Brevet FR2444787A1 — publié le 19800718

La présente invention concerne un dispositif à conduite flexible permettant d'effectuer des opérations de forage et de carottage, ainsi que des mesures in situ dans les fonds marins. De telles opérations et mesures doivent, en particulier, être réa lissais loraquton envisage de faire supporter par le fond de liteau certaines structures, telles que des plateformes de forage et de production dthydrocar- bures, lorsqu'il s'agit d'enfoncer des piles dans le fond de l'eau, ou encore de fixer des ancres... etc... Ces opérations nécessitent l'emploi de matériels divers : matériels de forage, pénétromètres pour les mesures in situ des caracteristiques de résistance mécanique des sols, dispositifs de carottage. Ces derniers peuvent comporter des carottiers rotatifs, mais lorsque le fond de l'eau est meuble, non consolidé, on doit souvent faire appel à des carottiers d'un type différent comportant un tube porte-carotte à paroi mince qui est enfoncé sans rotation dans les sédiments, de manière à perturber le moins possible ltéchantillon de terrain préleve. Enfin, sauf lorsqu'on travaille dans des terrains parfaitement consolidés, il est nécessaire de maintenir par un tubage les parois du puits foré pour éviter les retombées de sédiments au fond du puits foré, entre les dif férentes opérations de forage, de mesure in situ et de carottage. L'objet essentiel de l'invention est de fournir un dispositif permettant à lui seul d'effectuer un ensemble d'opérations de forage, de carottage et de mesures de mécanique des sols sous-marins avec mise en place d'un tubage2 ce dispositif faisant appel-à des organes pouvant être de types connus en ne nécessitant qu'une légère adaptation de ces organes pour qu'ils puissent stin- tégrer au dispositif. Des exemples de réalisation de l'invention sont illustrés par les figures annexées, où - la figure 1 represente schématiquement, en coupe longitudinale, un dis positif selon l'invention en position de forage, - la figure 2 est une vue de détail montrant les moyens de retenue du tubage, - la figure 3 montre en coupe axiale la tête du tubage, avec les moyens de connexion de celle-ci au rotor du moteur de fond, - la figure 3A représente la tête du tubage en section droite par le plan A-A de la figure 3, - la figure 3B montre schématiquement, en coupe longitudinale, un mode de réalisation des moyens d'ancrage de l'outil de forage dans le tubage, - la figure 4 montre le dispositif selon l'invention en position de carottage, - la figure 5 représente schématiquement un dispositif selon l'invention équipé d'un pénétromètre, - la figure 6 montre un dispositif selon l'invention équipé d'un organe de carottage a trousse coupante, - la figure 7 représente un type de connecteur spécial, permettant d'allonger le tubage selon les besoins. La figure 1 représente-schématiquement un dispositif selon l'invention en position de forage, mis en oeuvre depuis un navire 1. La référence 2 désigne une plaque de base reposant en position fixe sur le fond de lteau 3. Cette plaque de base présente un orifice muni d'un entonnoir de guidage 4 pour le passage d'un tubage 5 formé d'éléments tubulaires rigides vissés bout à.bout, ce tubage comportant à sa base une couronne d'alésage 6 munie dtéléments taillants. La plaque de base 2 porte des moyens de retenue du tubage 5, pouvant comporter des mâchoires 7 qui peuvent à volonté etre rapprochées ou écartées du tubage sous l'action de vérins a actionnés depuis la surface par l'intermédiaire d'une ligne hydraulique 9, comme représenté plus en détail sur la figure 2. Les mâchoires 7 sont en position ouverte lors de l'opération de forage illustrée par la figure 1, alors quelles sont représentées en position fermée sur la figure 2. Le-tubage 5 comporte intérieurement des moyens d'ancrage 1D pour différents outils ou instruments, comme décrit plus en détail ci-après. Pour ltopération de forage illustrée par la figure 1, l'outil maintenu à la partie inférieure et au centre du tubage 5 est un dispositif de forage 11, ce dispositif comportant à sa base 12 un trépan obturant la partie centrale du tubage 5 au niveau de la couronne 6. Un entonnoir de guidage 13 au sommet de la tête 14 du tubage 5 facilite l'introduction des dispositifs ou instruments dans ce tubage. Une conduite flexible 15 passant sur une poulie 16 au sommet d'une tour de forage 17 soutenue par le navire supporte un moteur de fond 18 (turbine, moteur électrique.,. etc...) qu'elle alimente en énergie hydraulique (fluide de forage sous pression) ou électrique (conducteurs incorporés à la conduite) depuis la surface. Cette conduite aura une structure armée capable de résister aux efforts de traction et de flexion, ainsi qu'a des couples de torsion importants. Elle sera, par exemple, du type décrit dans les brevets US 3 858 616 et 4 013 100 (J. THIERY) La poulie 16 sera avantageusement portée par des moyens de compensation du pilonnement (non représentés), tels que, par exemple, ceux décrits dans le brevet US 3 788 083 (CASTELA et al). A sa partie inférieure, le rotor 19 du moteur de fond 18 comporte des moyens 20 de raccordement a la partie supérieure du tubage 5, coopérant avec des logements 20a, 20b menagés dans ce tubage (Fig. 2). Un câble de suspension 21 relie la partie supérieure du dispositif de forage 11 au stator du moteur de fond 18. Des c3bles-guides 22, 23 reliant le navire à la plaque de base et maintenus sous tension permettront de mettre en place de manière connue les différents éléments décrits ci-dessus du dispositif selon l'invention, en faisant descendre ces éléments au moyen d'organes de guidage de type connu 24, 25 coulissant le long des cables-guides 22, 23. Les figures 3 et 3A illustrent plus en detail un mode de réalisation des moyens de connexion du rotor 21 du moteur de fond à la partie supérieure du tubage 5. Ces moyens comprennent un connecteur 26 visse à la partie inferieure du rotor t9 du moteur de fond, ce connecteur comportant à Sa périphérie une pluralité de doigts 20 normalement rétractés dans leur logement sous l'effet de ressorts de rappel 28. Lorsque le connecteur 26 est introduit dans la partie supérieure 14 du tubage 5, sa partie inférieure conique vient reposer, en butée et en formant étanchéité, sur le réceptacle conique femelle de l'embout 14 (Fig. 3). Sous la pression du fluide de circulation alors établie les doigts 20, poussés vers I'exterieur, s'engageant dans la gorge circulaire 20a en face de laquelle ils sont alors positionnes. L'établissement de la circulation provoquant la mise en rotation du rotor 19, l'ensemble des doigts 20 est entraîné en rotation dans la gorge 20a, jusqu'à ce que ces doigts 20 se trouvent positionnes radialement en face des encoches correspondantes 20b aménagées au fond de la gorge 20 avec des espacements angulaires identiques à ceux des doigts 20, qui s'engageant alors en conséquence dans ces encoches. Cet engagement assure les liaisons axiales et radiales du connecteur 26 et de l'embout 14, permettant la transmission des efforts longitudinaux et des couples entre le moteur de fond et le flexible de forage, d'une part, et le train de tubage inférieur de'autre part. Ces liaisons demeurent aussi longtemps que la pression du fluide de circulation est maintenue. Le moteur de fond nécessite généralement pour fonctionner des débits de fluide de circulation plus importants que ceux nécessaires ou acceptables pour irriguer les outils de forage ou de carottage rotatif mis en oeuvre. Aussi, une partie seulement du débit alimentant le moteur est-elle dirigée vers l'outil de forage ou de carottage par des duses adaptables 29, le reste de ce débit étant évacué directement dans ltespace annulaire du trou par d'autres duses 30 situées sous le moteur de fond. Le choix judicieux des diamètres des duses 29 et 30 permet de contrôler la répartition du débit total entre les deux flux. La figure 3B illustre schématiquement, à titra d'exemple-seulement, un mode de réalisation de moyens ancrage 10, 10a pouvant être déconnectés par une simple traction verticale vers le haut, qui peut être exercée depuis le navire 1. Dans ce mode de réalisation, l'outil de forage 11 comporte intérieurement une pièce support île munie d'un évidement axial en forme de boutonnière verticale îîb. Deux chiens de verrouillage 10 ont une articulation 1Ob logée dans la boutonnière lib. Les deux chiens de verrouillage 10 qui peuvent sortir de l'outil 11 grâce à des lumières longitudinales îîd menagées dans la paroi de cet outil, sont maintenus par un ressort 10c en position écartée de l'axe de lloutil 11 (position de verrouillage où ces chiens s'engageant dans une rainure de verrouillage 10a correspondante ménagée dans la paroi interne du tubage 5). Un ergot 11c solidaire de l'outil 11 et traversant des fentes 10d de forme appropriée ménagées dans les chiens 10, permet le déverrouillage de ces derniers par simple traction vers le haut exercée sur l'outil 11. Lorsqu'une telle traction est-exercée, l'ensemble remonte à ltexclu- sion des chiens 10 qui sont maintenus engagés dans la rainure 10a du tubage 5 par le ressort 10c, la pièce lia coulissant le long de l'articulation 10b. Avant que le fond de la boutonnière îlb ne vienne en butée contre cette articulation, ltergot de commande lic qui remonte avec le reste de ltoutil il vient appuyer contre des parois inclinées des fentes 10d et rapprocher ainsi l'un de l'autre les chiens 10 sous l'effet de l'effort vertical, contre l'action du ressort 10c, ce qui provoque la de-verrouillage. Pour déconnecter du tubage inférieur 5 la conduite flexible 15 et le moteur de fond 18, puis extraire pour ramener à la surface le dispositif de forage 11 en place dans le tubage, il suffit d'arroser la circulation de fluide. Les doigts 20 se rétractent sous l'effet des ressorts 28. On tire alors sur la conduite flexible 15 ; ceci reprend d'abord la légère surlongueur du câble 21 (Figure 1),puis met le câble en tension ce qui déverrouille les moyens d'ancrage 10 et iota. La figure 4 illustre une opération de carottage avec carottier rotatif, réalisée en utilisant le dispositif selon l'invention. Pour effectuer cette opération après l'opération de forage illustrée par la figure 1, on ramène d'abord en surface, de la manière indiquée ci-dessus, l'ensemble constitué par la conduite flexible 15, le moteur de fond 18 et le dispositif de forage 11-. Ce dernier est ensuite décroché du câble 21 et rem placé par un tube de carottage 31 que l'on descend suspendu à ltextrémité du cible 21. Le tube de carottage 31 comporte, de manière analogue au dispositif de forage 11, des chiens d'ancrage 10 venant se verrouiller sur les organes correspondants 10a du tubage 5 et se déverrouillant sous lteffet d'une traction verticale dirigée vers le haut appliquée à la conduite flexible 15. En injectant à nouveau du fluide sous pression par la conduite 15, le rotor 19 du moteur de fond 18 est à nouveau rendu solidaire de la tête 14 du tubage 5 par coopération des doigts 20 et des logements 20b (Figures 3 et 3A). La mise en fonctionnement du moteur de fond 18 permet alors,- par rotation de la couronne 6, d'effectuer le prélèvement d'un échantillon de terrain dans le tube de carottage 31. On récupère ce tube 31 et la carotta qutil contient en opérant de la même manière que celle indiquée pour relever le dispositif de forage 11 après l'opération de forage illustrée par la figure 1. La figure 5 illustre une opération de mesure des caracteristiques mécaniques du sol au moyen d'un pénétrometre 32 muni d'une tige 33 enfonce dans le sol par des moyens hydrauliques ou électriques. Ce pénétromètre descendu è ltextrémité inférieure d'un cible 34 est muni également de moyens d'encrage 10 à déverrouillage par simple traction, coopérant avec les organes îOa correspondants situés a l'intérieur du tubage 5, comme dans le cas du dispositif de forage il de la figure 1. La surface latérale et la pointe de la tige 33 du pénétromètre 32 seront équipées, de manière connue, de jauges de contraintes mesurant la résistance du sol à l'enfoncement de. la tige, les indications de ces jauges pouvant être transmises en surface par des conducteurs électriques incorporés au câble 34. Le pénétromètre 32 peut être relevé par simple traction sur le câble 5. La figure 6 illustre une opération de carottage effectuée avec un dispositif selon l'invention comportant un organe de carottage dit à trousse coupante". Cet organe pourra etre constitué par un vérin dont le cylindre 35 est alimenté en fluide sous pression par la conduite flexible 15 à l'extrémité inférieure de laquelle il est fixé, ce cylindre comportant à nouveau des moyens d'ancrage 10, à déverrouillage par simple traction sur la conduite 15, ces moyens d'ancrage coopérant avec les organes 10a correspondants à l'intérieur du 36 tubage 5 et la tige de piston/du vérin étant prolongée par un tube 37 de pré- lèvement de carottes dont l'extrémité inférieure coupante 38 est enfoncée dans le sol par la pression hydraulique dans le cylindre 35. La figure 7 illustre la possibilité de rallonger le tubage 5 déja en place en descendant depuis le navire 1, une nouvelle section de tubage 5' à la partie inférieure de laquelle est visse un raccord spécial 39 s'engageant dans la tête 14 du tubage 5. Ce raccord 39 est muni d'une pluralité de doigts de verrouillage 40 s'engageant dans la gorge 20a de la tête t4 du tubage 5 sous traction de ressorts 41. Lorsque, ultérieurement, dans la suite des opérations le tubage 5' sera mis en rotation par le moteur de fond, les doigts du tubage 5' ai engageront dans les encoches 20b, effectuant la liaison en couple des tubages 5 et 5'. A sa partie supérieure, la nouvelle section de tubage 5' comporte une tête 14' identique à la tette du tubage 5, cette tête 14' comportant une gorge 20ta et des logements internes 20'b semblables à la gorge 20a et aux logements 20b de la tête 14 et pouvant recevoir le connecteur 26. R E V E N 3 I C A T I D N S 1. - Dispositif a conduite flexible, permettant d'effectuer des opérations de forage, de carottage et des mesures in situ dans les fonds sous-marins à partir d'une installation aquatique, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison a) un ensemble comprenant une plaque de base adaptée a reposer en position fixe sur le fond de l'eau et un tubage rigide dont la base est munie d'une couronne dtalésage, ladite plaque présentant un orifice pour le passage du tubage et étant équipée de moyens de retenue de ce tubage pouvant autre actionnés par télécommande, ledit tubage comportant inté- rieurement des moyens d'ancrage pour differents outils et instruments et étant muni à sa partie supérieure de moyens de guidage facilitant l'introduction de ces outils et instruments dans le tubage, b) une conduite flexible soutenue depuis l'installation aquatique atà l'extrémité de laquelle est fixe un moteur de fond pouvant être alimenté en énergie par l'intermédiaire de cette conduite flexible, la partie inférieure du rotor de ce moteur de fond comportant des moyens de rac cordement solidarisant en rotation et en traction la partie superieure du tubage et le rotor. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que lesdits moyens dtancrage des outils et instruments à l'intérieur du tubage sont d'un type permettant une déconnexion par simple traction vers le haut. 3. - Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce qu'il comporte des connecteurs à enclenchement permettant de raccorder entre elles des sections successives du tubage. 4. - Dispositif selon la revendication î, caractérisé en ce qutil comporte un carottier à trousse coupante se fixant auxdits moyens d'ancrage à l'intérieur du tubage, ce carottier comportant un tube de prélèvement déplaçable verticalement sous l'action d'un vérin alimenté en fluide hydraulique sous pression par ladite conduite flexible.