Brevet FR2408028A1 — publié le 19790601

L'exploitation de puits, en particulier de puits de pétrole,est fonction du diamètre du trou percé etrdans certains cas, il est nécessaire d'augmenter le diamètre de ce trou afin de faciliter l'exploitation de ce puits ou mSne d'en augmenter le débit. Or, il ne faut pas oublier qu'il est courant de forer à plusieurs milliers de mètres en profondeur ce qui nécessite un travail considérable, long et difficile lorsque l'on désire augmenter le diamètre de forage. On connaît déjà des outils spéciaux qui sont placés à 1 'extrémité inférieure d'un train de tiges et qui comportent, en plus d'un organe de pilotage à leur partie inférieure, des bras qui s'ouvrent radialement et dont 1 'extrémité inférieure libre est munie d'organes du genre de fraise à denture extrêmement dure découpant le terrain mais ces bras, pour faire travailler correctement les fraises, doivent avoir une inclinaison telle que des contraintes très importantes sont exercées sur les axes autour desquels pivotent ces bras, axes solidaires du corps principal de l'outil. On a remarqué au cours du travail, du fait de la longueur appréciable des bras, que les contraintes agissant sur les axes sont très souvent inadmissibles et il arrive très fréquemment que, sous l'effet de vibrations provoquées par la résistance du terrain et la longueur du train de tiges ou sous lteffet de contraintes provoquées par le terrain dans certaines zones de travail, ces axes ne résistaient pas, cassaient et il y avait donc lieu, à ce moment, de remonter l'outil à la surface, parfois de plusieurs milliers de mètres de profondeur, puis ensuite de récupérer par des moyens difficiles à mettre en oeuvre les bras cassés de façon à ne pas obturer le puits ou tout au moins à le dégager le plus rapidement possible. On e également remarqué que certains terrains n'étaient pas forables avec ces bras munis de fraises et,aussi, que d'autres terrains, s'ils sont forables, le sont de façon beaucoup trop onéreuse en raison des usures et dégâts causés à ces matériels munis dé fraises ou molettes. Ainsi, les outils connus actuellement sont donc très coûteux du fait de leur constitution délicate mais également du fait de leur mauvaise résistance ce qui occasionne un travail beaucoup plus long. De plus, on est amené, après quelques heures de travail, à les remonter à la surface soit Qu'un ou des bras ont cassé ou que les fraises fixées à ces bras sont usées et ne permettent plus d'effectuer un travail correct. Un autre inconvénient de ces outils est qu'ils ont tendance à laisser pénétrer les déchets de terrain entre les bras ouverts et le corps ce qui provoque une usure anormale du corps et nécessite une puissance considérable pour refermer les bras lorsque l'on désire ressortir l'outil à la surface soit en fin de travail, soit pour une révision et une remise en état des fraises découpant le terrain. La présente invention remédie à cet inconvénient en créant un outil placé en bout d'un train de tiges dont la partie inférieure comporte, comme dans tous les cas, un organe pilote, en général semi-sphérique, afin de guider l'outil dans le puits et dans la partie médiane inférieure des bras courts de très forte section s'ouvrant facilement sous l'action d'un piston qui, en position de travail, sert de verrou aux bras, ces derniers présentant de grandes surfaces de travail et un dégagement inférieur évitant la pénétration du terrain dans le corps de l'outil, les surfaces travaillantes étant traitées convenablement et recouvertes de diamants industriels ou autres matériaux durs pour augmenter leur pénétration dans le sol à découper, l'ensemble décrit ci-dessus étant convenablement lubrifié par de la boue arrivant par des canaux radiaux débouchant juste audessus des bras puis les zones du corps de l'outil voisines des bras étant traitées en surface pour éviter, du fait de l'évacuation des matériaux forés, 1 'usure prématurée de l'outil. Conformément à l'invention, l'outil se compose d'un corps cylindrique de longueur notable, évidé intérieurement, dont la partie supérieure reçoit une pièce de jonction avec un train de tiges puis un premier piston déplaçable sous l'action de la boue de forage et muni en sa partie inférieure d'un pointeau, suivi d'un deuxième piston déplaçable contre l'action d'un deuxième ressort, la partie inférieure terminale de forme cylindro-tronconique de ce deuxième piston provoquant l'ouver- ture de bras courts montés sur des axes solidaires du corps principal de l'outil par pivotement de ces bras autour des axes jusqu'à une position dans laquelle chaque bras est bloqué par un épaulement de la queue du deuxième piston, ces bras présentant à leur partie inférieure une forme extérieure en triangle obtus donnant de grandes surfaces recouvertes de pierres saillantes pouvant découper le terrain tandis que la partie inférieure interne de chaque bras est évidée pour former une zone décolletée également munie de pierres saillantes mais permettant l'expulsion des déchets de terrain vers l'extérieur en direction de la surface, finalement la partie terminale du corps principal est munie d'un évidement tronconique permettant la mise en place d'une tête de guidage et de forage, cette teste pouvant également comporter, sur sa surface externe travaillante, des pierres saillantes afin de jouer le rôle d'un petit trépan guidant l'outil. Suivant une autre caractéristique de l'invention, chaque bras comporte sur sa face inférieure externe une partie débordante travaillante tandis que sa face externe supérieure est lisse et se raccorde, par une zone prismatique à angle aigu, à un-cote supérieur interne destiné à coopérer avec la queue du deuxième piston puis la face inférieure interne de l'outil est droite jusqu'au raccordement de la partie évidée destinée à empêcher les matériaux forés de pénétrer dans le corps de l'outil. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le premier piston est évidé dans sa partie périphérique qui reste cependant un anneau complet et le deuxième piston est évidé en son centre afin de laisser passer une certaine quantité de boue de lubrification qui, d'une part, rejette vers l'extérieur du corps les matériaux du forage mais également permet de conduire une certaine guantité de boue de lubrification vers la tête de guidage inférieure pour en faciliter le travail. Binalement, et suivant une autre particularité.la zone extérieure du corps, placée juste au-dessus des bras, est traitée en surface de façon à résister à l'usure provoquée par le passage en continu des matériaux de forage qui ont tendance, d'une part, sous l'effet de rotation de l'outil et, d'autre part, du fait de l'action exercée par la boue de lubrification, à remonter vers la surface le long du corps et du train de tiges. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple, au dessin annexé. La fig. 1 est une coupe longitudinale de 1 'outil, la partie supérieure de la coupe montrant l'outil en position fermée, la partie inférieure montrant 1 'outil en position de travail, les bras ouverts. La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig.1. La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la fig.l. La fig. 3a est identique à la fig.3 mais les bras sont ouverts. La fig. 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la fig.1, outils ouverts. La fig. 5 montre en plan la face extérieure d'un bras. La fig. 6 est une coupe longitudinale partielle à grande échelle des bras ouverts sur l'outil. Les fig. 7, 8, 9 sont des vues en élévation latérale de dessus et d'extrémité d'une légère variante de réalisation d'un bras. Â la fig. 1, l'outil destiné à augmenter le diamètre d'un puits, que ce soit un puits d'eau, de gaz ou de pétrole, est essentiellement constitué par un corps cylindrique 1 en métal à haute caractéristique pouvant travailler entre la température ambiante et au moins 2500 sans subir de déformations appréciables, le métal devant également résister à une torsion qui peut atteindre plusieurs rotations complètes à différentes profondeurs.La partie supérieure la du corps de 1 'outil est évidée pour former une chambre 2 prolongée à sa partie supérieure par une zone tronconique 3 dans laquelle vient se visser un raccord 4 destiné à relier le corps 1 au train de tiges qui est supporté par un câble enroulé sur un treuil placé sur la pl2te-fcreede forage tandis que le train de tiges est entraîné en rotation à partir d'un groupe moteur comportant un élément réducteur assurant la rotation de l'outil en bout du train de tiges. Le raccord 4 est évidé intérieurement pour le passage de la boue lubrifiante arrivant par le train de tiges dans la zone inférieure de 1'outil. La chambre 2 contient un piston 5 muni d'un joint d'étanchéité 6 et d'un obturateur7.Les canaux 8 sont percés dans le piston 5 pour assurer le passage de la boue de lubrification. La zone centrale du piston 5 est évidée pour recevoir un pointeau 9 en forme d'obus qui est repoussé vers la face inférieure du piston 5 par l'intermédiaire d'un ressort 10. Les canaux 11 sont percés dans la face inférieure du piston 5 de façon-à permettre le passage de la boue vers la teste 9a du pointeau qui peut donc ainsi, contre l'action du ressort 10, pénétrer dans l'obturateur 7 faisant ainsi se mouvoir le pointeau 9 par rapport au piston 5. La chambre intérieure 2 est prolongée par une chambre intérieure 12, de plus petit diamètre, dans laquelle est placé un piston 13 muni d'un joint périphérique 14, ce piston 13 étant évidé en son centre pour recevoir un manchon 15 dans lequel pénètre la partie inférieure du diffuseur 9. Le piston 13 est repoussé normalement par un ressort 16 prenant appui sur le bord inférieur 12a de la chambre 12. Une butée radiale 17 est placée à proximité de la partie inférieure de la chambre 12 pour coopérer avec une saignée 18 percée dans la queue de piston 19 solidaire du piston 13, cette queue de piston 19 étant logée dans une chambre 20 du corps 1 prolongeant la chambre 12. La queue de piston 19 est munie de joints d'étanchéité toriques 21, 22 et se prolonge par une partie 19a gui se termine par une partie-19b en forme de coin dont le rôle sera expliqué plus loin. La queue de piston 19 solidaire du piston 13 est percée en son centre d'un canal permettant l'arrivée de la boue de lubrification. Après la chambre 20, le corps 1 (voir fig. 3 et 3a) est découpé de façon à délimiter trois chambres radiales 25, 26, 27 disposées à 1200 les unes des autres. De plus, il est prévu des canaux 25a, 26a, 27a disposés suivant des cordes et dans lesquels sont logés des axes 28, 29, 30 maintenus convenablement par des bagues extensibles 28a, 29a, 30a, ces axes portant des bras 31, 32, 33. Finalement, le corps 1 est prolongé par une partie cylindrique terminale îc percée en son centre par un canal 35 débouchant dans une partie évidée tronconique 36 destinée à recevoir l'organe de maintien d'une tête de guidage et de forage du genre trépan, tête dont la surface extérieure travaillante est en général revêtue de pierres saillantes telles que diamants. Des canaux sont creusés également dans la tête de guidage et de travail de façon à assurer, à partir du canal central 35 et de la chambre 36, l'écoulement de la boue lubrifiante de la tête de guidage et de travail. Chaque bras 40 de très petite longueur mais de section massive comporte, sur sa face extérieure 40a, une zone plane 40b prolongée par une zone 40c en surépaisseur revêtue de pierres saillantes, par exemple des diamants. La face 40c est prolongée par une zone cylindrotriangulaire 40d revetue également de pierres saillantes telles que des diamants, puis la zone 40e est évidée de façon à forer un angle de dépouille 41 qui, lorsque le bras est ouvert et creuse le sol, évite aux matériaux découpés et arrachés de se diriger vers les chambres 25, 26, 27 mais, au contraire, pavoque le dégagement vers les faces 40d de ces matériaux qui tentent de remonter ensuite vers la surface du fait de la rotation de l'outil et également de la pression de la boue du fond vers la surface. La face 40c qui se termine par un angle vif, sensiblement un angle droit 40f, se prolonge par deux faces 4Qg, 40h qui ne comportent pas de pierres saillantes puisqu'elles ne travaillent pas. Finalement, chaque bras 40 se termine par une face 40i et 40A, la face 40i étant inclinée suivant un angle de sensiblement 1200 par rapport à la face 40h tandis que la face 40i est à angle droit par rapport à la face 401. On remarquera tout de suite que la face 40X, lorsque le bras 40 est ouvert, se trouve bloquée sous l'épaulement formé entre la zone de grand diamètre et la zone plane de la queue de piston 19 assurant ainsi un verrouillage parfait de chaque bras 40 par rapport a la queue de piston 19. Âfin d'éviter une usure prématurée de 1 'outil sous l'effet des produits provenant du forage et mélangés à la boue de lubrification, les zones du corps 1 précédant les chambres 25, 26, 27, contenant ces memes chambres et placées au-dessus des chambres 25, 26, 27, sont traitées en surface pour résister d'une manière considérable à l'usure provo-uée par le frottement continuel sous haute pression du mélange des déchets et de la boue. Comme on peut le voir à la fig. 1etSu fait de l'angle droit séparant les faces 40i et 40, les bras 40 occupant en position de travail, c'est-à-dire lorsqu'ils sont ouverts, un angle d'ouverture de 450 environ, qui permet d'assurer un travail des surfaces diamantées 40c, 40d, 40e de bonne qualité et très rapide.Cette solution des bras massifs, courts, très robustes, à angle d'ouverture important,est le point le plus interessant de l'outil suivant l'invention car il permet aux bras d'effectuer, comme il a été dit plus haut, un bon travail, rapidement, pendant un laps de temps extremement long, malgré la haute température due à la profondeur de forage, au frottement contre le sol à forer et à la pression exercée tant par la boue de lubrification que par la remontée des déchets mOlan- gés à la boue. De plus, leur forme particulière évite, de par l'angle de dépouille 41 en particulier, l'obstruction et le bouchonnage par les déchets entravant ainsi, si cela se produisait, le travail de l'outil. Lorsque l'on descend 1 'outil dans la zone devant être découpée pour augmenter le diamètre du puits, les bras 40 sont fermés,c'est-à-dire dans la position représentée à la partie supérieure de la fig.1 la pression de la boue est inexistante et les pistons 5 et 13 sont dans la position représentée à la partie supérieure de la fig.1. Ainsi l'outil qui se présente sous la forme d'un cylindre parfait n'a pas de difficulté pour descendre dans le puits jusqu'à la zone de travail Lors de l'arrivée de l'outil dans la zone de travail, la pression de la boue est augmentée ce qui provoque la descente du piston 5 ainsi que la descente du diffuseur 9, la pression provoque également la descente du piston 13 qui comprime le ressort 16. La queue de piston 19, par son extrémité en coin 19b et la-face inclinée 40i des bras 40, provoque le pivotement de ces bras et leur sortie du corps 1 jusqu'au moment où la face 40å repose sur la portée constituée par la différence de diamètre 19, 19a de la queue de piston. Â ce moment les bras 40 sont dans la position de travail, la boue de lubrification sous pression arrive, d'une part, par le canal central percé dans le piston 13, la queue de piston 19, 19a et également par des canaux radiaux 45, 46 (voir fig.6) percés dans la queue de piston 19 et dans le corps 1. Un front de taille peut donc être attaqué dans les meilleures conditions puisque 1 'ensemble train de tiges et outil 1 est alors entrainé en rotation convenablement, depuis la plate-fo de forage, par le groupe moteur. Du fait de la variation de la pression de la boue de lubrification, de la résistance du front de taille et de tous les paramètres existant lors de l'agrandissement de diamètre d'un puits, la position du piston 13, donc des bras 40test maintenue tant que la circulation, donc la pression de boue est maintenue dans le train de tiges. Le pointeau 9 sert de régulateur de pression en obturant le canal central du piston 13 uniquement dans la phase initiale de l'ouverture des bras 31, 32, 33.En effet, le piston 5, qui supporte le pointeau 9, a une course limitée afin de permettre une circulation de boue maximale pendant le travail, c'est-à-dire lorsque les bras susmentionnés sont complètement en position dtouserture. On évite ainsi, du fait de la courte longueur des bras 40 et du réglage de la pression, un effet de mattage de ces bras 40 sur le corps 1, cette forme massive et courte de ces bras permettant également une haute résistance de outil car les axes 28, 29, 30 sont moins sollicités et résistent donc mieux. Cependant, en cas d'accident, les axes 28, 29, 30 servent de pièces de sécurité. Aux fiv. 7, 8, 9 on a représenté un outil 40 dont la forme générale est identique à celle décrite précédemment mais dont les faces 40b, 40 sont comme visibles à la îig.9 (voir flèche P1) en plan incliné pour former un couteau à pointe en triangle obtus. REln3NDICASlIOliS 1 - Outil destiné à augmenter le diamètre d'un puits en particulier un puits de pétrole, caractérisé en ce qu'il se compose d'un corps cylindrique 1 de longueur notable, évidé intérieurement, dont la partie supérieure reçoit une pièce de jonction 4 avec un train de tiges puis un premier piston 5 déplaçable sous l'action de la boue de forage et muni en sa partie inférieure d'un pointeau 9 déplaçable contre l'action d'un ressort 10 suivi d'un deuxième piston 13 déplaçable contre l'action d'un deuxième ressort 16, la partie inférieure terminale de forme cylindro-tronconique 19b de ce deuxième piston provoquant l'ouverture de bras courts 31, 32, 33 montés sur des axes solidaires du corps principal 1 de l'outil par pivotement de ces bras autour des axes jusqu'à une position dans laquelle chaque bras est bloqué par un épaulement de la queue du deuxième piston, ces bras présentant à leur partie inférieure une forme extérieure en triangle obtus donnant de grandes surfaces recouvertes de pierres saillantes telles que diamants industriels pouvant découper le terrain tandis que la partie inférieure interne de chaque bras est évidée pour former une zone décolletée également munie de pierres saillantes mais permettant l'expulsion des déchets de terrain vers l'extérieur en direction de la surface, finalement la partie terminale du corps principal est munie d'un évidement tronconique 36 permettant la mise en place d'une tête de guidage et de forage, cette tête pouvant également comporter, sur sa surface externe travaillante, des pierres saillantes afin de jouer le rôle d'un petit trépan guidant l'outil. 2 - Outil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ehaque bras 31, 32, 33 comporte, sur sa face inférieure externe, une partie débordante travaillante 40c tandis que sa face externe supérieure est lisse et se raccorde, par une zone prismatique à angle aigu, à un côté supérieur interne destiné à coopérer avec la queue du deuxième piston puis la face inférieure interne de l'outil est droite jusqu'au raccordement de la partie évidée destinée à empêcher les matériaux forés de pénétrer dans le corps de l'outil. 3 - Outil suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier piston 5 est évidé dans sa partie périphérique qui reste cependant un anneau complet et le deuxième piston 13 est évidé en son centre afin de laisser passer une certaine quantité de boue de lubrification qui, d'une part, rejette vers l'extérieur du corps les matériaux du forage mais également permet de conduire une certaine quantité de boue de lubrification vers la tête de guidage inférieure pour en faciliter le travail. 4 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone extérieure du corps placée juste au-dessus des bras 31, 32, 33 est traitée en surface de façon à résister à l'usure provoquée par le passage en continu des matériaux de forage qui ont tendance, d'une part, sous l'effet de rotation de l'outil et, d'autre part, du fait de l'action exercée par la boue de lubrification, à remonter vers la surface le long du corps et du train de tiges. 5 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la face travaillante des bras 31, 32, 33 a une section triangulaire pour former un couteau dont la partie travaillante affecte la forme d'un angle obtus.