Brevet FR2539807A1 — publié le 19840727

"TRAIN DE TIGES DE FORAGE POUR FORAGE D'NXPL0RATION" L'invention concerne le forage d'exploration, notamment pour la recherche de produits pétroliers, dans lequel il est nécessaire de reunir un grand nombre d'informations lorsque le puits fore traverse des terrains presentant des indices de produits petroliers afin d'évaluer l'importance du reservoir rencontre. C'est ainsi que l'on doit d'une part connaître la temperature et la pression de l'effluent et en prélever un echantillon et d'autre part prelever un echantillon de la formation de terrain productrice. Actuellement, les operations relatives à l'obtention de ces informations sont longues car elles necessitent plusieurs manoeuvres du train de tiges après l'arrêt de lsopération de forage. De plus, les échantillons de formation de terrain prelevées sont de toute façon peu satisfaisants, En effet, pour prélever de tels echantillons, on sait utiliser un appareil spécial que l'on descend dans le fond du puits et avec lequel on tire latéralement au droit de la formation de terrain des balles creuses qui sont retenues par un fil et remontes ensui.te à la surface. zizis les echantillons ainsi prélevées ont de très petites dimensions et sont difficilement utilisables par les géologues.Pour palier cet inconvénient, on peut envisager d'effectuer un carottage sur la portion de formation de terrain située au-dessous du fond de puits pré- cédemment atteint, mais la carotte ainsi obtenue ne provient pas de la même profondeur que celle à laquelle on a utilisé un appareil de mesure de pression et de température et de prélèvement: d'échantillons de l'effluent. Un objectif de l'invention est de permettre de tester l'effluent a la marne profondeur que celle où l'on préleve une carotte de la formation de terrain et d'effectuer ces opérations sans avoir à manoeuvrer le train de tiges. Un objet de l'invention est ainsi, un train de tiges de forage muni à son extrémité inférieure d'une texte de forage à ouverture centrale dans laquelle peut se former une carotte lors de l'opération de forage, et comportant un organe annulaire d'étanchéité gonflable porté extérieurement par le train de tiges et destine à s' appliquer a l'état gonflé contre la paroi latérale d'un puits foré par la tête de forage et un système de vannes disposé au-dessus de cet organe gonflable, destiné notamment a assurer la manoeuvre de celui-ci et comprenant une vanne-sie- ge qui est disposée radialement a l'intérieur et qui est apte à recevoir un élement central d'obturation, caractérisé en ce que le train de tiges comprend, au-dessus dudit système de vannes, un réceptacle d'ancrage supérieur apte a recevoir un élément d'ancrage supérieur d'un outil carottier. Un objet de l'invention est aussi un train de tiges de forage tel que défini ci-dessus, contenant intérieurement un outil carottier muni d'un sabot inférieur de carottage, relie par un tube à un élément d'ancrage supérieur, dans lequel ce tube passe axialement à l'intérieur, considéré en direction radiale, de l'organe gonflable et du système de vannes, cet élément d'ancrage supérieur étant fixé dans ledit réceptacle d'ancrage supérieur. Un autre objet de l'invention est un train de tiges de forage tel que defini en premier lieu, contenant un outil de forage auxiliaire complémentant la tête de forage à ouverture centrale par un noyau central de forage qui est relié par une tige à un élément d'ancrage inferieur s'engageant dans un réceptacle d'ancrage inférieur du train de tiges pour solidariser en.rotation ce noyau central avec le train de tiges, cet élement d'ancrage inférieur étant lui-même relié par un tube à un élément d'ancrage supérieur de retenue dans le sens axial, dans lequel ce réceptacle d'ancrage inférieur est situé en dessous dudit organe gonflable tandis que, ledit tube passe axialement à l'intérieur, considéré en direction radiale, de l'organe gonflable ét du système de vatnes, ltéle- ment d'ancrage supérieur étant fixé dans ledit réceptacle d'ancrage supérieur. On va décrire, à titre non limitatif, des exemples de réalisation de l'invention en se référant au dessin joint dans lequel La Fig. 1 qui se compose de haut en bas des Fig la, lb, 1c et Id, est une vue :en coupe axiale d'un train de tiges conforme à l'invention, à l'état vide. La Fig. 2, qui se compose de haut en bas des Fig 2a, i 2c et 2d, est une vue similaire du train de tiges muni d'un outil carottier , Les Fig. 3 et 4 représentent de même, mais à plus grande échelle et de manière plus détaillée, respectivement une portion inférieure du train de tiges de la Fig. 2 et une portion-de celui-ci au niveau de l'ancrage supérieur de l'outil carottier La Fig. 5, qui se compose de haut en bas des Fig 5a, 5b, 5c et 5d est une vue en coupe axiale d'un train de tiges conforme à 1 'invention, muni d'un outil de forage auxiliaire ; La Fig. 6 représente de même, mais à plus grande échelle et de manière plus détaillée, une portion inférieure du train de tiges de la Fig. 5 ;; Les Fig. 7, 8 et 9 représentent schématiquement l'organe gonfla- ble et le système de vannes respectivement : au repos ; avec une chambre de test lors du gonflage de l'élément gonflable ; avec une chambre de test lors d'une prise d'échantillon de l'effluent ; La Fig. 10, qui se compose de-haut en bas des Fig 10a, 10b, 10c et 10d est une vue en coupe axiale d'un train de tiges conforme à l'invention dont la vanne-siege du systeme de vannes a reçu un bouchon d'injection ; et La Fig. 11, qui se compose de haut en bas des Fig 11a, llb, 11c et lld, est une vue en coupe axiale du train de tiges de la Fig. 10 muni en outre d'un bouchon de circulation. Sur la Fig. 1 on a représenté un train de tiges 1 et on a figuré en 2 la paroi latérale d'un puits que ce train de tiges a foré. Le train de tiges comprend de bas en haut : une tête de forage 3 constituée par une couronne au centre de laquelle une ouverture 4 permet la formation d'une carotte ; une cage de roulement 5 menagée à l'intérieur de la tête de forage 3 ; un raccord 6 présentant éventuellement une configuration radialement extérieure 7 stabilisatrice et contenant un réceptacle d'ancrage inférieur 8 ; un organe annulaire d'étanchéité (dit packer), gonflable 9, monté extérieurement sur un corps de packer 10 qui porte, intérieurement et au-dessus du packer 9 un systeme de vannes il dont on n' a représenté sur cette figure qu'une vannewsiège 12, radialement interne, formant un manchon coulissant, sollicité vers le haut par un ressort 13 et muni d'un siège 14 destiné à recevoir une pièce correspondante d'un élément central d'obturation non représenté sur cette figure, qui peut, comme on le verra plus loin, revêtir diverses formes pour remplir autant de fonctions différentes ; un corps d'ancrage supérieur 15 présentant éventuellement une configuration radialement extérieure stabilisatrice 16 et contenant un réceptacle d'ancrage supérieur 17 ; un raccord de circulation 18 muni de passages radiaux 19 et d'une chemise coulissante 20 sollicitée par un ressort de rappel 21 vers le haut, position dans laquelle elle obstrue les passages radiaux 19, et susceptible d'être déplacée vers le bas pour dégager ces passages lorsqu'elle reçoit un bouchon, non représenté sur cette figure, ainsi quton le verra plus loin ; et un ensemble non représenté, de masses-tiges et d'autres tron- çons successifs du train de tiges qui prolongent celui-ci vers le haut jusqu'a la surface du puits. Sur la Fig. 2; le train de tiges 1 est muni d'un outil carottier 22, c'est-à-dire d'un outil capable de recevoir la carotte qui se forme dans l'ouverture 4 de la tête de forage 3 et de la saisir pour l'arracher et la monter à la surface, Cet outil carottier 22 comprend un sabot inférieur 23 relié par un tube 24 à un élément d'ancrage supérieur 25. Il est descendu à l'intérieur du train de tiges 1 soit en lâcher libre soit en étant retenu par un câble muni d'un système de préhension déconnectable. Arrivé au fond du puits, l'outil carottier a son sabot inférieur 23 logé dans la cage de roulement 5 et son élément d'ancrage supérieur 25 engagé dans le réceptacle d'ancrage 17. Comme on le voit sur la Fig. 3, le sabot inférieur 23 contient un arrache carotte 26. La cage de roulement 5 permet un bon centrage de l'outil carottier sur l'axe du train de tiges 1. La Fig. 4 permet de mieux voir les pièces constituant l'élément d'ancrage supérieur 25. On distingue : des chiens d'ancrage 27 qui sont maintenus.en position radialement ouverte par un ressort 28 ; un dispositif de réglage en longueur comprenant un écrou d'arrêt-29 : des roulements 30 permettant au tube 24 d'être désolidarisé en rotation d'avec le train de tiges 1 ; un clapet anti-retour 31 permettant l'évacuation de la boue de forage emprisonnée dans le tube 24 lors de la montée de la carotte à l'intérieur de celui-ci. Le tube 24 passe axialement à travers le corps de packer 9, c 'est à-dire à l'intérieur, considéré en direction radiale, du packer 9 et de la vanne-siège 12. Le diamètre extérieur du tube 24 doit donc être inférieur au diamètre intérieur de la vanne-siège 12. Ce diamètre intérieur doit à son trou être un peu inférieur au diamètre intérieur du récepta cle 17 de manière que l'élément central d'obturation devant venir s'appuyer sur la vanne-siège 12 puisse passer à travers le réceptacle 17. Quand l'outil carottier 22 est mis en place dans le train de tiges, il est possible d'effectuer un carottage. La carotte formée monte à l'intérieur du tube 24 et quand celui-ci est plein, on exerce une traction sur le train de tiges 1, ce qui a pour effet de serrer l'arrachecarotte 26 contre la carotte et de casser cette carotte qui reste retenue par l'arrache-carotte. On remonte ensuite l'outil carottier 22 avec la carotte retenue à l'intérieur de celui-ci, au moyen d'un dispositif de repêchage couramment appelé "overshot", placé au bout d'un calez Cette montée s'effectue à l'intérieur du train de tiges sans que celui-ci ait à être manoeuvré. Le réceptacle d'ancrage 17 peut être utilisé pour l'ancrage d'un outil de forage auxiliaire intervenant dans l'ouverture centrale 4 lais sée libre par la tête de forage 3 afin de réaliser un forage classique. La Fig. 5 montre le train de tiges muni d'un tel outil de forage auxiliaire. Cet outil comprend un noyau central amovible de forage 32 que lton voit mieux sur la Fig. 6 et qui est relié, par une tige 33 à laquelle il est vissé, à un élément d'ancrage inférieur 34, lui-mme relié par un tube 35 à un elément d'ancrage supérieur 36, analogue à l'élément d'ancrage supérieur 25. Cet outil de forage auxiliaire, désigné dans son ensemble par la référence 37, peut être descendu à l'intérieur du train de tiges 1 comme on descend l'outil carottier. Le noyau central de forage 32 vient se placer dans la cage de roulement 5. Il porte des éléments coupants analogues à ceux que porte la couronne 3 de sorte que l'ensemble du noyau 32 et de la couronne 3 travaille comme un outil de forage classique. L'élément d'ancrage inférieur 34, qui est analogue à l'élément d'ancrage supérieur 36, s'engage dans le réceptacle d'ancrage inférieur 8, ou il solidarise en rotation l'outil de forage auxiliaire 37 et le train de tiges 1, au moyen de deux chiens 38 qui s' ancrent dans le réceptacle 8 sous l'action d'un ressort 39, la forme de ces chiens étant choisie, de manière connue, pour éviter toute difficulte au moment du repêchage. L'élément d'ancrage supérieur 36 s'engage dans le réceptacle 17 de la même manière que l'élément d'ancrage supérieur 25 et il retient 11 outil de forage auxiliaire 37 en direction axiale en l'empêchant de remonter. Quand l'outil 37 est mis en place dans le train de tiges 1, on peut effectuer un forage de manière classique. Lorsque l'opération de forage est terminée, il est possible de remonter l'outil 37 de la même manière qu'on remonte l'outil carottier 22. Après avoir ainsi montré la possibilité d'utilisation du réceptacle 17 pour effectuer aussi un forage classique, on va revenir à l'acquisition dtinformations lors d'un forage d'exploration et montrer que, sans manoeuvrer la train de tiges,. on peut effectuer des opérations de test sur l'effluent au même niveau que celui auquel on a prélevé une carotte au moyen de l'outil carottier 22. tes Fig. 7, 8, et 9 permettent de suivre le fonctionnement. Le système de vannes 11 comprend, outra la vanne-siège 12, une vanne de commande 40 en forme de chamise coulissante sollicitée vers lebas par un ressort 41. Cette vanne 40 et le ressort 41 sont placés dans une-chambre 42. On a ménage un espace latéral 43 dans la partie inférieure de la vanne 40. La chambre 42 est en communication par un conduit 44 avec l'espace annulaire compris entre le puits 2 et le train de tiges 1.En allant de bas en haut dans la chambre 42 on trouve successivement les embouchures d'un canal 455 dont on décrira plus loin le rôle, d'un conduit 46 débouchant sur le côté extérieur de la vanne-siège 12 au-dessus du canal 45 et d'un conduit 47 aboutissant dans le packer gonflable 9. ta vanne-siège 12 est munie d'un orifice latéral supérieur 48 et d'un orifice latéral inférieur 49. Le système de vannes 11 est représenté au repos sur la Fig. 7. La vanne-siège 12.est en position haute. L'orifice 48 n'est pas en communication avec le conduit 46 et la vanne de commande 40 est en position basse, Le packer 9 est alors dégonflé : c'est la position existant pendant les opérations de carottage ou de forage du train de tiges 1. Sur la Fig. 8, la vanne-siège 12 a reçu un élément central d'obturation qui est ici un appareil de test 50. Cet appareil de test 50 comprend une chambre de test 51, une chambre d'entrée d'effluent 52, une vanne de liaison 53, un conduit 54 entre la chambre 52 et la vanne 53 et un conduit 55 entre la vanne 53 et la chambre 51. La vanne 53 comporte un piston 56 soumis à la pression différentielle d'une chambre 57 soumise à la- pression dans le train de tiges 1 par un conduit 58 et d'une chambre 59 reliée à un conduit 60 qui débouche latéralement en communication avec l'orifice 49 lorsque l'appareil de test est en place sur la vannesiège 12. Le piston 56 ne met en communication les conduits 54 et 55 que lorsqu'il est en position basse.La chambre 52 contient des appareils, non représentés, enregistrant la pression et la température lors du passage de l'effluent. De part et d'autre de l'embouchure du conduit 60, l'appareil de test est muni de joints toriques 61 assurant l'étanchéité avec la vanne-siège 12. L'appareil de test 50 est descendu en lâcher libre et il vient se poser sur le siège 14 de la vanne-siège 12. On augmente la pression de la boue de forage à l'intérieur du train de tiges 1, ce qui déplace vers le bas l'ensemble de l'appareil de test 50 et de la vanne 12 à l'encontre du ressort 13. L'orifice latéral supérieur 48 de la vanne 12 vient en face du conduit 46, ce qui amène la boue de forage dans ltes- pasé latéral 43, où, par suite de surfaces différentielles dans la vanne 40, celle-ci est déplacée vers le haut ltencoutre du ressort 41. La montée de la vanne 40 met en communication l'espace. latéral 43 avec le conduit 47, et la boue de forage gonfle le packer 9. t'orifice 49 se place en face du conduit 45, C'est la position représentée sur la Fig 8. Si l'on continue d'augmenter la pression de la boue de forage, une valve de sécurité 62 limite la pression à l'intérieur du packer 9, et la vanne 40 vient en butée en position haute, le ressort 41 étant complètement comprime, comme le represente la Fig. 9. Le conduit 45 débouche alors dans la chambre 42. Cette chambre 42 étant à la pression hydrostatique du fait qu'elle est en communication par le conduit 44 avec l'espace annulaire compris entre le puits 2 et le train de tiges 1, la chambre 59, que se trouvait précédemment fermée, est ainsi soumise à la pression hydrostatique par l'intermédiaire du conduit 45, de l'ori- fice 49 et du conduit 60.Comme cette pression hydrostatique est inférieure à la pression de la boue de forage injectée au-dessus de l'appareil de test 50, le piston 56 descend et ouvre la communication entre les conduits 54 et 55. La chambre de test 51, que se trouvait jusqu'ici à une très faible pression (la pression atmosphérique), aspire par les conduits 55 et 54, l'effluent qui passe dans la chambre 52 où sa pression et sa température sont enregistrées. Lorsqu'on relâche la pression de la boue de forage injectée, le piston 56 revient à sa position initiale et enferme l'effluent dans la chambre de test 51. Gette diminution de pression de la boue de forage permet au packer 9 de: se dégonfler. La vanne 40 reprend sa position initiale et la vanne-siège 12 remonte aussi dans sa position initiale. La pression hydrostatique règnant dans tout l'ensemble à l'exception de la chambre de test 5], on peut repêcher appareil de test 50 au câble de la même façon que l'on repêche l'outil carottier 22 ou outil de forage auxiliaire 37 On peut également prévoir de relier l'appareil de test 50 à la surface par un câble conducteur de manière à transmettre directement à la surface les informations de température et de pression obtenues dans l'appareil de test 50. Quand le puits en cours de forage atteint une zone à pertes, il peut être très utile de séparer les zones saines si tuées au-dessus de celle-ci d'avec cette zone à pertes afin de pouvoir injecter des colmatants dans la zone à pertes sans altérer les zones saines. On peut alors descendre en lâcher libre ou au câble à l'intérieur du train de tiges de forage un elément central d'obturation constitué par un bouchon d'injection 63, comme le représente la Fig. 10. Ce bouchon d'injection 63 est muni à sa partie supérieure de deux doigts d'ancrage 64 qui viennent s'encastrer dans le réceptacle d'ancrage supérieur 17. Ce bouchon d'injection 63 comprend à sa partie inférieure un piston obturateur 65 sollicité par un ressort 66. Au-dessous du piston 65 se trouve un bouchon 67 retenu par un barreau 63. Ce piston obturateur 65 est apte à boucher un passage interne et axial 69 du bouchon d'injection 63 lorsqu'il est poussé contre ce passage 69 et à supprimer ainsi la communication entre ce passage 69 et des orifices d'injection 70 situés qu dessous du-niveau.de retenue du barreau 68. Lorsque le bouchon d'injection 63, lâché ou descendu depuis la surface, arrive sur la vanne-siège 12, il empêche la circulation de la boue à l'intérieur du train de tiges 1. La pression de la boue étant insuffisante pour repousser le piston 65, la boue pénètre dans un con- duit 71 lui-même en communication avec l'orifice latéral inférieur 49 de la chambre 12 qui communique avec- le canal 45. Comme précédemment, ce canal 45 débouche dans l'espace latéral 43 de la vanne de commande 40, ce qui a pour effet de faire monter cette vanne 40 malgré le ressort 41. La boue de forage, arrivant dans l'espace latéral 43, passe aussi dans le conduit 47, ce qui a pour effet de gonfler le packer 9 comme précédeiir ment. Quand on augmente la pression, le piston obturateur 65 est repoussé malgré le ressort 66. Le piston 65 prend appui sur le bouchon 67, ce qui brise le barreau 68. Le bouchon 67 tombe dans une chambre 72 et libère un passage 73, ce qui permet à la boue de passer par les orifices d'injection 70 Au-dessus du packer 9 on a ainsi la pression hydrostatique de la colonne de boue alors qu'au-dessous on a la pression d'injection. On peut ainsi traiter les venues. Quand le traitement est terminé, on lâche dans le train de tiges 1 une bille qui vient se placer dans une chemise 75. Cette bille obstrue le passage de la boue. Quand on augmente la pression de la boue, la boue brise une pièce dé retenue cisaillable 76, et fait descendre la chemise 75 mettant ainsi en communication les conduits 77 de la chemise 75 avec l'orifice latéral supérieur 48 de la vanne-siège 12 et avec le conduit 46 qui débouche dans l'espace latéral 43. Cela met en communication l'intérieur de packer 9 avec l'intérieur du train de tiges 1. Le packer 9 se dégonfle. Il peut arriver que l'on ait besoin de faire circuler la boue de forage au-dessus du packer. Pour ce faire, on lâche à l'intérieur du train de tiges 1 un bouchon 78 qui, descendu en lâcher libre, vient se placer sur la chemise coulissante 20, comme le montre la Fig. 11. En appliquant une pression de boue de forage suffisante sur le bouchon 78, la chemise coulissante 20 est entraînez vers le bas et elle dégage les passages radiaux 19. On peut ainsi établir une circulation de boue de forage audessus du packer 9 afin, par exemple, de nettoyer le puits avant de dégonfler le packer. Lorsqu'on réduit la pression de la boue de forage, la chemise coulissante: 20 remonte sous l'action du ressort de rappel 21 et on peut retirer le bouchon de circulation 78 au chable Le bouchon d'injection 63 est repêchable au câble comme les éléments précédents. Cesexemples illustrent les diverses opérations que l'on peut effectuer sur un puits en cours de forage, notamment les opérations de test de l'effluent > alors que l'invention permet de carotter au méme niveau et aussi de forer de manière classique si on le désire.- REVENDICATIONS 1 - Train de tiges de forage tête de forage (3) à ouverture centrale dans laquelle peut se former une carotte lors de l'opération de forage.et comportant un organe annulaire d'étanchéite gonflable (9) porté' portéextérieurement par le train de tiges et destine a s'appliquer à l'état gonflé contre la paroi latérale d'un puits foré par la tête de forage et un système de vannes (11) disposé au-dessus de cet organe gonflable (9), destiné notamment à assurer la manoeuvre de celui-ci et com prenant une vanne-siège (12) qui est disposée radialement à l'in- térieur et qui est apte å recevoir un élément central d'obtura tion (50, 63),caractérisé en ce que le train de tiges (1) comprend, au-dessus dudit système de vannes (la), un réceptacle d'ancrage supérieur (17) apte à recevoir un élément d'ancrage supérieur (25) d'un outil carottier (22). 2 - Train de tiges de forage selon la revendication (1), contenant intérieurement un outil carottier (22) muni d'un sabot inférieur de carottage (23), relié par un tube (24) à un élément d'ancrage supérieur (25), caractérisé en-ce que ce tube (24) passe axiale ment à l'intérieur, considéré en direction radiale, de l'organe gonflable (9) et du système de vannes (11), cet élément d'ancrage supérieur (25) étant fixé dans ledit réceptacle d'ancrage supérieur (17). 3 - Train de tiges de forage selon la revendication 1s contenant un outil de forage auxiliaire (37) complémentant la tête de forage (3) à ouverture centrale par un noyau central de forage (32) qui est relié par une tige (33) à un élément d'ancrage inférieur (34) s'engageant dans un réceptacle d'ancrage- inférieur (8) du train de tiges (1) pour solidariser en rotation ce noyau central (32) avec le train de tiges (1), cet élément d1ancrage inférieur (34) étant lui-même relie par un tube (35)-- à un élément d'ancrage supérieur (36) de retenue dans le sens axial, caractérisé en ce que ce réceptacle d'ancrage inférieur (34) est situé en dessous dudit organe gonflable (9) tandis que ledit tube (35) passe axialement à l'intérieur, considéré en direction radiale, de l'organe gonflable (9) et du système de vannes (11), ledit élément d'ancrage supérieur (36) de retenue dans le sens axial étant fixé dans ledit réceptacle d'ancrage supérieur (17).