Brevet FR2459357A1 — publié le 19810109

245935t 1. L'invention concerne des outils servant à limiter la déviation des trépans pendant le forage de puits. Il est bien connu que pendant le forage de puits à des profondeurs notables, le trépan a souvent tendance à s'écarter d'un parcours rectiligne, spécialement lorsqu'on fore à travers des couches ayant une dureté et une densité diverses. La pratique classique consiste à forer un puits en faisant tourner depuis la surface un long train de tiges tu- bulairesportant un trépan à son extrémité. Le trépan fore en supportant une partie du poids de la colonne, le reste du poids étant supporté depuis la surface. Il en résulte une grande force de contact entre le trépan et la formation,et cette force de contact, ou "charge sur l'outil" peut subir u- ne rotation, ce qui fait que la formation ou le sol situé en dessous est broyé et usé. Le train de tiges est très flexible à cause de sa grande longueur et par suite il subit un flambage contre le côté du forage alors que la charge sur l'outil est relative- ment faible. Etant donné que le diamètre du train de tiges est inférieur au diamètre du trou (afin de ménager un passage de retour du liquide de forage et d'éviter que le train de tiges ne se coince dans le forage), la partie inférieure du train de tiges n'est pas rectiligne. En fait, à quelque dis- tance au-dessus du trépan, le train de tiges est en contact effectif avec la paroi du forage. Cette distance (dimension appelée L sur la figure 1) dépend de l'angle du trou, du poids de l'outil, des propriétés du train de tiges et d'au- tres facteurs. Etant donné que la partie inférieure du train de tiges n'est pas rectiligne, la force de contact entre l'outil et la formation (charge sur l'outil) n'est généralement pas alignée sur l'axe du trou. La force fait habituellement avec le forage un angle X (figure 1). Cet angle X ne varie pas lorsque le train de tiges tourneet étant donné que le trépan fore dans la direction de cette force résultante, le trou tend à dévier. Les moyens classiques servant à limiter cette déviation ralentissent le processus de forage et sont généra- lement coûteux. On a proposé de maintenir l'outil au centre du fo- 2. rage en "bourrant" le trou de diverses formes de stabilisa- teurs. L'inconvénient de cette solution est qu'elle oblige à insérer un certain nombre de stabilisateurs dans le train de tiges et qu'en outre, un stabilisateur ne peut servir que pour une seule grandeur de trou et n'est pas utilisable ou guère utilisable dans la région de poches de dissolution ou lorsque le trou rencontre une cavité de la formation. Il est bien connu que les stabilisateurs ne font pas grand chose pour éviter la déviation du trou dans les formations dures. Il a été proposé ainsi de prévoir un "coude" dans un nombre choisi de colliers au-dessus de l'outil, de sorte que le cou- de oscille sous l'action de la force centrifuge en décrivant une trajectoire circulaire autour du trou et en frottant contre la paroi latérale de celui-ci. Les tentatives connues d'utiliser ces moyens ont été sans succès en pratique et cet- te technique n'a pas été adoptée largement dans l'industrie du forage. Par conséquent, on a grand besoin d'un moyen sûr et simple permettant de limiter la déviation des trépans pen- dant le forage de puits. L'invention propose un outil permettant de limiter la déviation des puits. Dans un mode d'exécution particulier, l'outil comprend un tronçon de tube à paroi épaisse présen- tant des parties supérieure, moyenne et inférieure, les par- ties supérieure et inférieure étant formées de tronçons de tube à paroi épaisse pratiquement alignés portant à leurs extrémités des moyens permettant de les brancher dans un train de tiges, la partie moyenne étant excentrée relative- ment aux parties supérieure et inférieure, formant une sur- face pratiquement rectiligne d'application au forage et pré- sentant dans une direction un moment d'inertie de surface (c'est-à-dire un module de section) plus petit que dans une direction perpendiculaire à celle-ci, et deux parties de coude reliant solidairement les parties supérieure et infé- rieure à la partie moyenne, ces parties de coude présentant des coudes dans la direction o le module de section est ré- duit. Selon ce mode d'exécution, l'outil est branché dans le train de tiges directement au-dessus du trépan de 245935? 3. sorte que la rotation de l'outil a lieu autour de l'axe du trou. Autrement dit, pendant un tour complet du train de ti- ges, l'outil suit toute la périphérie du forage de sorte que l'angle entre la charge sur l'outil et le forage varie tout autour du forage ce qui fait que l'angle moyen est nul. La charge résultante sur l'outil, calculée en tant que moyenne sur un tour, est exactement alignée sur le forage et, par sui- te, on fore un trou rectiligne. Il est préférable que la longueur de l'outil soit pratiquement égale à la longueur d'une masse-tige classique, par exemple 9 m. On comprend qu'un revêtement dur peut être prévu sur la surface en contact avec le trou bien quedans certaines applications, un revêtement dur ne soit pas néces- saire parce que le contact de l'outil avec la paroi du fora- ge s'étale sur une aire notable. Dans un mode d'exécution préférentiel, l'outil rétrécit, d'une configuration de sec- tion circulaire dans les parties supérieure et inférieure à la configuration de section présentant un module de section réduit dans une direction et qui existe dans la partie moyen- ne. De préférence, ce rétrécissement est réalisé dans les parties de coudede sorte que l'on peut donner à la partie moyenne une longueur maximale, de l'ordre de 3,6 à 6 m, la longueur étant de préférence d'environ 4,5 m. Les outils fabriqués selon l'invention peuvent s'- appliquer dans une gamme de grandeurs de forage. Lorsqu'on utilise un outil pour des trous ayant le plus petit diamètre de cette gamme, la partie moyenne de l'outil reste pratique- ment rectiligne et s'applique à la paroi du trou, pratique- ment sur toute sa longueur. Quand la grandeur du trou se si- tue vers le haut de la gamme, par exemple quand le diamètre est supérieur de 2 à 4 cm à celui du plus petit trou de la gamme, la partie moyenne de l'outil se cintre vers l'extéri- eur dans la direction de module de section réduit de manière à s'appliquer à la paroi du forage. Un avantage de l'outil est que contrairement aux stabilisateurs, il s'adapte à une gamme de grandeurs de fora- ge. Un autre avantage de l'outil est qu'il fonctionne en pré- sence de poches de dissolution ou d'une cavité de la forma- tion. Un autre avantage est encore qu'il peut servir à main- 4. tenir la direction des forages pratiqués sous des angles no- tables relativement à la verticale, par exemple des angles atteignant 450. L'invention propose aussi un procédé de fabrica- tion d'un outil destiné à être incorporé à un train de tiges, au-dessus du trépan, pour réduire au minimum la déviation du puits, procédé comprenant les étapes suivantes:prendre une masse-tige à paroi épaisse à section circulaire présentant un passage de boue disposé au centre et,à ses extrémités, des raccordements destinés à réunir la masse-tige à un train de tiges, fraiser des rétrécissements dans la masse-tige à des distances choisies de ses extrémités tout en ménageant aux extrémités des longueurs discrètes de masse-tige destinées à rester centrées dans le forage lorsqu'elles sont branchées dans le train de tiges, fraiser la partie moyenne entre les rétrécissements de manière à enlever de la matière aux côtés -opposés du passage de boue et à réaliser ainsi un module de section réduit dans une direction, et couder la masse-tige dans les régions rétrécies pour excentrer la partie moyenne relativement aux extrémités, la direction du module de sec- tion réduit de la partie moyenne coïncidant avec la direction des coudes de manière à assurer que tout coudage de la partie moyenne en charge se produise dans la direction des coudes. Les particularités et avantages de l'invention ap- paîtront dans la description plus détaillée ci-après. La figure 1 est une illustration schématique d'une opération de forage classique selon la technique antérieure dans laquelle le train de tiges subit un flambage et repose contre le côté d'un forage à une distance L du fond de celui- ci, ce qui fait que le forage dévie d'un angle X; la figure lA est une coupe prise essentiellement suivant la ligne lA-lA de la figure 1, montrant schématique- ment que l'axe de rotation du trépan de la figure 1 est le centre C du train de tiges; les figures 2 et 3 illustrent schématiquement la partie inférieure d'un train de tiges comportant l'outil de l'invention; les figures 2A et 3A sont des coupes prises essen- tiellement suivant les lignes respectives 2A-2A et 3A-3A des 245935? 5. figures 2 et 3, montrant schématiquement que l'axe de rota- tion du trépan est le centre du forage; la figure 4 une vue de l'outil de limitation de déviation selon l'invention placé à l'intérieur d'un forage; la figure v une vue latérale de l'outil de la fi- gure 4; la figure 6 Xne coupe agrandie de la partie supé- rieure de l'outil, essentiellement suivant la ligne 6-6 de la figure 4; est la figure 7/ une coupe agrandie de la partie moyen- ne de l'outil, prise essentiellement suivant la ligne 7-7 de la figure 4; partie rieure til et forme 1 dur de partie 1l - - - fi la figure 8.est la superposition d'une coupe de la moyenne de l'outil et d'une coupe de la partie supé- de l'outil, illustrant l'importance du coude de l'ou- la position excent ée du passage de boue; la figure 9/une vue de l'outil avant qu'on ne les deux coudes pour excentrer la partie moyenne, est la figure 10/montre-une seule région à revêtement la partie moyenne de l'outil; la figure 11/est une perspective détaillée d'une de l'outil, montrant l'un des rétrécissements avant j - A - Lu cUWUuASw, est la figure 12/une vue de l'outil à l'état non char- gé, placé dans un forage plus grand que celui de la figure 4; est la figure 13/une vue de l'outil et du forage de la figure 12, l'outil étant chargé; les figures 14 et 15 sont des vues similaires à la figure 7, montrant une première et une deuxième variante. de configuration de section de la partie moyenne de l'outil. On décrira d'abord le principe de fonctionnement de l'invention, à propos des figures 1, lA, 2, 2A, 3 et 3A. La figure 1 montre la partie inférieure d'un train de tiges de la technique antérieure dans lequel le poids du train de tiges a pour effet de couder une masse-tige au voisinage de l'outil de sorte qu'elle s'applique à la paroi du forage à une distance L du fond de celui-ci. On a trouvé que pendant que le train de tiges tourne, la masse-tige reste contre le même coté du forage, comme le montre la figure lA, de sorte 6. que le trépan fore sous un angle X relativement au parcours prévu. Les figures 2 et 3 montrent schématiquement l'ou- til de l'invention, branché dans le train de tiges, juste au-dessus du trépan - L'outil est représenté en deux posi- tions à 180 l'une de l'autre. On notera, à propos des figu- res 2A et 3A, que la partie excentrée de l'outil oscille au- tour du forage en s'appliquant à la paroi de sorte que l'an- gle de la charge sur l'outil varie tout autour du forage. S'- il est vrai qu'à tout moment le trépan fore sous un angle X' relativement au parcours prévu, l'angle moyen avec le par- cours prévu est nul c'est-à-dire que la charge résultante sur l'outil est alignée sur le forage. Les figures 4 à 8 illustrent un mode d'exécution préférentiel d'outil/de limitation de la déviation des puits, conçu selon l'invention. Dans le mode d'exécution repré- senté, l'outil 10 présente la forme d'un tronçon de tube à paroi relativement épaisse conçu pour être fixé dans le train de tiges, juste au-dessus du trépan 11. L'outil 10 peut avoir approximativement la longueur d'une masse-tige classique à paroi épaisse, typiquement disposée juste au-dessus du tré- pan, par exemple d'une masse-tige ayant une longueur de l'or- dre de 8,5 à 9,8 m, la longueur la plus couramment utilisée étant d'environ 9 m. - L'outil 10 comprend une partie supérieure 12, une partie inférieure 14 et une partie moyenne excentrée 16. Les parties supérieure et inférieure 12, 14 sont munies, à leurs extrémités, de raccordements classiques permettant d'assembler l'outil 10 dans le train de tiges de façon bien connue de l'homme de l'art, c'est-à-dire en le reliant à un collier adjacent 17 et au trépan 11. Comme le montrent les figures 4 et 7, les parties supérieure et inférieure 12, 14 ont une section circulaire et sont conçues pour être centrées à l'intérieur du forage. De préférence, les parties supérieu- re et inférieure 12, 14 ne s'étendent que sur une petite par- tie de la longueur totale de l'outil 10 et>,dans le mode d'e- xécution représenté, chaque partie 12, 14 a une longueur de l'ordre de 9 m. La partie moyenne 16 fait corps avec les parties 245935? 7. supérieure et inférieure 12, 14 grâce à deux parties de coude en S, 20, 22. Comme on le voit surtout par la figure 4, la partie moyenne 16 forme une configuration en forme de mani- velle présentant une surface allongée pratiquement rectili- gne (désignée par la référence générale 23), conçue pour s'- appliquer au forage sur une partie notable de la longueur de l'outil 10, par exemple sur une distance de l'ordre de 3,6 à 6 m, une distance d'environ 4,5 m étant préférable pour un outil qui a une longueur totale de l'ordre de 9 m. Les par- ties de coude 20, 22 ne comprennent pas seulement les coudes qui servent à excentrer la partie moyenne 16 relativement au centre du forage mais comprennent aussi un rétrécissement de l'outil, des sections circulaires dans les parties 12, 14 (figure 6) à la section réduite dans la partie 16 (figure 7). Les parties rétrécies et coudées 20, 22 et la sec- tion réduite de la partie moyenne 16 sont de préférence réa- lisées par fraisage d'une pièce classique de masse-tige. Dans un procédé préférentiel de fabrication de l'outil 10, on sou- met tout d'abord une masse-tige à paroi épaisse, munie d'un passage central de boue 40, à une opération de fraisage dans laquelle on forme les configurations de section des parties de coude 20, 22 et la partie moyenne 16 en enlevant de la ma- tière à la pièce. Pour former l'outil représenté, on commence par fraiser les parties de coude 20, 22 pour former des ré- trécissements 30 comme le montre la figure Il (un seul rétré- cissement étant représenté). Ensuite, on forme la partie mo- yenne 16 en fraisant un plat 32 sur un côté de la masse-tige et un plat identique de l'autre côté, de préférence à la mê- me distance D du passage de boue 40. On fraise alors les an- gles du plat qui dépasse extérieurement pour former des plats 42, 44 tout en laissant un plat central 46 (figure 7). La figure 9 montre l'outil une fois le fraisage terminé mais avant la formation des coudes. Après l'opération de fraisage, on forme des cou- des dans les régions précédemment rétrécies, parties 20 et 22, de manière à excentrer la partie moyenne 16 comme on le voit surtout par les figures 4 et 8. Pour former les coudes, on peut par exemple cintrer l'outil sur un gabarit au moyen d'un vérin hydraulique. Comme le montre la figure 8, la par- 8. tie moyenne 16 est notablement excentrée de l'axe des par- ties 12, 14. En fait, on a trouvé que l'on obtient d'excel- lents résultats lorsque toute la masse de la partie 16 est excentrée d'un côté de l'axe des parties 12, 14. Dans un mode d'exécution préférentiel de l'inven- tion, tiré d'une massetige de 127 mm de diamètre extérieur, les dimensions de l'outil sont les suivantes. longueur=9 m, diamètre extérieur des parties 12 et 14 - 127 mm, diamètre du passage de boue 40 = 51 mm, longueur des parties 12 et 14 = 0,9 m, longueur des parties de coude et de rétrécisse- ment 20 et 22 = 1,4 m, longueur de la partie moyenne 16 = 4,6 m, excentricité du passage de boue des parties 12 et 14 relativement à celui de la partie 16 (dimension O de la figu- re 9) = 48 mm, dimension de la partie 16 dans la direction de module de section réduit (dimension P de la figure 9) = 76 mm. Cet outil, tiré d'une masse-tige de 127 mm de diamè- tre extérieur, peut servir avec des grandeurs de trou de 1'- ordre de 171 à 184 mm ou même davantage. On a trouvé que des outils tirés d'une masse-tige de 165 mm de diamètre peuvent servir avec des grandeurs de trou de l'ordre de 200 à 216 mm et que des outils tirés d'une masse-tige de 191 mm de diamè- tre extérieur peuvent servir avec des grandeurs de trou de l'ordre de 241 à 251 mm. Les grandeurs précises peuvent va- rier>mais il semble que l'on ait besoin d'un certain nombre d'outils de différentes grandeurs pour s'adapter le mieux possible aux différentes grandeurs de trou qui peuvent varier de 152 à 381 mm environ. Comme on l'a dit plus haut, on peut utiliser une seule grandeur d'outil pour une gamme donnée de grandeurs de trou. Pour le plus petit trou acceptable de la gamme, par exemple un trou de 171 mm pour l'outil de 127 mm décrit plus haut, la surface d'application au trou s'applique pratique- ment à la paroi sur toute sa longueur. Par contre, pour des trous plus grands ou dans des cas o le trou est élargi par une poche de dissolution ou rencontre une cavité de la for- mation, la partie d'application de l'outil ne s'applique pas à la paroi de façon continue, à moins de se courber vers 1'- extérieur. La-figure 12 illustre la situation o l'on utili- 9. se l'outil dans un trou dont le diamètre se situe vers le haut de la gamme de diamètres pour laquelle il est conçu. Comme le montre la figure 12, il existe un espacement 50, par exemple de l'ordre de 9,5 mm, entre la partie moyenne 16 et la paroi du forage quand l'outil n'est pas chargé. Quand on charge l'outil comme le montre la figure 13, la partie moyen- ne 16 se cintre vers l'extérieur dans la direction de module de section réduit (direction des coudes) en formant une par- tie convexe d'application à la paroi, entre les coudes. Typi- quement, le cintrage est assez faible, par exemple seulement suffisant pour franchir un espacement de 9,5 mm de sorte qu'- une partie notable de la partie 16 peut s'appliquer à la pa- roi du forage. On voit que l'outil de l'invention a l'avantage de pouvoir s'appliquer à une gamme de grandeurs de trou et d'être utile même en cas de poches de dissolution ou de cavi- tésdans la formation. Un autre avantage de l'outil est qu'il élimine la nécessité de stabilisateurs dans la zone située immédiatement au-dessus du trépan. Etant donné que la partie moyenne de l'outil s'ap- plique contre la paroi du forage, il est préférable de pré- voir une matière de revêtement dure sur les surfaces 42, 44, 46 qui s'appliquent au forage. Le revêtement dur peut être formé de patins d'usure fixés, par exemple par soudage, aux surfaces 42, 44, 46. Toutefois, il est préférable d'appliquer par bandes à l'outil un revêtement dur dirigé longitudinale- ment, par exemple dans les cinq zones 60 indiquées sur les figures 9 et 10. On obtient une forme préférentielle de revê- tement dur en utilisant une baguette de soudage comprenant de fines particules de carbure de tungstène et un métal ten- dre de base et en déposant la matière sur l'outil par souda- ge à l'arc. On peut utiliser le soudage au gazmais le souda- ge à l'arc est préférable parce qu'il comporte généralement une moindre application de chaleur au tube. Il est préférable d'appliquer des bandes de revêtement dur ayant une épaisseur de l'ordre de 1,6 à 3,2 mm. Il semble que la configuration de revêtement dur indiquée par la figure 10 donne d'excel- lents résultats,mais cette configuration n'est pas nécessaire. Le point important dans la plupart des applications est que 10. les bandes de revêtement dur soient placées dans la direction longitudinale et non dans la direction circonférentielle de l'outil. La figure 14 montre une première variante de la configuration de section de la partie moyenne 16 de l'outil. Selon ce mode d'exécution, les surfaces d'application au fo- rage de la partie 16 comprennent cinq plats fraisés dans 1'- outil. On notera qu'avec cette configuration, à la différence de la configuration à trois plats décrite plus haut, les sur- faces d'application au forage sont plus proches d'un arc et donc, le centre de gravité de la partie moyenne 16 peut être un peu plus excentré que dans le mode d'exécution décrit plus haut. Toutefois, on a trouvé que la configuration a trois plats assure une excentricité satisfaisante et qu'elle est considérablement moins coûteuse à fabriquer qu'un outil à plus grand nombre de plats. On notera que les bandes de revêtement dur situées aussi bien sur la configuration à trois plats (figure 7) que sur celle à cinq plats (figure 14) sont distribuées sur la totalité des surfaces d'application à la paroi; toutefois, il est particulièrement important que les bandes de revêtement dur soient appliquées aux angles en- tre les plats pour réduire au minimum l'usure rapide en ces points. La figure 15 montre une deuxième variante de la configuration de section de la partie moyenne 16. Cette con- figuration de section, ressemblant à la forme d'une banane, a l'avantage de former une surface d'application au forage qui a la forme d'un arc et qui approche notablement de la courbure du forage avec laquelle on l'utilise. Il semble que cette configuration permette l'excentricité maximale du cen- tre de gravité de la partie moyenne; toutefois, si l'on forme cette section en partant d'une seule pièce de masse-tige, cela sera beaucoup plus coûteux que les deux modes d'exécu- tion décrits précédemment. On a décrit l'invention à propos de plusieurs mo- des d'exécution,mais on comprendra qu'il est possible d'y apporter de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. t45915? 11. REVENDICAT IONS. 1. Outil de limitation de la déviation des puits, caractérisé par le fait qu'il comprend: un tronçon de tube à paroi épaisse présentant des parties supérieure, moyenne et inférieure, les parties supé- rieure et inférieure étant formées de tronçons de tube à pa- roi épaisse pratiquement alignés portant à leurs extrémités des moyens permettant de les brancher dans un train de tiges, la partie moyenne étant excentrée relativement aux parties supérieure et inférieure, formant une surface pratiquement rectiligne d'application au forage et présentant dans une di- rection un module de section plus petit que dans une direc- tion perpendiculaire à celle-ci, et deux parties de coude reliant solidairement les parties supérieure et inférieure à la partie moyenne, les parties de coude étant formées dans la direction o le module de section est réduit. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que toute la masse de la partie moyenne est ex- centrée d'un côté de l'axe des parties supérieure et inféri- eure. 3. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface d'application au forage comprend au moins trois plats.. 4. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface d'application au forage constitue un arc approchant de la courbure du forage auquel l'outil est destiné. 5. Procédé de fabrication d'un outil destiné à ô- tre incorporé à un train de tiges, au-dessus du trépan, pour réduire au minimum la déviation du puits, procédé caractéri- sé par les étapes suivantes prendre une masse-tige à paroi épaisse à section circulaire -présentant un passage de boue disposé au centre et,à ses extrémités, des raccordements destinés à réunir la masse-tige à un train de tiges, fraiser des rétrécissements dans la masse-tige à des distances choisies de ses extrémités tout en ménageant aux extrémités des longueurs discrètes de masse-tige desti- nées à rester centrées dans le forage lorsqu'elles sont bran- 245935? 12. chées dans le train de tiges, fraiser la partie moyenne entre les rétrécisse- ments de manière à enlever de la matière aux côtés opposés du passage de boue et à réaliser ainsi un module de section réduit dans une direction, et couder la masse-tige dans la région des rétrécis- sements pour excentrer la partie moyenne relativement aux extrémités, la direction du module de section réduit de la partie moyenne coïncidant avec la direction des coudes de ma- nière à assurer que tout coudage de la partie moyenne en charge se produise dans la direction des coudes. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'outil a une longueur totale de l'ordre de 8,5 à 9,8 m, un diamètre extérieur de l'ordre de 127 à 191 mm et que sa partie moyenne a une longueur de 3,6 à 6 m.