Brevet FR2461087A1 — publié le 19810130

246108? Carottier pour la remontée de carottes sous pression. La présente invention concerne la récupération d'échantillons ou de carottes prélevés au moyen d'un ou- til carottier au fond d'un puits de pétrole, lorsqu'il est désirable de maintenir la carotte prélevée dans des conditions étanches et sous une pression correspondant à celle régnant au fond du puits tandis que cette carotte est remontée à la surface. L'invention fournit également une indication positive, à la surface, relativement au verrouillage de l'outil carottier dans sa condition d'é- tanchéité et à la fermeture de la valve ou soupape qui se trouve à la partie inférieure de l'outil carottier. L'invention concerne en conséquence un carottier sous pression pour la récupération ou la remontée d'une carotte à la pression de la formation ou du gisement, et elle apporte plus spécialement des perfectionnements au type d'outil carottier sous pression faisant l'objet du brevet U.S. 3 548 958. Dans un outil carottier sous pres- sion de ce type, il est important de savoir que l'outil carottier a été fermé de façon étanche à la pression de la formation avant qu'il ne soit ramené à la surface. S'il n'est pas fermé de façon étanche, la carotte ne va pas être représentative des conditions réelles existant dans la formation au fond du puits. L'invention concerne un outil carottier sous pression du type décrit d'une façon générale dans le brevet U.S. N0 3 548 958, présentant un certain nombre de caractéristiques améliorées. Tout d'abord le tube ex- térieur ( à l'intérieur duquel se trouve le tube carot- tier) qui doit assurer l'obturation étanche du système à la pression de la formation est verrouillé de façon po- sitive à la fois dans la position relevée (carottage) et dans la position abaissée (étanchéité). La disposition des organes permet également d'obtenir une assistance hydraulique positive pour déplacer le tube extérieur vers le bas pendant l'opération d'étanchéité, afin de surmon- ter toute friction présente au fond du puits. Ce résultat est obtenu en utilisant la totalité de la pression hy- draulique de la boue, à la fois pour déclencher le méca- nisme de verrouillage et également pour déplacer le tube extérieur vers le bas. En outre, cette pression hydrauli- que n'est pas relâchée tant que le tube extérieur n'est pas parvenu de façon sensiblement complète à sa position inférieure. Suivant une autre particularité de l'invention, la soupape à gaz de mise en pression n'est pas ouverte tant que le tube extérieur n'a pas été abaissé sensiblement jusqu'à la position de fermeture et jusqu'à ce que la val- ve ou soupape de retenue étanche de la carotte n'a pas été actionnée. Une autre particularité encore assure l'ac- tionnement sous l'effet du ressort de la soupape de rete- nue étanche de la carotte, pour éviter l'endommagement du mécanisme d'actionnement de cette soupape en cas de coincement. Une autre particularité encore de l'invention concerne l'utilisation de cannelures et de linguets de verrouillage très résistants, qui permettent le verrouil- lage à la fois en position ouverte et en position fermée, et également la transmission du couple dans ces deux po- sitions. D'autres avantages et perfectionnements de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Afin de pouvoir mieux comprendre les détails de l'invention, on se reportera aux dessins annexés, qui sont donnés à titre non limitatif et qui concernent un mode de réalisation possible de l'invention. Dans ces des- sins, chaque fois que cela a été possible, on a utilisé les mêmes références que celles employées pour désigner des éléments équivalents dans le brevet U.S. NO 3 548 958. Sur les dessins: - La Fig. 1 est une représentation schématique avec coupe partielle de la partie supérieure de l'outil carottier sous pression, dans la position de carottage ou de prise de carotte. La Fig. 2 est analogue à la Fig. 1, l'outil ca- rottier se trouvant toutefois en position étanche. La Fig. lA montre la section immédiatement sous-adjacente de l'outil carottier, dans laquelle la source de gaz de mise en pression et les soupapes associées sont logées, l'ensemble se trouvant dans la position de carottage. La Fig. 2A est analogue à la Fig. lA, les sou- papes de mise en pression par le gaz étant ouvertes et l'outil carottier se trouvant dans sa condition d'étanché- ité. La Fig. IB montre la section immédiatement sous- adjacente de l'outil carottier, avec les détails de la soupape de mise en pression par le gaz et le mécanisme à ressort servant à protéger la soupape d'étanchéité de la carotte, cette Fig. IB correspondant à la position ouverte de carottage. La Fig. 2B est analogue à la Fig. IB, les élé- ments se trouvant toutefois dans la condition fermée d'é- tanchéité. La Fig. IC montre les détails de la partie in- férieure de l'outil carottier dans la position ouverte et la Fig. 2C montre la même partie de l'outil carottier dans la position d'étanchéité. La Fig. 3 montre l'outil carottier en position d'étanchéité, monté dans un système de rinçage sous pres- sion, pour l'élimination par rinçage de la boue de forage à partir de l'outil carottier avant la congélation de l'ensemble pour le sectionnement et l'analyse. La Fig. 4 est une vue en coupe par la ligne 4-4 en Fig. 1. La Fig. 5 est une vue en coupe par la ligne 5-5 en Fig. 2. Si l'on considère maintenant les détails repré- sentés sur les Fig. 1 à 3, on voit que l'outil carottier comprend un tube extérieur 11 et un tube intérieur 12, reliés entre eux par un raccord à coincement désigné d'une façon générale par la référence 13. Le tube extérieur Il est formé d'un certain nombre de sections désignées par , 16, 17 et 18, ainsi que par plusieurs raccords 19 et 20. La partie inférieure du tube extérieur est munie d'un raccord 22 destiné à être relié à un trépan carottier (non représenté). Le tube intérieur 12 est agencé de façon à &tre supporté par la colonne de tiges de forage au moyen d'un raccord prévu à son extrémité supérieure (non représenté). Si l'on se reporte maintenant à l'agencement particulier visible sur les Fig. 1 et 2, on peut voir que le tube extérieur 11 est maintenu dans sa position supé- rieure (position ouverte) au moyen de trois linguets 24 portés par une section supérieure cannelée de plus grand diamètre 26 du mécanisme de support du tube intérieur 12. On a représenté sur la Fig. 4, les cannelures 28 qui coopèrent avec des cannelures femelles 29 du tube extérieur. Les détails des linguets 24 et de leurs gorges associées 30 sont représentés sur la Fig. 5. Comme on peut le voir, il est prévu trois linguets qui s'engagent dans la gorge 30 et, suivant un mode de réalisation préféré; les cannelures sont au nombre de huit. En-conséquence la rotation des cannelures d'un huitième de tour à chaque nou- vel assemblage de l'outil carottier assure la rotation des linguets 24, qui viennent coopérer avec une partie diffé- rente de la gorge cylindrique 30, en uniformisant l'usure de cette gorge. Le tube intérieur porte un cylindre 32 d'action- nement des verrous, qui est maintenu dans la position su- périeure (représentée) par un ressort 33. Dans cette po- sition, la partie de plus grand diamètre 34 du cylindre 32 prend appui contre les surfaces arrière des linguets de verrouillage 24 et les maintient en position complètement sortie d'engagement dans la gorge cylindrique 30. Sur la Fig. 1, les linguets de verrouillage 24 sont représentés dans la gorge cylindrique inférieure 30 et, sur la Fig. 2, ils sont montrés dans leur position d'engagement dans la gorge cylindrique supérieure 30. Sur la Fig. 1, on a représenté également une bille 35 qui a été envoyée par pompage vers le bas jusque dans un siège de soupape 36 prévu à la partie supérieure -du cylindre creux 32 d'actionnement des verrous. En fonc- tionnement normal, sans la bille 35, la boue de forage passe en direction du bas, en suivant l'axe de l'outil carottier, à travers le cylindre creux, jusqu'à la base du trépan carottier, selon la pratique de carottage clas- sique. Quand la bille 35 repose dans le siège 36, l'écou- lement de la boue de forage est interrompu et la pression au-dessus de la bille 35 augmente, ce qui tend à repousser vers le bas le cylindre 32 d'actionnement des verrous. Quand les parties de diamètre maximum 34 du cylindre 32 d'actionnement des verrous se sont déplacées vers le bas à un degré suffisant pour libérer les linguets de verrouil- lage, en permettant leur mouvement vers l'intérieur, ces linguets sont repoussés dans les gorges cylindriques 37 du cylindre 32. Ceci libère le tube extérieur et lui per- met de se déplacer de la position ouverte jusqu'à la po- sition fermée représentée sur la Fig. 2. Quand le cylin- dre 32 d'actionnement des verrous est repoussé vers le bas par la pression hydraulique s'exerçant sur la bille 35, il comprime le ressort 33 tant qu'une pression hydraulique maximum agit au-dessus de la bille 35. Lorsque le tube extérieur 11 se déplace vers le bas, son extrémité supé- rieure franchit les orifices 38, ce qui permet à la pres- sion maximum de la boue de s'échapper vers l'extérieur de l'outil carottier. Ceci réduit la pression au-dessus de la bille 35, en permettant au ressort 33 de repousser le cylindre 32 d'actionnement des verrous jusqu'à sa position supérieure, ce qui ramène ainsi les linguets de verrouil- lage 34 vers l'extérieur quand la gorge cylindrique supé- rieure 30 atteint lesdits linguets. Sur les Fig. lA, lB, 2A; 2B, on a représenté des détails du système de commande de pression et de sa sou- pape d'actionnement. A de nombreux égards ce système est analogue au système de commande de pression décrit dans le brevet U.S. N0 3 548 958. Il est prévu un réservoir d'azote sous pression analogue 40, un régulateur de pres- sion 41, une soupape d'arrêt 42 et un dispositif 43 d'ac- tionnement de la soupape. Au point de vue fonctionnement ces éléments agissent essentiellement de la même manière que les éléments correspondants du brevet U.S. cité. Tou- tefois, dans le cas de l'invention, l'organe d'actionne- ment de la soupape est formé par un épaulement 43 du tube extérieur et est agencé pour déplacer la soupape d'arrêt 42 vers le bas quand ce tube extérieur a atteint sa posi- tion inférieure. Ceci permet la mise en pression de l'ou- til carottier simplement quand cet outil se rapproche de sa condition de fermeture étanche. On se reportera maintenant aux figures 1C et 2C sur lesquelles on a représenté en détail la partie de fer- meture étanche inférieure de l'outil carottier. Cette par- tie comprend une valve à boisseau sphérique rotative du même type que celle représentée dans le brevet U.S. pré- cité, cette valve étant désignée par 44 et comprenant un mécanisme d'actionnement 46 classique à crémaillère et pignon, qui est porté par une chemise 47, tout ces élé- ments étant supportés par le tube extérieur. Quand le tube extérieur se déplace vers le bas au delà de l'extrémité du tube intérieur pendant l'opération de fermeture étanche, une partie de plus grand diamètre 48 prévue à l'extrémité du tube intérieur vient s'appliquer contre l'épaulement 49 prévu à la partie supérieure du cylindre 47 d'actionne- ment de la valve, formé par une chemise, et tandis que le tube extérieur poursuit son mouvement vers le bas, ce cy- lindre d'actionnement 47 se déplace par rapport à la val- ve à boisseau sphérique 46, en actionnant ainsi le mé- canisme à crémaillère et pignon et en refermant la valve pour l'amener dans la position visible sur la Fig. 2C. Si un obstacle se présente, la fermeture de la valve est em- pêchée par compression du ressort 50 qui supporte la base dutube intérieur comme visible sur la Fig. 2B. Ce ressort n'est comprimé que partiellement au cours du fonction- nement normal lors du mouvement de fermeture de la valve. La carotte est indiquée en 51. En ce qui concerne la disposition des éléments ainsi décrits en détail, on notera que le diamètre supé- rieur du tube extérieur soumis à la pression maximum de la boue est plus grand que le diamètre du tube intérieur à l'endroit o il est rendu étanche par rapport au tube extérieur par le joint 39. En conséquence, une force hy- draulique plus grande agit vers le bas sur le tube exté- rieur, par rapport à celle agissant sur le tube intérieur. Ainsi, le tube extérieur va être déplacé vers le bas non seulement sous l'effet de la pesanteur, mais par cette pression hydraulique différentielle. Il en résulte cet avantage que le tube extérieur est déplacé avec certitude vers le bas jusqu'à sa position de fermeture étanche mal- gré la friction à l'intérieur du puits ou les autres obs- tacles qui pourraient tendre à empêcher le libre déplace- ment de ce tube extérieur vers le bas jusqu'à sa position de fermeture. Le fonctionnement du dispositif suivant l'in- vention est analogue à celui du dispositif faisant l'ob- jet du brevet U.S. précité. Quand la carotte 51 a été prélevée, l'ensemble est relevé de quelques mètres à l'é- cart du fond du trou foré pour préparer la retenue étan- che de la carotte. La bille 35 est ensuite descendue par pompage le long de la colonne de tiges jusqu'à ce qu'elle vienne reposer sur la soupape 6. A ce moment, la pression de la boue de forage augmente, en comprimant le ressort 33 et en déplaçant vers le bas le cylindre 32 d'actionne- ment des verrous. Ceci libère les linguets 24, qui échap- pent à la gorge cylindrique inférieure 33, en libérant ainsi le tube extérieur 11 qui peut se déplacer vers le bas à la fois sous l'effet de la pesanteur et sous celui de la pression hydraulique préférentielle. Le mouvement vers le bas du tube extérieur se poursuit jusqu'à ce que la pression différentielle soit réduite par le dégagement des orifices de mise à l'atmosphère 38 lorsque l'extré- mité supérieure du tube extérieur 11 parvient au-dessous de ces orifices. A ce point bas, la chute de pression au- dessus de la bille 35 va être indiquée à la tête du puits. Le pompage de la boue est alors ralenti et le ressort 33 exerce une force dirigée vers le haut sur le cylindre d'actionnement 32, en tendant ainsi à repousser les lin- guets 24 vers l'extérieur, de sorte qu'ils pénètrent dans la gorge cylindrique supérieure 30 dès que celle-ci occupe la position visible sur la Fig. 2. Le fait que les linguets ont pénétré positivement dans la gorge su- périeure cylindrique 30 peut être déterminé en abaissant l'ensemble jusqu'au fond du trou foré. Si ces linguets sont verrouillés, le tube extérieur va être retenu en position verrouillée et la pression de la boue va s'échap- per de façon continue par les orifices de détente 30. Si les linguets ne sont pasverrouillés, le tube extérieur va être repoussé vers le haut en obturant ces orifices 38 de façon étanche, et la pression hydraulique va aug- menter de nouveau à l'intérieur du train de tiges. Quand le tube extérieur se déplace vers le bas, l'épaulement 43 attaque la partie supérieure de la soupape d'arrêt 42 et la déplace vers le bas jusqu'à la position visible sur la Fig. 2A, en assurant la mise en pression de l'outil carottier. En même temps, le joint 52 a pénétré, dans la partie cylindrique étranglée 54 du tube extérieur, en établissant un 5oint étanche supérieur pour la partie de l'outil devant être mise en pression par l'azote. La partie 54 est supportée-par la surface cylindrique inté- - rieure du raccord 19. Comme indiqué précédemment, la mise en pression de l'espace ménagé au-dessous du joint par les surfaces 52 et 54 ne se produit pas tant que le tube extérieur n'est pas parvenu sensiblement au bas de sa course de déplacement. Outre l'ouverture de la soupape d'arrêt libérant l'azote, le mouvement vers le bas de la soupape 42 jusqu'à l'épaulement 45 empêche de façon positive un autre mouve- ment vers le bas du tube extérieur 11. Comme indiqué précédemment, la course vers le bas du tube extérieur a également actionné la valve à boisseau sphérique 44,pour la fermer et rendre étanche le tube de carottage. Celui-ci est maintenant à la pres- sion prédéterminée pour la carotte. Celle-ci est alors ramenée à la surface dans sa condition de pression, en milieu étanche. A la surface, toutes les parties du tube extérieur situées au-dessus du raccord 19 sont démontées et il en est de même de la partie du tube intérieur si- tuée au-dessus du joint 52. Cette partie est alors rem- placée comme visible sur la Fig. 3 par un chapeau 56 relié à une source convenable de gaz sous pression et de liquide de rinçage indiquée schématiquement en 58. Entre- temps, le trépan carottier est séparé du raccord 22 et est remplacé par un embout inférieur 60 d'alimentation en pression. L'ensemble est ensuite mis sous pression, la valve à boisseau sphérique est ouverte par actionnement d'une tige (non représentée) s'étendant jusqu'à l'extérieur de l'outil et la boue est ensuite évacuée en envoyant un milieu convenable à travers un conduit sous pression 62. La valve 44 est ensuite refermée tandis que la carotte se trouve encore à la pression élevée désirée, cette carotte est congelée et les chapeaux terminaux sont enlevés. La carotte peut ensuite être analysée de façon convenable, par exemple par sectionnement ou d'une manière analogue. Dans les cas o l'outil carottier sous pression est étudié de façon à supporter une pression maximum de 350 kg/cm2 environ, l'invention permettra de prélever une carotte à une profondeur o règne une pression dépassant nettement 350 kg/Cm2. L'outil carottier est ensuite relevé jusqu'à une profondeur correspondant à une pression de l'ordre de 350 kg/Cm2" puis le raccord à coincement est déclenché pour isoler la carotte de façon étanche à cette pression de 350 kg/cm2 et la carotte maintenue sous pres- sion est ensuite remontée à la surface. Quand un carottage à très haute pression doit avoir lieu et qu'on utilise une retenue étanche à une pression intermédiaire, un dis- que de rupture ( réglé par exemple à 420 kg/cm2) peut être utilisé pour éviter des explosions à la surface si l'outil carottier a, par inadvertance, été fermé de fa- çon étanche sous une pression ambiante anormalement élevée. Des modifications peuvent être apportées au mo- de de réalisation décrit, dans le domaine des équivalen- ces techniques, sans s'écarter de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Outil carottier sous pression du type com- prenant un tube intérieur destiné à être relié à l'extré- mité inférieure d'une colonne de tiges de forage et com- prenant un tube carottier, un tube extérieur monté de fa- çon coulissante autour de ce tube intérieur, un raccord à coincement pour relier par verrouillage ces tubes in- térieur et extérieur dans une condition de prélèvement d'une carotte, des moyens pçur déclencher le raccord à coincement en permettant ainsi un déplacement axial rela- tif des tubes jusqu'à une condition de retenue de la ca- rotte, les tubes délimitant dans cette condition de rete- nue de la carotte une chambre sous pression fermée, le tube recevant la carotte étant logé dans la chambre de pression quand les tubes intérieur et extérieur se trou- vent dans cette condition de retenue de la carotte, un système de commande pneumatique porté par le tube intérieur pour maintenir une pression contrôlée par le mouvement axial des tubes pour assurer la fermeture étanche de la base du tube extérieur afin de former la base de la cham- bre sous pression fermée, caractérisé en ce que le sys- tème de commande pneumatique est supporté avec ses sou- papes par le tube intérieur, à l'intérieur de la chambre sous pression fermée. 2.- Outil carottier sous pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour exercer la pression maximum de la pompe à boue sur une partie du tube extérieur dans une zone de celui-ci présentant une section droite accrue, les tubes intérieur et extérieur étant rendus étanches l'un par rapport à l'autre vis-à-vis de cette pression maximum dans une zone ayant une section droite plus petite, de sorte que la pression maximum de la pompe à boue engen- dre une force différentielle qui déplace le tube extérieur vers le bas jusqu'à la position de retenue de la carotte. 3.- Outil carottier sous pression suivant la revendication 2, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour évacuer la pression maximum de la pompe à boue quand le tube extérieur s'est déplacé axialement il sensiblement jusqu'à sa position complètement sortie. 4.- Outil carottier sous pression suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour ouvrir la soupape de commande pneumatique quand le tube extérieur s'est dépla- cé axialement sensiblement jusqu'à sa position complètement sortie. 5.- Outil carottier sous pression suivant l'une quelconque des revendications précitées, caractérisé en ce que le raccord à coincement comprend des organes de ver- rouillage comportant des linguets portés par le tube in- térieur et destinés à coopérer avec des gorges supérieure et inférieure ménagées dans le tube extérieur, ces organes de verrouillage retenant le tube extérieur à la fois en 1.5 position de forageet en position sortie, lesdits organes de verrouillage étant dégagés quand la pression maximum de la pompe à boue s'exerce à l'intérieur de l'outil ca- rottier au-dessus d'une soupape à boue fermée prévue dans cet outil. 6.- Outil carottier sous pression suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les linguets de verrouillage sont supportés par des cavités du tube in- térieur de façon à coopérer avec des gorges continues du tube extérieur, les tubes étant verouillés par des can- nelures qui sont prévues en un nombre supérieur à celui des linguets de verrouillage, pour permettre une rotation circonférentielle de ces linguets à verrouillage pendant le montage, pour compenser l'usure des gorges. 7.- Outil carottier sous pression suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape de com- mande pneumatique comprend un épaulement attaqué par un épaulement correspondant du tube extérieur, la venue en contact ainsi réalisée quand le tube extérieur se déplace vers le bas ouvrant d'abord la soupape de commande, puis servant à limiter la course du tube extérieur par rap- port au tube intérieur. 8.- Procédé de prélèvement d'une carotte au moyen de l'outil carottier suivant l'une quelconque des revendications précitées, suivant lequel l'outil est étu- dié pour supporter une pression maximum d'environ 350 kg/ cm2, caractérisé en ce qu'on prélève une carotte à une profondeur à laquelle règne une pression de l'ordre de 350 kg/cm2, puis on déclenche le raccord à coincement pour retenir la carotte de façon étanche sous cette pression de 350 kg/cm2.