Brevet FR2162311A1 — publié le 19730720

La présente invention concerne d'une manière générale les trains rotatifs de tiges destinés au forage de puits de pétrole et de puits de gaz. Plus particulièrement, elle concerne des perfectionnements aux outils qui sont montés dans un train de tiges afin d'augmenter la rapidité du forage. Pendant le forage des puits de pétrole ou de gaz, on met en circulation un fluide lourd connu sous le nom de "boue" de forage qui descend par le train de tiges, sort par le trépan monté à l'extrémité inférieure du train et remonte par l'anneau situé entre le train et la paroi du puits En particulier, la boue facilite la circulation des débris du puits ainsi que leur remontée à la surface et elle règle la pression que la formation exerce à l'intérieur du puits Bien qu'elle soit nécessaire pour le forage d'un puits, la boue réduit la rapidité avec laquelle il peut être foré et augmente considérablement, de ce fait, les dépenses.En particulier, la pression hydrostatique que la boue exerce produit une différence de pression dans la roche ou dans toute autre matière de la formation, à l'extrémité inférieure du puits, de sorte qu'il est difficile de tacher cette matière par le trépan. On a proposé, par exemple de la manière décrite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 2 352 412 et N 2 794 617, d'accroitre la rapidité du forage par un outil monté dans le train de tiges et comportant des aubes destinées à tourner avec le train et disposées en spirale de manière à exercer sur la boue l'effet d'une hélice ou d'une vis à l'intérieur de laimèau. En conséquence, si le train de tiges tourne à une vitesse suffisante par rapport à la vitesse de circulation de la boue dans l'anneau, les aubes réduisent la pression hydrostatique que la boue exerce à ;'extrémlté inférieure du puits. ta réaction, orientée vers le bas, qu'exerce la boue sur les aubes augmente également la rapidité du forage par un accroissement de la charge qui s'exerce sur le trépan. Cependant, pour acrotre le rendement de ces outils, il serait nécessaire d'augmenter la vitesse de rotation du train et, en conséquence, d'accroître le couple qui s'exerce sur celui-ci au point de risquer de tordre et de rompre le train de tiges . Donc, en pratique, le rendement de ces outils antérieurs est imprévisible et dans tous les cas il est assez faible. L'invention concerne un outil de ce type qui est beaucoup plus efficace et, plus particulièrement, dans lequel la vitesse de rotation des aubes n'est pas limitée à lavitesse de rotation du train. Il ne nécessite aucune source d'énergie au fond du trou de sonde ni, de ce fait, aucune ligne de transmission le long du train. Son fonctionnement ne provoque que peu ou pas du tout d'augmentation du couple qui exerce sur le train de tiges. Selon une particularité essentielle de l'outil de l'invention, au moins une saillie en spirale, telle qu'une aube est disposée sur la surface extérieure d'un corps qui, à son tour, est monté de manière à tourner autour d'un élément qui peut etre relié au train de tiges afin de tourner avec lui. L'outil relie les extrémités supérieure et inférieure de l'élé- ment à l'alésage du train de tiges, de sorte que le fluide de forage peut circuler et descendre jusqu'au trépan. Le corps est entrainé en rotation par rapport à l'élément, dans un une sens te gue l'aube fonctionne comme ,/ hélice ou une vis et réduit, de ce fait, la pression hydrostatique que le fluide de forage exerce à l'intérieur de l'extrémité inférieure de l'an- neau.L'aube peut tourner à une vitesse qui est essentiellement indépendante dè la vitesse de rotation du train, de sorte qu'il est possible de diminuer la pression hydrostatique que le fluide exerce à l'extrémité inférieure du puits foré sans accroissement important du couple, de manière à augmenter la rapidité du forage par rapport à la rapidité qu'il était possible d'obtenir avec des outils antérieurs de ce type. De préférence, le corps comprend un manchon espacé de l'élément afin de ménager un canal annulaire entre eux. Des canaux situés aux extrémités supérieure et inférieure de l'élé- ment sont reliés au canal annulaire de manière à le relier à l'alésage du train de tiges, au-dessus et au-dessous de l'outil, afin d'y faire circuler la boue de forage. Plus particulièrement, des organes de l'élément et du corps, tels que des aubes de turbine, font tourner le corps simplement du fait de la circulation de la boue dans le canal annulaire. L'outil comprend aussi de pfeférence deux manchons disposés l'un au-dessus de l'autre et des canaux de l'élément relient les canaux annulaires intérieurs des deux manchons l'un à l'autre ainsi qutà l'alésage du train de tiges. Les aubes en forme d'hélice du manchon et les aubes de turbine ou bien d'autres organes du manchon et de l'élément sont disposés en opposition, de manière que les manchons'tournent en sens opposés. En conséquence, les réactions que la boue exerce sur les aubes ou pales d'hélice des deux manchons sont de sens opposés, de sorte que l'accroissement de couple nécessaire produit par un manchon est compensé au moins partiellement par l'accroissement de couple produit par l'autre. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé qui donne à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin la figure 1 est une coupe longitudinale d'un train de tiges comportant un outil selon la présente invention, disposé dans un puits de forage la figure 2 est une vue de détail à grande échelle des rangées voisines d'aubes de turbine de l'élément intérieur et du manchon supérieur et extérieur de l'outil ; et la figure 3 est une vue de détail à grande échelle des aubes de turbine de l'élément intérieur et du manchon inférieur et- extérieur de l'outil. La figure 1 représente l'extrémité inférieure d'un train de tiges, indiqué dans son ensemble par la référence numérique 10, à l'intérieur d'un puits de forage ll qui peut descendre jusqu'à une profondeur importante en dessous de la surface de la terre. Le train de tiges est constitué par plusieurs éléments tubulaires comprenant une masse-tige 12 et un trépan 13 montés au-dessus et au-dessous de l'outil qui, lui-même, est indiqué dans sa totalité par la référence numérique 14. Il est évident que cette disposition ne constitue qu'un exemple de la mise en oeuvre de la présente invention et les spécialistes du forage comprendront que l'outil 14 peut être disposé plus haut dans le train de tiges. Dans tous les cas, la périphérie extérieure du train est espacée du puits 11, de manière à ménager un anneau A par lequel il est possible de faire remonter la boue de forage à la surface. Comme on le verra ci-après, l'outil relie les alésages de la masse-tige 12 et du trépan 13 de sorte que la boue peut descendre et sortir par le trépan dans lanneau. Un appareil bien connu (non représenté) disposé à la surface du sol imprime un mouvement de rotation au train de tiges. L'outil 14 comprend un élément 15 qui est disposé d'une façon continue entre la jonction de son extrémité supérieure et de la masse-tige 12 et son extrémité inférieure réunie au trépan 13, de manière à transmettre un couple de la masse-tige 12 au trépan 13. Un filetage femelle 16 de l'extrémité supérieure de l'outil est destiné à être vissé sur un filetage måle de 11 extrémité inférieure de la masse-tige 12. L'extrémité inférieure de l'outil comporte également un filetage femelle 17 destiné à être vissé sur un filetagemâle de l'extré- mité supérieure du trépan 13. l'élément 15 comporte des parties supérieure et inférieure 15A et 153 dont le diamètre extérieur est réduit et qui sont séparées par un élément central 15C dont le diamètre extérieur est sensiblement le même que le diamètre des extrémités supérieure et inférieure de l'élément 15. Un manchon 16A espacé de l'élément est disposé autour de sa partie supérieure 15A et , de même, un manchon 16B espacé de l'élément est disposé autour de sa partie inférieure 153.Comme on le voit sur la figure 1, les deux manchons ont chacun sensiblement la même longueur que la partie de diamètre réduit qu'il entoure et leur diamètre extérieur est sensiblement le même que celui des extrémités supérieure et inférieure de l'élément 15. I1 est évident que les manchons peuvent être séparés longitudinalement, ou bien que les extrémités supérieure et inférieure de l'élément 15 peuvent être séparées de ses parties de diamètre réduit, de façon à permettre l'assemblage des manchons autour des parties de dimensions réduites. L'extrémité inférieure du manchon supérieur rotatif 16A est supporté par un palier 17 qui repose sur la partie centrale 15C. L'extrémité inférieure du manchon rotatif l6B est supportée par un palier 18 qui repose sur l'extrémité supérieure de l'extrssm-te inférieure de l'élément 15. Comme on le verra plus loin, le manchon 16A est destiné à tourner vers la droite et le manchon 163 vers la gauche, alors que le train de tiges luimeAme tourne vers la droite. Comme on le voit sur la figure 1, deux pales d'hélice en spirale, 28 et 29, sont disposées autour du manchon supérieur 16A et deux pales d'hélice en spirale, 30 et 31, sont disposées autour du manchon inférieur 16B. Plus particulièrement, les pales de chaque manchon sont espacées l'une de l'autre de 1800 et chacune d'elles est disposée approximativement sur un tour complet autour du manchon.Les bords extérieurs des pales orientés vers l'extérieur des manchons vont presque jusqu'à la paroi du puits ll de manière à exercer une pression hydrostatique sensiblement sur la totalité de la boue se trouvant à l'extrémité inférieure de l'anneau. Bien entendu, en variante, les pales peuvent être orientées vers l'extérieur jusqu'à une gaine logée étroitement dans le puits, et le terme "anneau", tel qu'il est utilisé dans le présent mémoire, concerne un anneau situé soit entre les manchons et la paroi du puits, soit entre les manchons et une gaine. Bien que les pales tendent à maintenir l'outil concentriquement dans le puits, de préférence un ou plusieurs centreurs sont montés sur I'outil, comme on le voit par exemple en 32, autour de ltextrémité supérieure de l'élément 15. Comme on l'a vu plus haut et comme on le voit sur la figure 1, les pales d'hélice 28 et 29 sont en spirale dans un premier sens, tandis que les pales 30 et 31 sont en spirale en sens opposé. Plus particulièrement, les pales 28 et 29 sont en spirale dans une direction qui tend à propulser la boue vers le haut à l'intérieur de l'anneau lorsque le manchon 16A tourne vers la droite, tandis que les pales 30 et 31 sont en spirale dans une direction qui tend à propulser la boue de forage vers le haut lorsque le manchon 163 tourne vers la gauche. Une bague d'étanchéité 19, portée par la périphérie intérieure de l'extrémité supérieure du manchon 16A, rend étanche ltextrémité supérieure de la partie 15A et une bague d'étant chéité 20 portée par la périphérie intérieure de l'extré- mité inférieure du manchon 16A entoure et rend étanche l'ex- trémité inférieure de cette partie, de façon à former un canal annulaire 21, entre la partie 15A et le manchon 16A.De même, une bague d'étanchéité 22 portée par la périphérie intérieure de l'extrémité supérieure du manchon 163 et une bague Q'étanchéité 23 portée par la périphérie intérieure de son extrémité inférieure, entourent et rendent étanches les ex extrémités supérieure et inférieure de la partie 15B, afin de former un canal annulaire 24 entre l'élément 15B et le manchon 163. Un conduit 25 de l'extrémité supérieure de l'élément 15 forme un prolongement lisse de l'alésage du train de tiges 12 à son extrémité supérieure et il se divise à son extrémité inférieure afin de se relier au canal annulaire 21. Un conduit 26 de la partie intermédiaire de l'élément 15 se divise à son extrémité supérieure qui est reliée à l'extrémité inférieure du canal annulaire 21 et il se divise à son extrémité inférieure qui est reliée à l'extrémité supérieure du canal annulaire 24. Un autre conduit 27 de l'extrémité inférieure de l'élément 15 se divise à son extrémité supérieure qui est reliée à l'extrémité inférieure du canal annulaire 24 et il constitue un prolongement lisse de l'alésage du trépan 13.De ce fait, et comme indiqué précédemment, les canaux passant par l'outil 14 relient les alésages du train de tiges situé au- dessus et au.dessous de l'outil. Plusieurs rangées d'aubes de turbine 35 sont disposées à des emplacements espacés verticalement le long de la partie supérieure 15A de l'élément 15. De même, plusieurs rangées d'aubes de turbine 36 sont disposées à des emplacements espacés verticalement autour de la surface interne du manchon 16A. Plus particulièrement, les rangées d'aubes 35 et 36 sont disposées alternativement et se chevauchent à l'intérieur du canal annulaire 21 de manière à constituer plusieurs turbines. Comme on le voit sur la figure 2, les aubes 35 de la partie 15A de l'élément sont inclinées par rapport à l'axe vertical de ce dernier,-de sorte qu'elles sont déplacées dans le sens des aiguilles d'une montre lorsque la boue de forage s'écoule vers le bas dans le canal 21. Au contraire, les aubes 36 du manchon 16A sont inclinées en sens opposé, de sorte que la réaction que la boue exerce contre elles est orientée dans un sens de rotation opposé. De ce fait, lorsque la boue de forage s'écoule vers le bas dans le canal annulaire 21, elle fait tourner le manco 1ZA vers la droite par rapport à l'élément 15. De même, les aubes de turf ne 37 sot disposées dans des rangées espaces verticalement autour de la partie inférieure 15B de l'41ézbnt et les aubes de turbine 38 sont disposées dans des rangées espacees verticalement autour de la surface inférieure du manchon 16B, les rangées d'aubes 37 et 38 se chevauchant et alternant verticalement. Cependant, à la différence des aubes 35 et 36, les aubes 37 et 38 sont disposées de manière que le manchon 16B tourne vers la gauche lorsque la boue de forage s'écoule vers le bas dans le canal 24. En conséquence, les aubes 37 sont inclinées en sens opposé des aubes 35, et les aubes 38 sont inclinées en sens opposé des aubes 36. Dans le mode de réalisation de l'invention qui est représenté, les capacités des turbines situées dans les canaux annulaires 21 et 24 sont égales de sorte que chaque manchon 16A tourne d'une façon générale à la même vitesse par rapport à l'élément 15 et, de ce fait, fonctionne sensiblement avec le même rendement. Cependant, la vitesse du manchon supérieur 16A par rapport au puits de forage est supérieure à la vitesse relative du manchon inférieur 16B, de sorte que le couple antagoniste du manchon inférieur 16B ne compense pas complètement l'accroissement de couple dû au manchon 16A. Cependant, le manchon inférieur 16B réduit au moins l'accroissement de couple nécessaire que le manchon 16B imposerait autrement au train de tiges. De plus, on voit que la capacité de la turbine inférieure peut être augmentée de manière qu'elle compense entièrement le couple, ou même qu'elle produise un couple supérieur au couple de compensation nécessaire. On voit d'après ce qui précède que la présente invention permet d'obtenir tous les buts indiqués plus haut et qu'elle offre de nombreux avantages. I1 va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif, et et qu'elle est susceptible de diverses variantes. REVENDICATIONS 1.- Outil de forage rotatif, caractérisé en ce qu'il comprend un élément destiné à être monté dans un train de tiges tubulaires afin de tourner avec celui-ci dans un puits de forage, un corps, disposé autour de l'élément, portant sur sa surface extérieure au moins une saillie en spirale, les extrémités supérieure et inférieure de l'élément étant reliées cha cune par un organe convenable à l'alésage du train de tiges afin de permettre la descente du fluide de forage et un dispositif étant destiné à faire tourner le corps par rapport à l'élément dans un sens tel que la saillie réduise la pression hydrostatique que le fluide de forage exerce dans l'anneau en dessous d'elle. 2.- Outil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps comprend un manchon espacé de l'élément et disposé autour de lui, de manière à ménager entre eux un canal annulaire, les organes de liaison comprenant des canaux de l'extrémité supérieure et de l'extrémité inférieure de l'élé- ment, reliés au canal annulaire et le dispositif faisant tourner le manchon comprenant des organes situés sur l'élément et le manchon et commandés par la circulation du fluide de forage par le canal annulaire. 3.- Outil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif faisant tourner le manchon comprend des aubes de turbine situées sur l'élément et sur ce manchon. 4.- Outil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un second corps est disposé autour de l'élément, en dessous du premier, et porte, sur sa surface extérieure, au moins une saillie en spirale de sens opposé au sens de la saillie du premier corps, un dispositif faisant tourner le second corps par rapport à l'élément en sens opposé à celui dans lequel tourne le premier corps, de façon que la saillie du second corps réduise également la pression hydrostatique que le fluide de forage exerce dans l'anneau, en dessous de ladite saillie. 5.- Outil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les corps sont deux manchons dont chacun est espacé de l'élément et dispose autour de lui, l'un au-dessus de l'autre, de manière à ménager un canal annulaire entre eux et l'élément, les organes de liaison étant des canaux réalisés dans l'élément et reliés aux canaux annulaires situés entre les manchons et ce dernier, les dispositifs destinés à faire tourner le manchon comprenant des organes montés sur l'élément et sur chaque manchon, ces organes étant commandés par le passage du fluide de forage par le canal annulaire entre le manchon et 1 'élément. 6.- Outil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif faisant tourner le manchon comprend des aubes de turbine situées sur l'élément et sur chaque manchon.