Brevet FR2496160A1 — publié le 19820618

L'invetltion se rapporte à un raccord étancne pour l'utilisation en circulation inverse des outils conventionnels de forage travaillant en circulation directe tels que tricones, turbines, marteaux fond de trou et autres outils analogues. De cette manière, l'invention permet de répondre aux problèmes généralernent rencontrés en circulation directe et tout particulièrement dans les forages pétroliers, la circulation inverse per.nettant de résoudre de tels problèmes avec plus de sécurité. En outre, le raccord étanche conçu pour l'utilisation en circulation inverse des outils conven- tionnels de forage, peut avantageusement servir à la mise en production des couches pétrolières en raison des moyens propres a ce raccord. Parmi les principaux problèmes rencontrés dans les forages utilisant la circulation directe, on peut citer la difficulté d'utiliser plusieurs fluides de composition diffé- rente pour le colmataJe des terrains traversés, la forte pression exercée sur le front de taille de l'outil, la vitesse de remontée relativement lente des déblais, l'érosion des parois du trou de forage provoquée par la remontée des déblais, les pertes d'injection dans les terrains traversés,l'accumulation des déblais dans les forages déviés ou horizontaux. Ainsi, l'objet de l'invention est un raccord étanche pour l'utilisation des outils conventionnels de forage en circulation inverse, outils commandés par turbines compris, le raccord étant du type comprenant des canaux reliant l'annulaire d'un train de tiges doubles tubes aux entrées des canaux d'un outil de forage ainsi que des canaux reliant l'espace intérieur du train de tiges à l'espace annulaire inférieur entre paroi de forage outil et raccord, caractérisé en ce que le raccord comporte un dispositif d'étanchéité double composé d'un premier moyen d'étanchéité externe ( 21, av ) interdisant toute comunicaticn directe entre l'espace annulaire inférieur ( 7 } et l'espace annulaire supérieur ( 13 ) compris entre paroi de forage et train de tiges, et au moins un clapet (1ô) debouchant sur un espace en com.aunication avec l'espace intérieur du train de tiges interdisant tout passage entre l'annulaire inférieur (7) et l'annulaire supérieur (13) à l'intérieur du raccord aussi longtemps qu'il n'est pas cojn- mandé par une pression d'injection dans l'espace intérieur du train de tiges qui soit supérieure à la pression de la colonne de fluide de l'annulaire supérieur (13). I1 suffit donc d'accroitre la pression d'injection à l'intérieur du train de tiges pour provoquer l'ouverture d'un passage entre l'espace intérieur du train de tiges doubles tubes et l'espace annulaire supérieur (13). Dans ces conditions, on peut aisément introduire à tout niveau un fluide statique de composition déterminée fonction des terrains rencontrés, le fluide étant contenu dans l'espace annulaire supérieur entre paroi et train de tiges. Une autre caractéristique de l'invention est de conjuguer le dit clapet à un obturateur à bille, à un niveau situé entre celui du clapet et celui des extrémités supérieures des canaux inférieurs du raccord débouchant sur l'espace annulaire inférieur,pour éviter toute pression au droit de l'outil, le fluide injecté par l'espace intérieur du train de tiges doubles tubes étant directement transmis à la partie inférieur de la colonne du fluide statique de composition donnée et susceptible de varier avec les couches traversées sans souiller l'outil de forage (S), et notamment lorsque celui-ci est entraîné par une turbine. On peut donc, à la reprise du forage, utiliser à nouveau un fluide de forage indépendant du fluide statique et utiliser de l'eau claire pour l'entralnement éventuel d'une turbine. D'autre part, l'indépendance des fluides statiques et de forage permet de décompresser le front de taille de l'outil, d'accroître la vitesse des déblais par leur évacuation immédiate, évitant tout rebroyage et par conséquent accroissant en définitive la vitesse du forage, l'usure des outils étant moindre. De même, l'élimination du phénomène d'érosion des parois provoquée par la circulation directe a pour avantage la suppression éventuelle du programme de tubage, les parois venant d'etre forées n'étant en contact qu'avec un fluide statique adapté à la formation traversée. En particulier, on constate une importante réduction des pertes d'injection car le fluide de forage est immédiatement canalisé à la sortie de l'outil et de ce fait échappe pratiquement des zones de terrais à pertes. Le fluide statique travaillant dans ce cas en absorption vient immédiatement colmater cette zone. De plus, la séparation des fluides permet, si cela est nécessaire, d'alléger le poids de la colonne du fluide d'injection en faisant varier sa densité et en l'allégeant par une injection d'air à la partie supérieure des doubles tubes si.on le désire. Le raccord, objet de l'invention, permet notamment d'exécuter des forages déviés ou horizontaux dans lesquels les déblais sontrimmédiatement éliminés, et d'utiliser tous les outils classiques de circulation directe en utilisant la circulation inverse avec tous ses avantages y compris lorsque l'on utilise des turbines de forage. La possibilité d'inverser à tout moment le flux d'injection permet en outre, un nettoyage de l'outil au niveau meme où il se trouve. Une autre caractéristique de l'invention est l'utilisatic d'un clapet à verrouillage afin de maintenir son ouverture et d'établir une communication entre annulaires supérieur et inférieur, de façon à pouvoir remonter aisément le train de tiges en évitant ainsi tout phénomène de déterioration des joints et de succion par effet de piston. D'autres objets et caractéristiques ressortiront de la description suivante faite en référence aux dessins annexés qui représentent, à titre d'exemple non limitatif,un mode de réalisation de la présente invention. Sur les dessins La figure 1 est une représentation schématique partielle en coupe du raccord équipé de son outil et raccordé à un train de t La figure 2 est une représentation du raccord dont le clapet* intérieur est ouvert et non verrouillé. La figure 3 est une représentation du raccord dont le clapet est ouvert et verrouillé. La figure 4 est une représentation de la circulation des fluides au cours d'une opération de nettoyage de l'outil. Le raccord 1 (figure 1) est du type adaptable à un train de tiges boubles tubes 2 et à canaux croisés, les canaux tels qu reliant l'espace 9,conris entre les tubes 11 et 2 composant les doubles tubes l'extrémité 4 de l'outil 5 et les canaux 6 joignant l'espace annulaire inférieur 7 en dessous du raccord a l'espace intérieur 8.du tube intérieur 11 des doubles tubes 2. Des passages 12 sont incorporés au raccord 1 ainsi défini et relient l'espace annulaire supérieur 13,situé au dessus du raccord entre les doubles tubes 2 et les parois 14 du forage , à un passage 15 normalement obturé par un clapet lui servant de logement. Dans l'exemple illustré sur la figure, une bille 16 repose sur un siège conique 17. Un ressort taré 18 maintient la bille sur son siège 17 en prenant appui sur le support 19, de sorte qu'en forage direct par exemple, le fluide de forage descendant de l'espace intertubes 9 et arrivant à l'outil 5 par les canaux 3, remonte chargé des déblais par l'espace annulaire inférieur 7, les canaux 6 et dans l'espace intérieur 8 du tube 11 du double tube 2 sans pénétrer dans les passages 12, les sièges coniques 17 débouchant à la partie supérieure des canaux 6 étant obturés par les billes 16. Une jupe 20 montée sur bague ou sur roulement, entoure au moins la partie inférieure du raccord afin d'assurer par les joints annulaires 21 et 22, l'étanchéité entre les fluides baignant l'outil 5 et les fluides se trouvant au.dessus de ces joints. Des roulements 23 et 24 dans des logements correspondants 25 et 26 du raccord prennent appui sur la partie in térieure de la jupe 20 afin de permettre la rotation du raccord et l'entrainement de l'outil 5. Les joints 21, 22 peuvent être de toute nature convenable et leur forme est telle que les pressions des fluides qu'ils supportent contribuent à les appliquer contre les terrains 14. Le joint supérieur 21 porte par la jupe 20 a donc tendance à s'appliquer sur la paroi 14.sous l'effet de la pression de la colonne du fluide 13, l'étanchéité du joint 22 étant favorise par la pression du fluide de forage contenu dans l'espace 7. Les clapets 16 utilisés peuvent prendre diverses configurations selon les travaux à exécuter. C'est ainsi que l'on a représente (figure 2) un clapet s'ouvrant sous l'effet d'une surpression obtenue dans 11 espace intérieur 8 des doubles tubes 2. Cette surpression est obtenue en fermant en tête du train de tiges 2, l'espace annulaire 9 entre double tube par un raccord 27 et en procédant à une injection dans l'espace intérieur 8. Afin d'éviter les surpressions au droit de l'outil 5 et des joints 22, la partie interne du raccord 1 située au dessus de la jonction des canaux 6 et en dessous du niveau des clapets 16 est conformée pour recevoir une coupelle 28 pourvue d'un orifice tronconique 29.Il suffit de lancer une bille 30 obturant l'orifice 29 pour dévier le fluide introduit dans l'espace intérieur 8 et qui s'échappe alors dans l'annulaire externe 13 compris entre la paroi 14 et le tube 2 du double tube Il est donc possible, si on le désire, d'interrompre à tout-moment le forage et de changer le fluide statique de l'annulaire supérieur 13 selon la nature des terrains rencontrés et d'utiliser par exemple des fluides contenant divers agents colmatants sans avoir à souiller l'outil 5 utilisé et notamment les turbines d'entrainement de l'outil lorsque ce moyen de forage est utilise. On saint en effet que le meilleur rendement des turbines est obtenu par l'injection d'eau, de sorte qu'il suffit d'utiliser l'espace annulaire 9 propre aux doubles tubes 2 pour l'entrainement de la turbine.Au cours de l'interruption du forage et de l'injection d'une nouvelle boue par le circuit espace intérieur 8, passage 12, annulaire 1: on voit que l'outil n'est pas souillé par cette opération et qu'il suffit d'interrompre l'injection et de reprendre la circulation dans l'espace 9 des doubles tubes 2 pour chasser la bille 30 vers la surface en reprenant le forage. Le raccord ainsi équipé de clapets et de passages 12, permet donc à tout niveau désiré d'interrompre le forage et d'effectuer un chargement total ou partiel du fluide statique de colmatage, sans destruction des joints et sans souiller l'outil utilisé quel qu'il soit et notamment les outils entrainés par turbines. Les clapets utilisés commandant les passages 12, peuvent être aussi du type représenté figure 3 afin de permettre un verrouillage du clapet 16 en position ouverte. Dans ce cas, les sièges coniques 17 des billes 16 peuvent aussi etre repoussés afin d'ouvrir les passages 12 sous l'effet d'une pression dtinjection,dans l'espace intérieur 8 des doubles tubes, supérieure à celle du fluide statique baignant le passage 12, en utilisant à la place de la bille 30 de petit diamètre de l'ordre de grandeur du diamètre de la bii.- le 16, une bille 31 de large diamètre réservant une zone étroite entre elle et les sièges 17 des clapets ; son diamètre peut etre de l'ordre de plus du double du diamètre de la bille 16. Le raccord de tette 27 obturant, comme précedemment, l'espace 9 des doubles tubes 2, une injection dans l'espace intérieur 8 crée une surpression dans les zones étroites comprises entre siège 17 et bille 31, entrainant le déplacement des ensembles billes 16, sièges 17. Ceux-ci comportent des verrous 32 qui s'écartent des sièges 17 au cours de leur éjection jusqu'à ce que leurs extrémités viennent se loger en arrière de l'épaulement 33 lorsque le ressort 18 s'appuyant sur son siège 34 est comprime. Les billes 16 sont ainsi retenues en permanence, même lorsque l'on arrete la surpression ayant permis le ver rouillage des clapets en position d'ouverture.De cette manière, il est possible de remonter aisément le train de tiges en retirant le raccord de tête 27, Une pression plus forte dans l'espace annulaire 13 permet, en effet, de chasser la bille 31 par la circulation d'un fluide dans le passage 12, maintenant ouvert, de là, dans les canaux 6, puits à travers l'outil 5 et les canaux 3 dans l'annulaire 9 des doubles tubes 2, la bille 31 repoussée par la plus forte pression de la boue de l'annulaire 13 libérant l'orifice 29. Cette meme position des clapets de contrôle des passages 12 permet le forage en circulation directe si on le désire à un moment donne. On remarquera qu'en fermant en surface l'annulaire 13, on peut aisément proceder au nettoyage de l'outil en circulation inverse. La fermeture 35, figure 4,- en tete de l'annulaire entourant les doubles tubes 2, permet l'injection dans l'espace intérieur 8, le fluide de nettoyage traversant les canaux 6 puis l'outil 5 et les canaux 3, pour rencontrer dans l'espace annulaire 9 des doubles tubes 2. Bien que l'on n'ait représenté sur les dessins qu'un seul mode de réalisation de l'invention, on comprendra que les joints externes assurant l'étanchéité entre fluide statique 13 et fluide de forage 7,peuvent etre de tous types convenables ainsi que les clapets assurant le contrôle des passages inter nes du raccord entre les trois espaces:annulaire inférieur7, annulaire supérieur 13 et train de tiges doubles tubes 2 en liaison avec tout obturateur des canaux inférieurs 6 et tout raccord dc tette que l'on dispose en surface pour obturer l'annulaire 9,propre au train de doubles tubes 2,ou l'annulaire 13 situé autour des train de doubles tubes 2. En particulier, les billes 16 peuvent être remplacées par des membranes tarées que l'on fait éclater par effet de surpression. Ces membranes peuvent donc être utilisées telles quelles et obturer directement les passages (la) dont la forme peut éventuellement varier avec le raccord lui-mEme et l'outil auquel il est fixé. On comprendra donc que le mot clapet doit être pris dans son sens général dans les revendications et englobe tout dispositif a soupape, bille ou membrane associées ou non à des dispositifs de verrouillage permanent en position d'ou verture en vue d'accomplir la succession des opérations ex posées, et notamment le remplissage, à tout niveau, du flui de statique choisi en préservant l'outil de toute souillure. REVENDICATIONS 10) Raccord étanche pour l'utilisation des outils conven tionnels de forage en circulation inverse, outils commandés par turbines compris, du type comprenant des canaux reliant un annulaire (9) de doubles tubes aux entrées de canaux d'un outil(5) et des canaux (6) reliant l'espace intérieur d'un train de tiges à l'espace annulaire inférieur (7) entre paroi de forage, outil et raccord caractrisé en ce que le raccord comporte un dispositif d'étanchéité double, composé d'un premier moyen dé- tanchéité externe (21,22), interdisant toute communication directe entre l'espace annulaire inférieur (7) et l'espace annu laire supérieur (13) compris entre paroi de forage (14) et train de tiges (2), et au moins un clapet (16) débouchant sur l'espa- ce intérieur du train de tiges, interdisant tout passage entre l'annulaire inférieur (7) et l'annulaire supérieur (13) à l'in térieur du raccord aussi longtemps qu'il ntest pas commandé par une pression d'injection dans l'espace interieur (8) au train de tiges qui soit supérieure à la pression de la colonne de fluide de l'annulaire supérieur (13). 20) Raccord tel que revendiqué en 1 caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité externe (21,22) est composé de joints supérieurs (21) conformés pour s'appliquer contre la paroi de forage sous l'effet de la pression de la colonne de fluide de l'annulaire supérieur (13) entre paroi et train de tiges, et de joints inférieurs (22) conformés pour s'appliquer sur la paroi de forage sous l'effet du fluide de forage contenu dans l'es- pace annulaire inférieur (7). 30) Raccord tel que revendiqué en 2 dont les moyens d'é tanchéité externe (21,22) sont montés sur une jupe (20) portée par des moyens de glissement ou de roulement (23,24), montés dans des logement. périphériques (25,26) du raccord. 40) Raccord revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont le clapet (16) interdisant tout passage intérieur au raccord entre les annulaires inférieurs (7) et supérieur (13), obture un logement débouchant,d'une part sur l'espace intérieur reliant les canaux (6) débouchant sur l'annulaire inférieur (7) et sur l'espace central du raccord communiquant avec l'espace intérieur (8) du train de tiges doublestubes(2) d'autre part sur au moins un canal (12) débouchant sur l'espace annulaire supérieur j13) entre forage et train de tiges. 50) Raccord tel que revendiqué en 4 comportant un siège conique en dessous du niveau des dits clapets (16), et au dessus des canaux inférieurs (6) pour la réception de tous obturateurs. 60) Raccord tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 et 5, dont les clapets (16) comprennent un res sort (18) appliquant une bille (16) contre un siège conique (1 le ressort(18) étant taré pour entrainer le retrait de la bille (16), et la communication entre l'espace intérieur (8) du traii doubles tubes et l'annulaire supérieur (13), par le passage supérieur (12) du raccord pour une pression donnée du fluide de l'espace interieur (ô), lorsque l'espace situé au dessous du niveau des clapets est obturé par une bille (30) dont le diamètre est de meme ordre de grandeur que celui de la bille (16). 70) Raccord tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendicationt4 à 6 dont les clapets (1ê) comprennent un siège conique (17) éjectable supportant une bille (16) sollicitée par un ressort (18), le ressort étant taré pour entrainer l'éjection du siège(l7) lorsque la pression exercee par le fluide de l'espace intérieur (8) est appliquée sur le siège après qu'une bille (31) dont le diamètre est de tordre du double de celui de la bille (16), obture l'espace intérieur où aboutissent les canaux inférieurs (6) en creant un faible intervalle entre elle et l'extrémité du siège (17) opposée à la bille (16). 80) Raccord tel que revendiqué en 7 dont le siège (17j comporte des verrous (32) s'écartant de l'extrémité du siège lorsqu'il est éjecté et dont les extrémités se verrouillent sur un épaulement (33) du logement contenant le dit clapet sous l'effet du ressort (18) après sa compression. 90) Méthode d'utilisation du raccord revendiqué dans l'u quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'o procède à l'introduction d'un fluide statique de caractéristiqu choisies en fonction des couches traversées à tout niveau désir par obturation (27) de l'espace annulaire (9) en tête du train de tiges doubles tubes, par ouverture des dits clapets (16) et par injection dans l'espace intérieur (8) du train de tiges dou bles tubes, du fluide choisi. 100) Méthode telle que revendiquée en 9 selon laquelle la dite injection s'effectue après obturation des canaux inférieur reliant nonnalement l'espace intérieur (8) des doubles tubes (2) à l'annulaire inférieur (7). 110) Méthode d'utilisation du dit raccord par ouverture permanente des dits clapets (16) selon laquelle, ayant obturé l'espace annulaire (9) formé par les tubes (11,2) du train doubles tubes ainsi que les canaux inférieurs (6) pour procéder à l'ouverture permanente des clapets (16) par un accroissement de la pression dans lwespace intérieur (8) du train de tiges, on procèdé au retrait du train de tiges. 12 ) Méthode d'utilisation du dit raccord pour nettoyer l'outil de forage selon lequel on obture en tête (35) l'annulaire entourant le train de tiges doubles tubes (2), en ce que l'on injecte le fluide de nettoyage vers l'espace intérieur (8) celui-ci remontant autour de l'outil (5) pour etre ramené par les canaux inférieures (5) dans l'espace annulaire (9) propres aux doubles tubes.