Brevet FR2560280A1 — publié le 19850830

La présente invention concerne une tour pour le forage et l'entretien de puits de pétrole et/ou de gaz, spécialement conçu pour être installé sur une plate-forme marine, du type comprenant une machine de forage associée à une tige de forage, cette machine étant reliée à un éléva- teur déplaçable verticalement et qui est entraîné d'une manière connue au moyen de moteurs, de préférence des moteurs hydrauliques, pour faire déplacer l'élévateur et par consé- quent la machine de forage dans une direction verticale. Les structures de tour de forage utilisées à l'heure actuelle dans ce but comprennent un mécanisme élévateur qui est entraî- né par plusieurs moteurs à courant continu. Le courant élec- trique est transmis par l'intermédiaire de systèmes redres- seurs commandés qui sont compliqués et coûteux. Le mécanisme élévateur proprement dit se compose de plusieurs éléments lourds et coûteux. On utilise un treuil puissant entraîné par chaîne,qui reçoit de l'énergie par l'intermédiaire de gros engrenages de transmission, le treuil entraînant un tambour qui assure la manutention du câble de forage. Le câblede forage passe sur un moufle fixe et au travers d'un moufle mobile avant d'être fixé sur ce qu'on appelle une "ancre morte". Le câble de forage doit être remplacé régulièrement. Tous les équipements utilisés à l'heure actuelle sont très coûteux. Les équipements sont également excessivement lourds et cela nécessite que la tour de forage soit dimensionnéeen correspondance, de sorte que la. tour de foragea une grande hauteur et est massif, lourd et coûteux. Les équipements actuels ne sont pas prévus pour recevoir des appareils de nettoyage des-tubes de production. Aussi bien les dépenses que les risques rencontrés lors de l'exécu- tion de cette opération de nettoyage sont très élevés. Le seul équipement disponible est extrêmement coûteux, long à assembler et à utiliser et insatisfaisant du point de vue de la sécurité. En outre, il nécessite une importante source d'énergie. L'énergie perdue dans les entraînements à chaînes et dans tous les moufles sur lesquels passe-le câble de forage correspond presque à la moitié de la consommation totale d'énergie. Sur des plates-formes flottantes, on doit utiliser des compensateurs de houle (des ensembles servant à compen- ser des mouvements verticaux provoqués par les vagues) pendant les opérations de forage et lors de l'installation d'un obturateur antiéruption dans la tête de puits. Un compensateur de houle coûte à l'heure actuelle environ mnilliorns de francs. Un autre inconvénient- du mécanisme - élévateur traditionnel consiste dans le niveau de bruit très élevé. Le brevet suisse n 495 278 décrit d'une façon générale un élévateur du type compartimenté qui porte des moteurs hydrauliques pourvus d'engrenages qui sont en prise avec des crémaillères verticales et qui entraînent l'élévateur le long des crémaillères. Le brevet US-A- 2 514 498 décrit un élévateur utilisa- ble dans des puits de mines et utilisant, entre autres, des crémaillères verticales stationnaires qui sont en prise avec des engrenages entraînés par l'élément porteur de charge de l'élévateur. Le brevet britannique n 1 431 759 décrit un treuil de levage d'une charge à partir d'un point de référence et dans des conditions o le point de référence et l'appareil de levage peuvent se déplacer verticalement l'un par rapport à l'autre, comme ce serait le cas si une lourde charge était en train d'être soulevée à partir du pont d'un navire soumis à un tangage en pleine mer. Ce brevet propose l'utilisation d'un compensateur de houle servant à compenser le mouvement des vagues. La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients des structures de tour de forage de l'art antérieur et de leurs équipements associés. L'objet de l'invention est d'obtenir des réductions substantielles de poids, de travail et de coût, en addition à une diminution importante du niveau de bruit par comparaison auxstructures de tour de forage connues. Un objectif particulier est d'éliminer l'utilisation complète d'un câble de forage, en économisant ainsi le temps et le travail qui sont nécessaires à chaque fois que le câble de forage doit être remplacé. Conformément à la présente invention, ce problème est résolu au moyen d'une structure de tour de forage en forme de por- tique qui est constituée par une traverse supérieure et par deux montants verticaux, espacés l'un de l'autre et sensi- blement parallèles, qui définissent ensemble un espace aà l'intérieur duquel l'élévateur, de préférence hydraulique, est conçu pour se déplacer le long de rails verticaux sta- tionnaires à crémaillères. Selon d'autres particularités de l'invention: a) des cellules de pesée sont disposées dans l'éléva- teur et sont destinées à appliquer des impulsions à une unité de commande qui fait déplacer l'élévateur à l'intérieur de la tour de forage en concordance avec le mouvement des vagues et éventuellement avec un forage automatique. b) l'élévateur est pourvu d'un évidement qui permet un libre passage de l'élévateur le long de la tige de forage. c) la machine de forage est disposée sur une poutre porteuse transversale au-dessus de l'élévateur, ladite poutre porteuse ou traverse s'étendant jusqu'aux bords de guidage des rails à crémaillères de manière que le couple engendré par la tige de forage soit transmis par l'intermédiaire de la traverse auxdits bords de guidage. d) la traverse est pourvue, d'une manière connue en soi, d'un compensateur de houle. La tour de forage comprend, d'une manière connue en soi, une machine de forage pour la tige de forage. La machine de forage est reliée à un élévateur dépla- çable verticalement et qui est entraîné, d'une manière connue, au moyen de moteurs hydrauliques comportant des engrenages qui sont en prise avec des crémaillères verticales station- naires en vue du déplacement de l'élévateur et de la machine de forage verticalement le long des crémaillères. L'élévateur est conçu pour se déplacer le long desdites crémaillères, qui sont placées sur les lisières d'un espace défini par deux montants verticaux parallèles et espacés de la tour de forage. Ces composants de la tour de forage constituent, en coopération avec une traverse supérieure reliant lesdits composants, une struc- ture de tour de forage en forme de portique. La structure de tour de forage en forme de portique procure, en combinaison avec la structure d'élévateur connue en soi et ses rails à crémaillères associés, un grand nombre d'avantages dans des opérations de forage et des opérations semblables exécutées sur une plate-forme de forage. L'ensemble constitué par la tour de forage et l'élévateur permet de réaliser une structure de tour de forage qui est moins haute, plus petite, d'un poids plus léger et d'une plus grande simplicité qu'une tour de forage traditionnelle lourde et de grande hauteur, de même capacité. La tour de forage conforme à l'invention nécessite simplement des poutres porteuses pour les rails de guidage le long desquels se déplace l'élévateur hydraulique. Cela réduit à la fois le coût et le poids. Il n'est pas nécessaire d'installer des systèmes redresseurs commandésqui sont compliqués et coûteuxet la nouvelle structure nécessite seulement à peu près la moitié de l'énergie consommée par un mécanisme élévateur classique. Cela se traduit par des économies substantielles, à la fois en ce qui concerne l'investissement initial et les frais d'entretien et d'exploitation. L'ensemble tour de forage/élévateur conforme à l'invention est aisément adaptable à d'autres équipements en vue de simplifier les opérations de nettoyage des tubes de production tout en augmentant la sécurité, ce qui est extrêmement important. Cela permet de réduire les frais dans les opérations de nettoyage de tubes. L'ensemble tour de forage/élévateur conforme'à l'invention peut aussi être aisément adapté pour supporter un nouvel équipement en rendant inutile un processus de "rétraction", c'est-à-dire un démontage de l'élévateur et des moufles. L'utilisation d'un élévateur hydraulique diminue sensiblement le bruit sur la plate-forme de forage.L'ensemble tour de forage/élévateur conforme à l'invention rend inutile l'installation d'un compensateur de houle pour la tige de forage, ce qui repré- sente une réduction substantielle des frais d'investissement. L'ensemble tour de forage/élévateurpeut aisément être installé sur des plates-formes de forage existantes. Conformément à l'invention, on utilise de préférence des moteurs hydrauliques mais, pour réduire encore les frais, rien n'empêche en principe d'utiliser à la place de moteurs hydrauliques des moteurs électriques pouvant être alimentés en courant par le système électrique existant sur la plate- forme. L'élévateur est entraîné par l'intermédiaire d'engre- nages de transmission le long de deux rails comportant des dents des deux côtés. Avec un rapport de transmission d'envi- ron 1:50 et en utilisant par exemple huit engrenages dansles deux montants de la tour de forage, la consommation d'énergie est réduite à peu près de moitié par rapport à celle nécessaire dans les structures connues. En outre, le cable de forage peut être éliminé, ce qui se traduit par une forte réduction de poids. Le moufle mobile seul doit être très lourd,de manière qu'il puisse être accéléré aussi rapidement que possible pendant la chute libre. Le "temps mort" de rempla- cement du câble de forage est évidemment également éliminé. Puisque la tour de forage conforme à l'invention ne nécessite pas de moufle fixe, il n'est pas nécessaire d'utiliser une "flèche de levage" (un élément supérieur supplémentaire sur des tours de forage classiques pour assurer le levage du moufle fixe). Cela contribue également à réduire la hauteur, le poids et le prix de la tour de forage. En utilisant l'élévateur hydraulique, la charge peut être descendue le long des rails à crémaillères, ce qui signi- fie que les dimenions de la tour de forage peuvent être réduites au minimum approprié pour supporter les charges. Puisque l'élévateur se déplace vers le haut et vers le bas sur les rails à crémaillères, qui peuvent porter des charges dans les deux directions, il est possible d'installerun nouvel équipement pour le nettoyage des tubes de production. Cela rend l'opération de nettoyage plus simple, plus rapide, plus : sûre et moins coûteuse. L'élévateur ne nécessite aucun système de freinage mécanique autre qu'un système de freinage de secours,et cela réduit considérablement le niveau de bruit. Puisque l'éléva- teur hydraulique proprement dit agit comme un compensateur et a une plus grande longueur de course et une plus grande capacité que les ensembles classiques, le coût du compensa- teur de houle sur des plates-formes flottantes est réduit. Du fait que le poids de la tour de forage est considérablement diminué, le centre de gravité de la structure est situé bien plus bas que sur des plates-formes flottantes connues, ce qui procure un avantage important. La rétraction est simplifiée par un évidement prévu sur l'élévateur. En disposant la machine de forage comme indiqué dans le paragraphe c) cidessus, on obtient l'avantage que le couple engendré par la tige de forage est transmis aux bords de guidage le long des rails à crémaillères. La poutre trans- versale de support sur laquelle la machine de forage repose au-dessus de l'élévateur peut être pourvue d'une manière connue d'un compensateur de houle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une structure de tour de forage et d'un équipement associé instal- lé sur une plate-forme marine, en vue en perspective. la figure 2 représente un second mode de réalisation un peu modifié, dessiné de façon analogue en vue en perspec- tive mais à une échelle un peu agrandie et en l'observant sous un angle différent, et la figure 3 est une coupe horizontale faite suivant la ligne III-III de la figure 2. La structure de tour de forage, désignée en son ensemble par la référence numérique 1, est une construction en forme de portique. La tour de forage 1 comprend une traverse supérieure fixe 2 et deux montants verticaux 3, 4, espacés l'un de l'autre, sensiblement parallèles et qui définissent avec la traverse un espace 5 destiné à recevoir un élévateur 6 déplaçable verticalement, comme indiqué de façon plus détaillée sur la figure 3. L'élévateur hydraulique 6, de type connu, est adapté pour être entraîné par plusieurs - quatre dans l'exemple représenté - moteurs hydrauliques 7. Chaque moteur entraîne un engrenage de transmission respectif 8, qui entraîne à son tour un engrenage respectif 9. Les engrenages 9 font monter ou descendre l'élévateur hydraulique 6, du fait qu'ils sont en prise avec et roulent sur des rails à crémaillères verticaux et stationnaires 10 qui sont montés sur des rails de guidage des engrenages 9 sur la tour de forage 1. L'élévateur hydraulique 6 est freiné par blocage des moteurs hydrauliques 7. Il peut également être freiné par actionnement de disques de freinage (non représentés) qui sont destinés à être actionnés automatiquement si la pression hydraulique dispa- raît. Les arbres des engrenages 8 et 9 sont montés dans des roulements à rouleaux et sont immergés dans un bain d'huile hermétique. L'élévateur 6 peut être pourvu, dans la zone de la tige 15 de forage, d'un évidement permettant l'installation d'un équipement de forage et assurant également un libre passage de l'élévateur 6 le long de la tige 15 de forage. Des roues de guidage (non représentées) peuvent également être prévues, pour entLrer en contact avec les rails à crémail- lères 10 et assurer un contrôle horizontal de l'élévateur. Des rails de guidage (également non représentés) peuvent être également prévusen étant agencés pour maintenir les engrenages 9 en position et en prise avec les crémaillères 10. Sur la figure 1, l'élévateur 6 est directement accouplé à une machine hydraulique 18 de forage associée à la tige 15 de forage. Sur la figure 2, la machine 18 de forage est montée sur une poutre porteuse transversale 23 indépendante au- dessus de l'élévateur 6. La machine 18 de forage est fixée sur la poutre transversale 23 qui repose sur l'élévateur 6. Lorsqu'aucune opération de forage n'est exécutée, la traverse 23 et la machine 18 de forage peuvent être bloquées dans une position supérieure de "rangement". Un avantage de l'utilisation d'une traverse, dont les extrémités s'leHn-- dent jusqu'aux bords de guidage des rails à crémaillères , consiste en ce que le couple engendré par la tige de forage est transmis par l'intermédiaire de la traverse 23 auxdits bords de guidage. La poutre transversale ou traverse 23 de type connu est-pourvue d'un compensateur de houle 24. Il est prévu des moyens de liaison et de guidage 25 entre la machine de forage et l'élévateur. Il est-également prévu un avant-trou 19, ainsi qu'un appareil classique 20 prévu pour l'emmagasinage et pour la manutLention de longueurs de tubes 21 de forage. Une salle de commande 22 est prévue à la base d'un montant (3 sur la figure 1, ou 4 sur la figure 2) de la tour de forage. Le système de commande comprend des cellules de pesée qui sont placées dans l'élévateur 6 et qui produisent les impul- sions nécessaires pour faire déplacer l'élévateur 6 à l'inté- rieur de la tour de forage en concordance avec le mouvement des vagues et éventuellement avec un forage automatique. REVENDICATIONS 1. Tour. pour le forage et l'entretien de puits de pétrole et/ou de gaz, spécialement destin ée être installée sur des plates-formes marines, comprenant une machine de forage (18) associée à une tige de forage (15), la machine de forage (18) étant reliée à un élévateur mobile verticale- ment (6) qui est entraîné d'une manière connue au moyen de moteurs (7), de préférence des moteurs hydrauliques, pour assurer le déplacement-de l'élévateur (6) et par conséquent de la machine de forage (18) dans une direction verticale, caractérisé en ce que la tour de forage a une structure (1) en forme de portiquequi est constituée par une traverse supérieure (2) et par deux montants verticaux (3,4) espacés l'un de l'autre, sensiblement parallèles et qui définissent ensemble un espace à l'intérieur duquel l'élévateur (6), de préférence hydraulique, est conçu pour se déplacer le longs de rails verticaux stationnaires à crémaillères (10). 2. Tour de forage selon la revendication 1, comprenant un compensateur de houle pour compenser le mouvement des vagues, caractérisé en ce que des cellules de pesée sont disposées dans l'élévateur (6) et sont destinies à appliquer à une unité de commande des impulsions qui font déplacer l'élévateur à l'intérieur de la tour de forage (1) en con- cordance avec le mouvement des vagues et éventuellement avec un forage automatique. 3. Tour de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élévateur (6) est pourvu d'un évidement qui permet un libre passage de l'élévateur (6) le long de la tige de forage (15). 4. Tour de forage selon la revendications, caractériséeen ce que la machine de forage (18) est disposée sur une poutre porteuse transversale (23) au-dessus de l'élévateur (6), ladite poutre porteuse ou traverse (23) s'étendant jusqu'aux bords de guidage des rails à crémaillères (10) de façon que le couple engendré par la tige de forage soit transmis par l'intermédiaire de la traverse (23) auxdits bords de guidage. 5. Tour de forage selon la revendication 4, caractérisée en * ( Z) alrnoil ap lnae4fitiadwuoo un,p an^Anod Ise (gz) eslaAe:I: e- anb::) 01' 08ZO9SZ