Brevet FR2271378A1 — publié le 19751212

La présente invention concerne les matériels de forage, et notamment les turboforeuses employées pour forer les puits de pétrole et de gaz. L'invention peut être appliquée aussi bien au forage par trépans à molettes à grandes chutes de pressions, c'est-à-dire par trépans du type à jets, qu'au forage par trépans à petites chutes de pressions. Les turboforeuses connues, utilisées dans la pratique du forage, ne conviennent pas au forage par trépans à jets, car, jusqutà présent, il s'avérait impossible de réaliser une garniture du presse-étoupe qui serait fiable sous de hautes chutes de pressions. On connatt une turbo foreuse à corps tournant dans lequel sont superposées trois turbines hydraulíques multiétagées marchant en série et entratnant le trépan. Les turbines sont réalisées pour des vitesses différentes. La première turbine traversée par le fluide venant des tubes de forage est une turbine rapide, la suivante est une turbine à vitesse moyenne et la dernière est une turbine lente, toutes les trois turbines marchant avec un même débit de fluide C omm e I a turboforeuse connue a un corps tournant, la garniture du presse-étoupe est située à sa partie supérieure, au-dessus de l'endroit où le fluide entre dans la turbine rapide. Une telle disposition de la garniture du presse-étoupe doit etre rapportée aux inconvénients de la conception, car la garniture doit travailler sous une chute de pression égale à la somme des chutes de pressions dans les turbines et le trépan. Or, on sait que, même dans le forage par trépans normaux à molettes, travaillant sous des chutes de pressions faibles, les presse-étoupes des turboforeuses sont rapidement mis hors d'usage. Pour cette raison, l'emploi sur cette turboforeuse de trépans à jets travaillant sous de tres hautes chutes de pressions est pratiquement impossible. En outre, dans la turboforeuse connue, la pompe à boue doit surmonter, outre les résistances nuisibles du train de tiges et de l'espace annulaire, les chutes de pressions dans les turbines et dans le trépan, ce qui augmente la pression dans la conduite de refoulement des pompes. Il est à noter aussi que la présence, dans cette turbo foreuse, de turbines à vitesses différentes, mais marchant avec le meme débit de fluide, n'améliore pas les performances énergétiques de la turboforeuse et ne donne pas la possibilité de forages mettant en oeuvre de grandes chutes de pressions au trépan (brevet de Roùmanie nO 1.514.954 de 1958). On connait des tentatives de création d'une turboforeuse dans laquelle le flux de fluide serait divisé en un flux à haute pression et un flux à basse pression pour la réalisation de l'effet de jetsau trépan sans augmentation supplémentaire de la pression dans la conduite de refoulement de la pompe à boue. Toutefois, une telle turbin a aussi ur trie i--convénients ne permettant pas d'obtenir l'effet nécessaire. Dans une telle turboforeuse, une partie du lux va à la turbine, tandis que l'autre va au trépan sans passer par la turbine, à travers l'arbre creux. La partie du flux détendue dans la turbine est aussi dirigée vers le trépan, un presse-étoupe étant prévu à cet effet dans la partie inférieure de la turboforeuse. Par conséquent, les deux flux à haute et à basse pressions se mélangent dans le trépan, ce qui, primo, abaisse l'efficacité des jets et, secundo, implique la fabrication de trépans spéciaux avec des canaux pour les jets à haute et à basse pressions. En outre, l'admission à la turbine drune partie seulement du flux conduit aux phénomènes indésirables suivants. Si la turbine utilisée est lente, les couples produits à l'arbre de la turboforeuse sont limités et, par conséquent, on est obligé de forer avec de faibles charges axiales sur le trépan, ce qui est extrêmement défavorable dans le cas de trépans à molettes. Si la turbine utilisée est rapide, produisant un couple élevé à l'arbre, la vitesse de rotation est élevée ce qui est désavantageux dans le cas de trépans à molettes (brevet français n" 1.224.842). Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. On s'est proposé de créer une turboforeuse dans laquelle la disposition relative des turbines et les caractéristiques énergétiques des turbines seraient telles qu'elles permettraient, sans augmentation supplémentaire de la pression dans la conduite de refoulement de la pompe à boue, defimettre en oeuvre de hautes pressions différentielles au trépan, en assurant ainsi un effet de jets efficaces sans recours à un presse-étoupe, avec des vitesses de rotation du trépan relativement faibles et des charges axiales élevées sur le front de taille. Le but principal de la présente invention est de créer une turboforeuse permettant de mettre en oeuvre une grande chute de pression au trépan sans augmentation notable de la pression dans la conduite de refoulement de la pompe à boue. Un autre but de l'invention est de créer une turboforeuse permettant de forer avec de faibles vitesses de rotation du trépan et une charge axiale élevée sur le front de taille. Encore un autre but de l'invention est de créer une turboforeuse qui fonctionne avec un effet de jets sans recours à un presse-étoupe. Les buts indiqués et d'autres buts sont atteints au moyen d'une turboforeuse dans laquelle sont superposées au moins deux turbines hydrauliques multiétagées à vitesses différentes, marchant en série pour entraîner le trépan, dans laquelle, d'après l'invention, le fluide venant des tubes de forage traverse d'abord une turbine lente et/ou des étages de freinage hydro dynamique, montés sur un arbre plein et recevant tout le flux de fluide, puis le fluide arrive à une turbine rapide pouvant mettre en oeuvre une haute chute de pression et produire un couple élevé sur l'arbre, cette turbine étant montée sur un arbre creux et un dispositif monté devant son entre assurant la division du flux de fluide issu de la turbine lente en deux flux, dont va va à la turbine rapide et le second au trépan via son arbre creux. Les turbines sont dites rapides ou lentes selon la vitesse périphérique du rotor au régime d'accélération avec un débit de 1 dm3/s. La disposition relative des turbines, telle que le fluide traverse en premier lieu la turbine lente et en dernier lieu la turbine rapide, ainsi que 18 marche de la première turbine à plein débit du flux et de la seconde, produisant des couples élevés, sur une partie de ce débit, permettent d'obtenir un couple élevé et une vitesse de rotation relativement basse de l'arbre de la turboforeuse, ce qui est acceptable pour les trépans à molettes. La division du fluide, arrivant à la turboforeuse, en deux flux, dont l'un traverse la turbine rapide, passant ensuite à travers les orifices du corps de la turboforeuse et allant directement dans ltespace annulaire entre le corps de la turboforeuse et la paroi du puits, et l'autre est dirigé directement via l'arbre creux vers le trépan, permet de réaliser une turbo foreuse sans avoir recours aux garnitures du presse-étoupe et d'obtenir un effet de jetsau trépan sans augmentation notable de la pression dans la conduite de refoulement dela pompe à boue. La solution la plus simple au point de vue conception et technologie est de réaliser le dispositif, divisant le flux total de fluide en deux ux flux, sous la forme d'un manchon accouplant l'arbre de la turbine lente et/ou des étages de freinage hydrodynamique, à l'arbre de la turbine rapide pour additionner les couples des turbines transmis au trépan. Dans ce cas, le demi-manchon fixé à l'arbre plein est doté d'orifices pour la déviation d'une partie du flux de fluide, sortant de la turbine lente, vers l'arbre creux de la turbine rapide. Etant donné que les manchons d'accouplement des arbres des turboforeuses sont des éléments obligatoires, le plus avantageux au point de vue technologie est de les utiliser pour la division du flux, d'autant plus qu'ils sont interchangeables. Pour le forage aux grandes profondeurs, il est avantageux d'ajouter à la turbine lente des étages de freinage hydraulique, dans lesquels les aubes des stators et des rotors ont des angles d'entrée et de sortie égaux et font le même angle avec le plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse. Pour de très grandes profondeurs, il est avantageux que tous les stators et rotors montés sur l'arbre plein soient réalisés avec des aubes à angles d'entrée et de sortie égaux et faisant le méme angle avec le plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse. L'utilisation de tels stators et rotors permet de régler dans une plage étendue la vitesse de rotation de l'arbre de la turboforeuse et de choisir le régime de travail du trépan le plus avantageux, selon la profondeur du puits, le type du trépan, le caractère des roches à forer et les propriétés du fluide de circulation. Dans la turbine rapide, les angles de sortie des aubes des stators et des rotors, par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse, doivent etre plus petits que les angles correspondants dans la turbine lente. I1 est avantageux aussi que les hauteurs radiales des aubes de la turbine rapide soient plus petites que celles de la turbine lente. Ceci résulte, d'une part, de la nécessité d'avoir un arbre creux de diamètre aussi grand.que possible et, d'autre part, du fait que, pour des turbines dont les aubes ont par rapport aux rotors et aux stators, des angles de sortie prédéterminés, la diminution de la hauteur radiale des aubes accrott la chute de pression dans la turbine, ce qui permet de mettre plus facilement en oeuvre les chutes de pressions élevées, nécessaires à l'action efficace des trépans à jets. Afin d'augmenter la chute de pression pouvant être mise en oeuvre dans le trépan à jets quand la vitesse de rotation de ce trépan baisse, il est avantageux que les angles d'entrée et de sortie des aubes des rotors et des stators de la turbine rapide soient presque égaux. Dans les turbines dont les aubes ont un tel profil, la chute de pression augmente quand la vitesse de rotation de l'arbre de la turboforeuse diminue. Le débit de fluide de circulation, qui est alors admis aux buses du trépan à jets, devient plus grand. Il en résulte une augmentation de la chute de pression au trépan, ce qui accrott l'efficacité des jets. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description détaillée d'un exemple de réalisation concret et par des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente la vue d'ensemble d'une turboforeuse conforme à l'invention, en coupe longitudinale (les deux parties de la turboforeuse représentée sur la figure se joignent suivant la ligne I-L) ; r la figure 2 représente un stator et un rotor de la turbine lente, en coupe longitudinale ;; - la figure 3 représente le profil des aubes de stator de la turbine lente - la figure 4 représente le profil des aubes de rotor de la turbine lente , - la figure 5 représente un stator et un rotor dont les aubes ont des angles d'entrée et de sortie égaux et sont disposées sous le atme angle par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse, en coupe longitudinale ; - la figure 6 représente le profil des aubes d'un stator disposées à 900 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse ; - la figure 7est analogue à la figure 6} mais pour un rotor - la figure 8 représente un stator et un rotor de la turbine rapide, en coupe longitudinale - la figure 9 représente le profil des aubes d'un stator de la turbine rapide ;; et - la figure 10 est analogue à la figure 9, mais pour un rotor. L'invention a pour objet une turboforeuse pour le forage des puits de pétrole et de gaz, faisant partie d'une installation de forage qui, en outre, comprend des tubes de forage amenant à la turboforeuse le fluide de circulation refoulé par une pompe à boue. La turboforeuse comprend un corps 1 (figure 1) dans lequel sont superposées deux turbines hydrauliques multiétagées à vitesses de rotation différentes, marchant en série. D'après l'invention, la première turbine recevant le fluide de circulation amené par les tubes de forage (non représentés sur le dessin) est la turbine lente 2, dont le rotor est calé sur un arbre plein 3; à-l'aide d'un écrou 4. L'arbre 3 est maintenu dans le corps 1 à l'aide de paliers radiaux 5. La turbine lente 2 est traversée par le flux total de fluide de circulation refoulé vers la turboforeuse. Le fluide va ensuite, d'après l'invention, à la turbine rapide 6, montée sur l'arbre creux 7, accouplé au trépan 8. Devant l'entrée de la turbine rapide 6 est monté un dispositif qui divise le flux de fluide issu de la turbine lente 2 en deux flux. Le dispositif divisant le flux total de fluide en deux est constitué par un manchon, composé de deux demi-manchons 9 et 10 et accouplant les arbres 3 et 7 des deux turbines 2 et 6 respectivement, pour additionner les couples produits par ces turbines et transmis au trépan 8. Le demi-manchon 9 est fixé sur l'arbre plein 3 et a des orifices 11 qui mettent la cavité 12, séparant les turbines, en communication avec le canal 13 de l'arbre 7 de la turbine rapide 6 et qui dévient une partie du flux de fluide sortant de la turbine lente 2 vers l'arbre creux 7 de la turbine rapide 6. Les deux demi-manchons 9 et 10 constituent le manchon transmettant le couple de l'arbre plein 3 à l'arbre creux 7: Pour le forage aux grandes profondeurs, il faut que la turboforeuse et, par conséquent, le trépan 8, tournent à des vitesses basses. Dans ce cas, la turbine lente remplit deux fonctions, non seulement elle produit un couple à l'arbre plein 3, mais aussi elle limite la vitesse de rotation de la turbine rapide 6, en jouant le rôle de frein hydrodynamique. Selon la vitesse de rotation voulue du trépan 8, la turbine lente 2 peut avoir différents profils des aubes. Pour obtenir des vitesses de rotation moyennes, on réalise les aubes 14 du stator 15 et les aubes 16 du rotor 17 de la turbine lente 2 conformément aux profils montrés par les figures 3 et 4.qui se présentent sous la forme d'étages de freinage hydrodynamique dont la conception est connue. Pour obtenir des vitesses de rotation du trépan 8 plus basses, il faut monter sur l'arbre plein 3 un certain nombre d'étages dont les aubes 14 et 16 des stators 15 et des rotors 17 ont les profils montrés par les figures 3 et 4, les autres étages ayant des aubes 18 aux stators 19 et des aubes 20 aux rotors 21 de profil montré par les figures 6 et 7. Pour obtenir la vitesse la plus basse, il faut monter sur l'arbre plein 3 des stators 19 et des rotors 21 dont les aubes 18 et 20 ont les profils montrés par les figures 6 et 7. Sur les figures 3 à 10, la flèche A montre le sens de rotation de l'arbre de la turboforeuse, et la flèche B montre le sens de circulation du fluide. La turbine rapide 6 est réalisée de façon à mettre en oeuvre unS haute pression différentielle et à produire un couple élevé sur son arbre 7. A cet effet, dans la turbine 6, les angles h de sortie des aubes 22 des stators 23 et les angles a1 de sortie des aubes 24 des rotors 25 sont plus petites que les angles analogues a2 des aubes 14 des stators 15 et a2 des aubes 16 des rotors 17 dans la turbine lente 2. En outre, dans la turbine rapide 6, les aubes 22 et 24 ont des hauteurs radiales h1 (figure 8) plus petites que les hauteurs radiales h2 (figure 2) des aubes 14 et 16 dans la turbine lente 2. L'arbre creux 7 de la turbine rapide multiétagée 6 est composite. La partie de l'arbre 7 s'accouplant au trépan 8 représente une cartouche constituée par un corps 26, fixé au corps I de la turboforeuse à I'aide de mamelons de raccordement 27 et 28, et un arbre 29. L'un des bouts de l'arbre 29 est fileté pour l'accouplement au trépan 8 ; le second bout est accouplé à l'aide de demi-manchons 30 et 31 à l'arbre 32 qui constitue une autre partie de l'arbre 7 de la turbine 6. L'arbre 32 est accouplé à l'arbre 7 à l'aide de demi-manchons 33 et 34. Dans la cartouche est montée une butée multiétagée 35, encaissant la charge hydraulique due à la chute de pression aux turbines 2 et 6 et transmettant la charge axiale sur le front d'attaque 36. Dans le mamelon de raccordement 27 sont percés des trous 37, par lesquels le fluide détendu dans. la turbine rapide 6 sort dans le puits 38. La turboforeuse peut aussi etre réalisée de façon que le fluide détendu dans la turbine rapide 6 passe dans le puits 38 par l'espace annulaire 39 entre le corps 26 de la cartouche de la turboforeuse et ltarbre 29 de cette cartouche. Dans le cas de forage avec un trépan à jets, le flux de liquide admis à l'arbre creux 7 va directement au trépan, car les buses du trépan 8 sont'mises en communication direct e avec le canal de l'arbre 7 de la turbine 6. Dans ce cas, les sections de passage des buses du trépan à jets sont choisies de façon que la chute de pression dans le trépan corresponde à la chute de pression dans la turbine rapide 6. Dans le cas de forage avec un trépan conventionnel, on place à son entrée une buse interchangeable 40, à travers laquelle le fluide va au trou central du trépan. Le diamètre de la buse 40 est lui aussi choisi de façon à obtenir une chute de pression égale à celle de la turbine rapide 6. En fait, les diamètres des buses du trépan à jets, ou le diamètre de la buse interchangeable 40 placée à l'entrée d'un trépan conventionnel 8, déterminent la partie du débit total qui sera admise au trépan 8 à travers l'arbre creux 7, et la partie du débit qui traversera la turbine rapide 6 sans passer par le trépan 8. Dans la turbine rapide 6, les angles d'entrée a3 (figure 10) et de sortie a1 des aubes 22 des stators 23 (figure 8) sont sensiblement égaux, et les angles d'entrée a3 (figure 10) et de sortie 1 des aubes 24 des rotors 25 (figure 8) sont aussi sensiblement égaux. Dans ce cas, quand la vitesse de rotation de la turbine 6 baisse, la chute de pression qui s'y produit augmente elle aussi. C'est pourquoi, lors du forage avec une turboforeuse, l'augmentation de la charge sur le front d'attaque 36 (figure 1) provoquera une baisse de la vitesse de rotation du trépan 8, ce qui sera suivi par une modification de la distribution du débit entre la turbine 6 et le trépan 8. L'augmentation de la charge sur le front d'attaque, c'est-à-dire la baisse de la vitesse de rotation du trépan, sera suivie par l'arrivée d'une plus grande quantité de fluide au trépan, donc la chute de pression mise en oeuvre dans le trépan à jets deviendra plus grande. Etant donné que la turbine rapide 6 a en même temps un couple élevé (elle peut titre réalisée en deux sections, dont les corps sont accouplés par des mamelons de raccordement 41 et 42), même lorsqu'elle est traversée seulement par une partie du flux de fluide arrivant à la turboforeuse, on obtient à l'arbre creux 7 le couple élevé nécessaire pour l'action du trépan 8. En m8me temps, comme cette turbine est réalisée de façon à pouvoir mettre en oeuvre une pression différentielle élevée, elle joue aussi le rôle de garniture du presse-étoupe limitant la quantité de fluide allant au puits 38 sans passer par le trépan 8. La turboforeuse proposée fonctionne de la façon suivante. Le fluide moteur de circulation refoulé par les pompes à houes dans les tubes de forage traverse le raccord supérieur 43 de la turbo foreuse et entre dans la turbine lente 2 qui est traversée par le flux total de fluide. Le fluide sortant de la turbine lente 2 arrive dans l'espace entre les turbines, d'où une partie du fluide est déviée par le dispositif de division du flux vers l'arbre creux 7, tandis que l'autre partie du fluide va à la turbine rapide 6. Le fluide détendu dans la turbine sort dans le puits 38 par les trous 37, tandis que L'autre partie du fluide, arrivant par l'arbre creux 7, traverse la buse 40 du trépan 8 et sort au front d'attaque 36 du puits 38 où elle refroidit Ie trépan 8 et drou elle évacue les déblais en les entraînant vers la surface. Ce qui vient d'être dit permet de conclure que la turboforeuse faisant l'objet de l'invention produit un couple élevé à une vitesse de l'arbre limitée, tout en permettant d'opérer avec des trépans à jets à charge élevée sans exiger un accroissement notable de la puissance de la pompe à boue. En outre, une telle conception de la turboforeuse permet de la réaliser sans presse-étoupe à haute pression, car la fonction de ce dernier est remplie par la turbine rapide. REVENDICATIONS 1. Turboforeuse dans laqueUe sont superposées au moins deux turbines hydrauliques multiétagées à vitesses différentes, marchant en série pour entraîner le trépan, cette turboforeuse étant caractérisée en ce que le fluide venant des tubes de forage traverse d'abord une turbine lente et/ou des étages de freinage hydrodynamique, montés sur un arbre plein et recevant tout le flux de fluide, puis le fluide arrive à une turbine rapide pouvant mettre en oeuvre une chute élevée de pression et produire un couple élevé sur son arbre, cette turbine étant montée sur un arbre creux accouplé au trépan et un dispositif monté devant son entrée assurant la division du flux de fluide issu de la turbine lente en deux flux, dont l'un va à la turbine rapide et le second au trépan via son arbre creux. 2. Turboforeuse selon la revendication 1, caracterisée en ce que le dispositif divisant le flux total de fluide en deux flux est un manchon accouplant l'arbre plein de la turbine lente et/ou des étages de freinage hydrodynamique à l'arbre creux de la turbine rapide pour additionner les couples des turbines transmis au trépan, ce manchon comprenant un demi-manchon fixé à l'arbre plein et doté d'orifices pour la déviation d'une partie du flux-de fluide sortant de la turbine lente vers l'arbre creux de la turbine rapide. 3. Turboforeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans la turbine rapide, les aubes des stators et des rotors ont des angles de sortie plus petits que les angles analogues des aubes de la turbine lente. 4. Turboforeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les hauteurs radiales des aubes dans la turbine rapide sont plus petites que les hauteurs radiales des aubes dans la turbine lente. 5. Turboforeuse selon l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisée en ce que la turbine rapide est réalisée avec des aubes des rotors ayant des angles d'entrée et de sortie sensiblement égaux et des aubes des stators ayant des angles d'entrée et de sortie sensiblement égaux.