Brevet FR2422811A1 — publié le 19791109

La présente invention est relative à un dispositif de contact avec les parois de forage, monté sur l'équipement de fond de puits d'une colonne de forage Elle vise, plus particulièrement, un stabilisateur comportant des patins d'usure amovibles qui peuvent être facilement remplacés avec une perte de temps minimale, pendant les opérations de forage. L'expression "équipement de fond de puits est utili suée dans la technique du forage pour désigner la combinaison de collets de sonde et de divers outils de contact avec la paroi du forage, à la partie inférieure d'une tige de forage tes équipements de fond de puits sont couramment utilisés pour modifier le comportement d'un trépan de forage Des outils de contact avec la paroi, longs ou multiples, placés au-dessus d'un trépan, ont au moins un double rôle, La longueur du trépan, c'est-à-dire le nombre de mètres forés avant que le remplacement du trépan soit nécessaire, peut être augmentée car les outils de contact avec la paroi agissent pour obliger le trépan à rester bien axé pendant sa rotation, ce qui aide à protéger les surfaces de calibrage et à maintenir le profil de coupe du fond de puits Les outils de contact avec la paroi interviennent également pour empêcher que l'ensemble comprenant les collets de sonde inférieurs n' oscille de façon irrégulières et, par suite, pour maintenir une charge plus égale sur les cônes d'un trépan de forage Bes outils de contact à ajustement précis sont en contact avec la paroi do puits et agissent en tant que manchon de guidage de la tige de forage pour maintenir le puits orienté dans la direction visée Différents types d'outils de contact avec la paroi ont été proposés jusqu'à présent. Ils peuvent se présenter sous la forme d'un stabilisateur non rotatif, réalisé au moins partiellement en caoutchouc et qui peut être endommagé dans les puits.Un autre type connu dloutil de contact avec la paroi comporte des stabilisateurs rotatifs à lames, comportant soit des lames courtes en spirale, soit des lames relativement droites, qui peuvent å jouer le double rôle de stabilisateur et d'aléseur. l'es stabilisateurs à lames sont essentiellement de trois types principaux, à savoir : à bandes de métal trempé sou- dées directement à un corps tel qu'un collet de sonde, à lames usinées, qui font partie intégrante du corps, ou à lames rempla çables fixées de façon amovible au corps par des moyens appro priés.La présente invention s'applique à ce dernier type Les brevets américains qui décrivent différents types de dispositifs de contact avec la paroi de puits sont les suivants : Nos 1 C52 841 ; 2172762 ; 2189033 ; 2189035 ;: 2 306 492 ; 2 716 020 ; 3 445 144 ; 3 454 308 F 3 680 647 3 799 279 ; 3 8p6 096 et 3 938 852. Les stabilisateurs à lames remplaçables sont utilisés couramment, à cause de l'avantage que procure la possibilité de remplacement sur le site, oui évite le besoin de disposer d'un atelier pour refaire ou réparer l'coutil Bes lames remplaçables, ou patins d'usure comme on les appelle généralement, sont fixées sur un corps cannelé, pour permettre un écoulement sensiblement libre du fluide de forage à travers la chambre annulaire délimitée par la tige de forage et la paroi du puits. Be corps sur lequel sont montés les patins d'usure remplaçables peut nces- siter un important travail de fraisage et d'usinage, qui est coûteux. Ces patins d'usure sont généralement fixés au corps par des vis à tête et des écrous qui sont bloqués de manière à maintenir solidement le patin d'usure en position Un exemple de ce type est décrit dans le brevet américain no 3 680 647. Un autre type de fixation de patins d'usure est décrit dans le brevet américain nO 3 454 308, déjà cité, qui utilise des moyens de fixation du type à vis pour maintenir le patin d'usure rem plagale, Pendant le fonctionnement, les textes des vis qui servent à fixer les patins d'usure peuvent être écrasées ou endom- magées d1une autre façon, ce qui rend le remplacement des patins d'usure difficile et long, I1 est très important que les patins d'usure soient solidement fixés au corps afin qu'ils ne se détachent pas, même si les vis sont endommagées ou cassées.En raison des frais extrêmement élevés qu entraîne le forage d'un puits, les temps morts constituent un facteur très significatif dans le prix total. I1 est donc souhaitable de disposer de moyens de montage, de patins d'usure remplaçables, qui maintiennent solidement le patin en position afin qu'il ne se détache pas dans le puits, tout en permettant cependant son remplacement facile et rapide. La présente invention a pour but de pourvoir à un dispositif de contact avec les parois de puits qui comporte des patins d'usure remplaçables, utilisable sur un équipement de fond de puits d'une tige de forage et dans lequel le remplacement des patins d'usure est facilité. Conformément a la présente invention, le dispositif de contact avec les parois de puits d'une tige de forage comprend un corps allongé, comportant un passage de fluide de forage et des moyens de montage dans une tige de forage ; une pluralité de gorges de retenue espacées radialement, ménagées dans la surface extérieure du corps allongé, des moyens de contact avec la paroi du puits étant montés dans ces gorges ; lesdits moyens de contact avec la paroi oxrenant au moins deux déments gui coopèrent entre eux et dont cha- cun comporte une surface de contact avec la paroi de puits, une partie de contact avec la gorge de retenue et une partie formant came, les parties formant cames de ladite paire d'éléments venant s'engager par coulissement lune dans l'autre, par déplacement relatif des éléments ltun vers l'autre, de manière a forcer lesdites parties de contact avec la gorge de retenue a s'engrener en position de verrouillage avec ladite gorge. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention1 le patin d'usure amovible, utilisable dans un dispositif de contact avec la paroi de puits associé a' une tige de forage comprend une paire d'éléments d'usure allongés qui coopèrent entre eux, et dont chacun comporte une surface plane formant came inclinée par rapport à son axe longitudinal1 lesdites surfaces de came plane étant disposées face à face et en butée, chaque élément comportant une surface de contact avec la gorge de retenue, lesdites surfaces de contact avec la gorge étant orientées en sens opposés lorsque les surfaces planes de came sont disposées en opposition et en butée. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue latérale en élévation d'une partie d'un équipement de fond de puits d'une tige de forage1 représentant un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1, La figure 3 est une vue en plan de dessus du patin d'usure représenté à la figure 4. La figure 4 est une vue en élévation du patin d'usure et La figure 5 est une vue en plan de dessous du patin d'usure de la figure 4. I1 doit être bien entendu, toutefois, que ce dessin et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. La figure 1 représente un tronçon d'un équipement Â de fond de puits d'une tige de forage, conforme à l'invention. Le dispositif de contact avec la paroi du puits comprend un corps 20, qui peut présenter la forme dtun collet de forage de type usuel. Le dispositif de contact avec la paroi d'un puits comprend une pluralité de patins d'usure qui coopèrent entre eux, comme décrit plus loin en détail, Be corps 20 comporte une pluralité de gorges de retenue, en contre-dépouille, qui sont de préférence des gorges en queue d'aronde, comme représenté à la figure 2. Bien qu'unie gorge en queue d'aronde soit le profil de gorge préféré, il est entendu que d'autres formes de gorges en contre-dépouille, telles qu'une gorge à section en T, peuvent être utilisées. La gorge de retenue en contre-dépouille est définie par des faces latérales 21 et 22 et un fond 23.Le corps 20 comporte également un alésage 0, délimité par une paroi cylindrique 24 qui s'étend sur toute la longueur du corps 20, afin de permettre le passage des fluides de forage, de façon connue. l'e corps 20 est en un matériau approprié tel que de l'acier à haute résistance, par exemple, pour obtenir la résistance nécessaire pour éviter la torsion ou la rupture du corps. Bes faces latérales 21 et 22 de la gorge sont en contre-dépouille pour former des angles, de l'ordre de 150 par rapport à la perpendiculaire au fond 23. I1 est bien entendu que l'angle des parois latérales opposées qui convergent vers l'extérieur, par rapport au fond, peut être modifié, tout en conservant la caractéristique désirée de maintien des patines ou des lames d'usure qui coopèrent entre eux. Dans le mode de réalisation représenté, le corps 20 comporte quatre gorges en queue d'aronde identiques, également espacées autour de la périphérie du corps, et qui ont été identifiées par les lettres a, b, c ajoutées aux repères 21, 22 et 23, comme le montre la figure 2. L'on comprendra aisément que d'autres agencements de gorges, par exemple trois gorges également espacées, peuvent aussi être utilisés.Les éléments de contact avec la paroi d'un puits, ou patins d'usure, comprennent deux éléments identiques ou lames 25 et 26 Bes lames d'usure 25 et 26 sont représentées plus clairement aux figures 3, 4 et 5. On voit sur la figure 1, que trois paires de lames qui coopèrent entre elles, et qui sont désignées par les repères 25, 26, 25a, 26a et 25b, 26b, sont insérées dans chaque gorge. Toutefois, ce nombre est tout à.fait arbitraire et la longueur de la gorge peut être modifiée pour permettre l'insertion du nombre désiré de paires de lames. On voit sur les figures 3, 4 et 5, que toutes les lames d'usure sont identiques et qu'elles présentent une face 28, prévue pour venir en contact avec la surface intérieure cylindrique d'un forage qui est défini par exemple par la surface cylindrique 29 représentée à la figure 2. La face 28 comporte, à ses extrémités, des surfaces chanfreinées 41 et 42 La lame d'usure comporte d'autre part une surface d'extrémité supérieure re 30, visible sur la igure 3, et une surface d'extrémité in inférieure 31, visible sur la figure 5, La surface arrière 32 est prévue pour venir en contact avec le fond 23 de la gorge, comme représenté à la figure 2. Chaque lame d'usure comporte également une surface 33, destinée à venir en contact avec la paroi latérale 21 ou 22 de la gorge en queue d'aronde. Bes lames d'usure 25 et 26 sont de construction identique, de sorte qu'il suffit de ne décrire que l'une d'elles. La surface 33 de contact avec la paroi de la gorge forme un angle de 150 environ avec une perpendiculaire à la surface arrière 32, comme on le voit sur les figures 3 et 4. La surface 33 de contact de paroi est raccordée à une surface 27 qui se prolonge jusqu'à la surface d'usure 28-, On voit que cette configuration permet d'obtenir une surface d'usure maximaie pour la face 28. Une paroi formant came 34, de la lame forme un angle de 50 environ avec une perpendiculaire à la surface inférieure 31, comme le montrent les figures 3 et 4. On voit, sur la figure 1, que chaque surface de came des lames d'usure 25 et 26 repousse la surface de contact avec la paroi que comporte cha cune des lames, vers l'extérieur, en contact avec les faces latérales 21 et 22 de la gorge1 par déplacement longitudinal relatif des lames d'usure l'une vers l'autre. Cela est obtenu par l'insertion d'une des lames d'usure, par exemple 26b, dans la gorge en queue d'aronde, puis par l'insertion de l'autre lame d'usure 25b dans la gorge.La lame d'usure 2Sb se met en prise avec l'extrématé inférieure 36 de la gorge en queue d'aronde, de sorte qu'elle ne peut pas se déplacer longitudinalement vers le bas, comme le montre la figure 1. Ta lame d'usure 25b, déplacée vers le bas par un mouvement coulissant, rencontre la surface de came de la lame d'usure 26b de façon à déplacer les surfaces de contact avec la paroi des lames d'usure respectives 25b et 2bb, en contact serré avec les faces latérales 21 et 22 de la gorge en queue d'aronde. Bes paires de lames 25a, 26a et 25, 26 sont placées successivement dans la gorge en queue d'aronde, comme représenté à la figure 1. Lors du déplacement du corps 20 dans un puits de forage, les lames d'usure sont soumises à des forces longitudinales dues au frottement de leurs surfaces d'usure qui sont en contact avec la paroi du puits. Par exemple, lorsqu'on descend la tige de forage dans un puits, des forces ascendantes s'exercent sur les deux lames 25 et 26, du fait du contact de frottement. Ces forces ascendantes s'annulent mutuellement, car les lames d'usure peuvent être libérées uniquement par un mouvement lon- gitudinal dans des directions opposées et non dans la même direction. Comme le montre la figure 1, trois groupes de lames d'usure, 25, 26 et 25b, 26b et 25a, 26a sont prévus. La gorge en queue d'aronde comporte une paroi supérieure d'extrémité 35 et une paroi inférieure d'extrémité 36. Comme un certain déplacement longitudinal des lames d'usure est nécessaire pour leur insertion, la gorge en queue d'aronde est plus longue que la longueur totale des trois groupes de lames, comme représenté à la re 1. Bien qu'il soit très improbable que les lames d'usure puissent se dégager de a gorge en Queue d'aronde sous ;'effet des forces longitudinales agissant sur la lame, comme décrit plus haut, des moyens ae verrouillages sont néanmoins prévus à 7' 'exvrémité supérieure de la gorge en queue d'aronde. Ces moyens comprennent un disque cylindrique 38 comportant un trou excentré à travers lequel est insérée une vis de blocage 39 vissée dans un trou taraudé (non représenté), ménagé dans la paroi 23 du fond de la gorge. Lorsque les trois groupes de lames ont été insérés dans la gorge et enfoncés fortement en position, de façon à ce que la lame d'usure 26b soit en contact avec la paroi inférieure 36 et à ce que les autres lames soient en contact de coopération par engrènement l'une avec l'autre, on fait tourner le disque 38 de façon à amener sa surface péri phérique extérieure en contact avec l'extrémité supérieure de la lame usure 25. On peut alors bloquer la vis 39, de manière que toutes les lames d'usure se trouvent maintenues solidement en position.Bien que le disque 38 et la vis de blocage 39 puissent être supprimés, on les utilise comme précaution de sécurité supplémentaire car la perte d'une lame d'usure dans un puits pourrait gêner le retrait de la tige de forage et même éventuellement endommager le trépan. Comme le montre la figure 5, des inserts 40 résistants à l'usure sont montés dans la face avant 28 des lames d'usure~ Ces inserts peuvent être de différents types, par exemple des inserts en carbure de tungstène ou en un autre matériau résistant à l'abrasion, qui peuvent être insérés dans des ouvertures ménagées dans la face 28, de façon connue, En-variante, des cordons de soudure en matériaux résistants à l'abrasion peuvent être formés sur la face 28, Be remplacement des lames d'usure 25, 26, 25a, 26a et 25b, 26b peut être effectué facilement, de la façon suivante On enlève la vis 39 de manière à retirer le disque de blocage 38 de la gorge en queue d'aronde dans laquelle il était précédemment en prise avec l'extrémité supérieure de la lame d'usure 25, Ceci laisse un espace libre à la partie supérieure de la gorge. Un levier ou analogue peut alors être inséré entre l'ex- trémité inférieure de la lame d'usure 25 et l'extrémité supérieure de la lame d'usure 25a, Comme une force importante peut être appliquée en ce point, on peut repousser la lame 25 vers le haut de manière à la dégager de la lame d'usure 26, pour retirer ces deux lames qui coopèrent entre elles. Ce processus peut ensuite être répété pour les autres paires de lames d'usure. I1 résulte de la description qui précède que, quels que soient les modes de réalisation et d'application adoptés, l'on obtient un dispositif de contact avec les parois de forages, associé à un équipement de fond de puits qui présente par rapport auxdispositide contact visant au même but antérieurement connus, des avantages importants dont certains ont été mentionnés dans ce qui précède et dont d'autres avantages ressortiront de l'utilisation dudit dispositif de contact. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente invention. REVENDICAEIONS 1. Dispositif de contact avec la paroi d'un puits de forage, associé à une tige de forage, caractérisé en ce qu'il comprend : un corps allongé, à travers lequel est ménagé un passage pour le fluide de forage et qui est pourvu de moyens de montage dans une tige de forage ; une pluralité de gorges de retenue espacées radialement, ménagées dans la surface extérieure du corps allongé, des moyens de contact avec la paroi du puits étant montés dans ces gorges ;;les dits moyens de contact avec la paroi du puits comprenant au moins une paire d'éléments- qui coopèrent entre eux et dont chacun comporte une surface de contact avec la paroi du puits, une surface de contact avec la gorge de retenue et une surface de came, lesdites surfaces de came de ladite paire d'éléments pouvant être mises en prise par coulissement par déplacement relatif des éléments l'un vers l'autre de manière à forcer les surfaces de contact avec la gorge de retenue à s'engrener en position de verrouillage avec ladite gorge de retenue. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges de retenue présentent une contre-dépouille. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les gorges de retenue comportent des parois latérales opposées qui convergent vers llexté- rieur 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les gorges de retenue sont des gorges en queue d'aron de. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les gorges de retenue sont disposées longitudinalement. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact avec la paroi du puits comporte des moyens résistants à l'abrasion qui viennent en contact avec la paroi du puits. 7 Dispositif suivant l'une quelconque des revendicatons précédentes, caractérisé en ce que la surface de came de chacun des éléments qui coopèrent entre eux, comprend une surface plane inclinée non parallèle à la surface de contact avec la gorge de retenue. 8. Dispositif suivant l'une quelc4onque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que la surface de came de chaque élément comprend une surface plane inclinée, non parallèle à la surface de contact avec la gorge de retenue, et en ce que la surface de contact avec la gorge de retenue de chaque élément comprend une paroi latérale sensiblement parallèle à l'une desdites parois latérales convergentes vers l'extérieur de ladite gorge de retenue. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les éléments de chaque paire sont montés dans la gorge de retenue avec leurs surfaces planes inclinées placées face à face et en butée et avec leurs parois latérales divergentes vers l'extérieur disposées à l'opposé l'une de l'autre et en contact de butée avec les parois latérales opposées convergentes vers l'extérieur de ladite gorge de retenue. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments qui coopèrent entre eux, sont de dimensions et de configuration identiques 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation montés dans une extrémité de la gorge de retenue, lesdits moyens de fixation étant solidaires d'une extrémité de l'un des éléments pour bloquer cet élément contre l'autre extrémité de la gorge de retenue, afin d'empêcher le déplacement longitudinal des éléments. 12. Patin d'usure amovible, utilisable dans un dispositif de contact avec la paroi d'un puits de forage, pour une tige de forage, caractérisé en ce qu'il comprend une paire d'éléments d'usure allongés qui coopèrent entre eux et dont chacun comporte une surface de came plane inclinée par rapport à son axe longitudinal, lesdites surfaces planes étant placées face à face et en butée, chaque élément comportant une surface de contact avec la gorge de retenue, lesdites surfaces de contact étant placées en sens opposés lorsque les surf & es planes de came sont face à face et en buté 13 Patin d'usure suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments usure sont de dimensions et de configuration identiques et en zen ce que les surfaces de contact opposées sont inclinées et convergent l'une vers l'autre.