chambre tampon (10), alors que le susdit manchon (14) n'est pas déformé lorsque la poussée axiale sur l'outil de forage (1 ou 34) est plus petite que la différence entre les efforts mentionnés.