Brevet FR2579662A1 — publié le 19861003

L'invention concerne un dispositif de forage à trajectoire contrôlée comportant un train de tiges creuses dans lesquelles circule un fluide de forage. un outil de forage fixé à l'une des extrémités du train de tiges et au moins un dispositif de stabilisation pour le contrôle de la trajectoire du forage. Le forage à grande profondeur. par exemple le forage pétrolier, nécessite la mise en oeuvre de dispositifs complexes comportant un outil de forage relié à l'extrémité d'un train de tiges de grande longueur et alimenté en boue de forage. depuis la surface, par l'intermédiaire des tiges réalisées sous forme tubulaire. Pour corriger la trajectoire du forage en cours d'avancement afin de contrôler parfaitementvsa direction, il est connu d'utiliser des dispositifs de stabilisation ou stabilisateurs reliés au train de tiges, généralement dans sa partie voisine de l'outil. De tels dispositifs stabilisateurs comportent un corps relié au train de tiges et une ou plusieurs lames sus ceptibles de se déplacer dans la direction radiale par rapport à l'axe du train de tiges. Un moyen de commande permet d'assurer 1 extraction des lames vers 1 ex- térieur du corps du stabilisateur afin de faire varier la distance d'appui entre 1 axe du train de tiges et les bords du trou foré. Grâce à ces lames d'appui. on peut suivant les cas (forage vertical, forage incline de direction constante ou changement de direction de forage) modifier les forces radiales s'exerçant sur le train de tiges et par conséquent sur l'outil en cours de forage. dans le sens voulu. On connait des dispositifs stabilisateurs comportant un piston se déplaçant dans la direction axiale, à l'intérieur d'un alésage coaxial à l'alésage des tiges et traversant le corps du stabilisateur. Ce piston comporte des surfaces d'actionnement disposées suivant sa longueur et permettant de réaliser l'extraction radiale des lames d'appui par poussée des surfaces d'actionnement constituant des cames, sur ces lames d'appui, pendant un déplacement axial du piston dans le corps du stabilisateur. Le déplacement du piston peut être obtenu en utilisant la force motrice du fluide de forage. par exemple en créant une perte de charge sur la circulation du fluide de forage. de part et d'autre du piston. On utilise à cet effet des moyens de commande actionnés depuis la surface.Le piston agit sur les lames, par l'intermédiaire de ces surfaces de cames, pendant son déplacement entre une position initiale et une position finale à l'intérieur du corps du stabilisateur, son retour à la position initiale étant assuré par un ressort, en fin de phase d'actionnement du stabilisateur. Le contrôle de la direction de forage est assure par un dispositif de mesure généralement placé juste avant l'outil. Dans de tels stabilisateurs, on,a cherché à rendre l'action des cames progressive. en disposant, suivant la longueur du piston. plusieurs cames de formes variables qui peuvent être mises en oeuvre successivement en augmentant la pression du fluide de forage agissant sur le piston. Une telle disposition présente des inconvénients lies au fait qu'une action vraiment progressive des cames se traduirait par un piston et donc par un dispositif stabilisateur de grande longueur. D'autre part, les possibilités de modulation de la pression du fluide de forage sont limitées et il est trés difficile de connaitre à un moment donné la position radiale exacte des lames d'appui. puisqu'il n'existe pas une correspondance bien établie entre la pression exercée sur le piston et la position de ces lames.Le contrôle de trajectoire est donc relativement difficile et imprécis lorsqu'on utilise un tel dispositif stabilisateur. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de forage à trajectoire contrôlée comportant un train de tiges creuses dans lesquelles circule un fluide de forage, un outil de forage fixé à l'une des extrémités du train de tiges et au moins un dispositif de stabilisation comportant un corps relié au train de tiges et ayant un alésage central coaxial à l'alésage des tiges, au moins une lame d'appui montée mobile radialement dans le corps et un piston monté mobile dans la direction axiale de l'alésage pour l'actionnement de la lame d'appui dans le sens de son extraction radiale par déplacement axial du piston entre une position initiale et une position finale, sous l'effet d'un moyen de commande ayant le fluide de forage pour source d'énergie, la lame et le piston étant rappelés par des moyens élastiques, dans leur position rétractée et dans leur position initiale res pectivement, ce dispositif de forage permettant de déplacer radialement les lames d'appui vers l'extérieur et vers l'intérieur du corps du stabilisateur, de fa çon progressive et parfaitement contrôlée en utilisant un dispositif stabilisateur de faible encombrement, d'une grande simplicité et comportant des moyens de commande très fiables. Dans ce but, le piston est monté mobile dans l'alésage central du corps. non seulement en translation mais aussi en rotation autour de l'axe du train de tiges et il comporte sur sa surface latérale externe, des rampes longitudinales, inclinées dans une direction radiale par rapport à l'axe des tiges. placées les unes à la suite des autres suivant la périphérie du piston et reliées entre elles pour constituer une surface d'actionnement continue par des parties complémentaires de guidage pour le déplacement en rotation pas à pas du piston et pour son retour à sa position initiale. au moins un doigt d'actionnement monté mobile radialement dans le corps cooperant avec la surface d'actionnement continue d'une part et la lame d'autre part. Le piston et le corps du stabilisateur comportent des moyens complémentaires pour créer une perte de charge triés fortement accrue dans le fluide de forage en circulation, en fin de mouvement d'actionnement du piston. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispositif de forage à trajectoire contrôlée suivant l'invention. La Fig. 1 est une vue schématique d'ensemble du dispositif de forage à trajectoire contrôlée suivant l'invention. en position de travail. La Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale suivant AA de la Fig. 3, d'un stabilisateur du dispositif de forage représenté sur la Fig. 1. La Fig. 3 est une vue en coupe, suivant BB de la Fig. 2, du stabilisateur. La Fig. 4 est une vue développée de la surface d'actionnement, des lames et du piston du stabilisateur. Sur la Fig. 1, on voit l'installation de forage comportant un train de tiges de forage 1 portant à son extrémité inférieure un outil de forage 2 et relié à son autre extrémité, par un conduit 4, à une installation de pompage 5 permettant l'injection de boue de forage par l'intérieur du train de tiges 1, au niveau de l'outil 2 en position de travail dans le fond du trou 3. Le train de tiges 1 comporte des tiges successives telles que la et lb qui sont, comme visible sur la Fig. 1, reliées entre elles et à l'outil de forage 2, par des éléments intermédiaires comportant un stabilisateur 7 et des piéces de jonction 9. Sur le dispositif de pompage 5 est placé un moyen de mesure 6 de la pression de pompage de la boue de forage. Un ensemble de mesure 8 est associé à l'ou- til et permet en particulier des mesures d'orientation du train de tiges 1. Sur la Fig. 2 on voit un dispositif de stabilisation désigné de façon générale par le repère 7 qui comporte un corps 10 de forme générale tubulaire comportant des extrémités lia et llb taraudées permettant la jonction du stabilisateur 7 au train de tiges ou à l'outil par l'intermédiaire de raccords filetés tels que 9. Lorsque le stabilisateur est relié au train de tiges, 1 alésage 13 du corps 10 a son axe 12 commun avec l'axe du train de tiges. La boue de forage circule dans le train de tiges et le stabilisateur suivant la direction axiale, dans le sens de la flèche 14. Comme il est visible sur les Fig. 2 et 3, le corps 10 comporte, sur sa surface périphérique, des échancrures 15 pour permettre le passage de la boue de forage à l'extérieur du stabilisateur, à son retour vers la surface, à l'intérieur du trou 3. Le corps 10 comporte également des lumières 16 servant de logement pour les lames d'appui 18. Le stabilisateur représenté sur les Fig. 2 et 3 comporte trois lames d'appui 18 disposées dans des ouvertures 16 placées à 120 autour du corps du stabilisateur. Des ressorts à lame 21 dont une extrémité est fixée par des vis sur le corps 10 sont en appui par leur autre extrémité sur les parties terminales des lames 18 de façon à les maintenir en position rétractée dans la direction radiale comme représenté sur les Fig. 2 et 3.Des pièces de fermeture 22 montées dans les parties d'extrémité des ouvertures 16, à l'extérieur des ressorts à lame 21, permettent d'assurer le guidage des lames 18 dans leur direction radiale de déplacement. Un jeu est réservé au montage entre la lame de ressort 21 et la pièce de fermeture 22 afin de permettre un certain débattement de la lame d'appui dans la direction radiale, entre sa position de rétraction complète représentée aux Fig. 2 et 3 et une position d'extraction ou position de sortie de la lame d'appui 18, sous l'effet d'une paire de doigts d'actionnement 19 montés mobiles dans la direction radiale à l'intérieur du corps 10. Chacun des doigts 19 est monté mobile et étanche dans le corps 10 grâce à un joint-segment d'étanchéité 20. A l'intérieur de l'alésage 13 du corps 10 est monté un piston tubulaire 25 comportant, pour permettre son montage. deux parties 25a et 25b assemblées entre elles de façon étanche grace à un filetage 26 et à un joint 27. Le piston 25 est monté glissant dans 1 alésage 13 par l'intermédiaire d'une partie de sa surface périphérique et de deux joints segments d'é tanchéité 28 placés à ses extrémités. A l'extrémité de la partie 25b du piston, à 1 intérieur de la partie 25a de ce piston. est disposée une butée à bille 30 sur laquelle vient en appui I extrémité d'un ressort hélicoidal 31 dont l'autre extrémité est en appui sur une butée 32 fixée sur le corps 10, à l'intérieur de l'alésage 13 Une piece annulaire profilée 34 est également montée à l'intérieur de la partie 25b du piston 25, à son extrémité correspondant à l'entrée du fluide de forage circulant suivant le sens de la flèche 14. Une seconde pièce profilée 35 ou aiguille est disposée à l'intérieur du corps 10 suivant l'axe 12 de l'alésage 13 de ce corps 10. L'aiguille 35 est fixée dans le corps 10 grâce à une pièce annulaire de support 36 comportant des entretoises radiales 37 pour la fixation de l'aiguille 35. Le fluide de forage circulant suivant le sens et la direction de la flèche 14 subit une perte de charge qui est fonction de son débit, lorsqu'il pé neutre à l'intérieur du piston 25 par l'entrée profilée 34. Pour un certain débit. appelé débit d'actionnement, la différence de pression de part et d'autre du piston 25 devient suffisante pour exercer sur ce piston une force supérieure à la force du ressort 31, si bien que le piston 25 commence à se déplacer axialement dans le sens de la fleche 14. Le profil intérieur de la piece 34 coopère avec le profil extérieur de l'aiguille 35 pour diminuer progressivement la section de passage du fluide et augmenter corrélativement la perte de charge.En fin de mouvement du piston. la perte de charge devient très forte et correspond à une valeur qui peut être facilement repérée au niveau de l'installation de pompage, grace au dispositif de mesure de pression 6 associé à cette installation de pompage 5. Le déplacement du piston 25 est donc commandé par le débit du fluide de pompage et parfaitement contrôlé depuis la surface par une mesure de pression. Un tel dispositif d'actionnement à distance a été décrit dans la demande de brevet français n 85-00142 déposée le 7 Janvier 1985 par la Société SMF Internationale & Cie. Un tel dispositif présente une grande stabilite puisque la perte de charge engendrant la force de déplacement du piston augmente continuellement pendant le déplacement de ce piston. Sur la surface latérale externe du piston 25 sont usinées des rampes d'actionnement constituant deux jeux 40 et 41 espacés longitudinalement sur le piston 25 et coopérant chacun avec un ensemble de trois doigts d'actionnement 19 placés à l'une des ex trématés des lames 18. Les rampes 40 et 41 sont inclinées dans le même sens, dans la direction radiale, par rapport à l'axe 12 commun au piston 25 et à l'alésage 13. Cette inclinaison permet de déplacer les lames radialement pendant le déplacement axial du piston suivant le sens de la flèche 14. En se reportant aux Fig. 3 et 4 on voit que des rampes inclinées successives 40a, 40b. 40c sont disposees les unes à la suite des autres sur le piston 25, suivant sa périphérie. Un cycle complet de depla- cement d'une lame 18 est obtenu par les trois rampes inclinées successives 40a, 40b et 50c dont les profondeurs d'usinage à leurs extrémités et à partir du diamètre extérieur du piston 25 sont indiquées (en 10 3m) sur la Fig. 4. Chacun des doigts 19 est maintenu, par les ressorts 21 de la lame 18 correspondante, en contact avec le fond d'une rampe 40, par l'intermé- diaire d'une partie d'extrémité usinée sous forme d'une portée sphérique. Comme il est visible sur la Fig. 4. le déplacement du piston dans le sens de la flèche 43 permet de faire passer l'extrémité du doigt 19 du niveau - 11 au niveau - 6, par interaction de ce doigt 19 avec la rampe 40a. De la meme façon, la rampe 40b permet de faire passer le doigt du niveau - 6 au niveau -4,5.Ces deux déplacements le long des rampes 40a et 40b s'accompagnent donc d'un mouvement radial des doigts 19 vers l'extérieur du corps 20 et donc d'un mouvement des lames 18 vers l'extérieur, En effet, comme il est visible sur la Fig. 3. la répartition des rampes suivant la périphérique du piston 25 est telle qu'à chaque instant, l'ensemble des doigts 19 vient en contact avec un ensemble de rampes identiques et que les déplacements. dans la direction radiale, de ces doigts sont donc identiques à tout instant. La rampe 40c correspond à un passage des doigts 19 du niveau -4,5 au niveau - 11, ce qui correspond à un retour des doigts 19 à leur position initiale et à un retour des lames 18 dans leur position rétractée. Chacun des trois doigts 19 de l'ensemble représenté â la Fig. 3 effectue donc un cycle complet de déplacement avec trois rampes 40a, 40b et 40c. Le nombre total des rampes constituant l'ensemble 0 est donc 3 x 3 a 9. On voit sur les Fig. 3 et 4 que les rampes 40a, ROb et 40c sont reliées entre elles par des parties courbes 44 et par des parties droites 45 à niveau constant. pour constituer une surface continue d'ac- tionnement 46 disposée i la périphérie du piston 25. Les parties courbes 44 joignant l'extrémité des rampes 40 à l'extrémité des parties droites 45 permettent la mise en rotation du piston 25, pas à pas dans la direction do la flèche 48, par interaction de l xtremi- té du doigt 19 avec la partie courbe 44, en fin de mouvement du piston 25 dans un sens ou dans l'autre Chacun des pas correspond à la distance angulaire entre la rampe 40 et la partie plane 45 voisine, c est-à-dire 360 /18 = 20. Dans un sens la force motrice est procurée par la perte de charge du fluide de forage et dans l'autre par l'énergie emmagasinée par le ressort 31. Le mouvement de rotation pas à pas du piston ne peut se produire que dans le sens de la flèche 48, une roue libre 50 (Fig. 2) étant montée dans l alésage 13 du corps 10 autour de la partie 25b du piston 25. Le piston est rendu solidaire en rotation de cette roue libre par l'intermédiaire dune clavette engagée dans une rainure longitudinale 51 usinée sur la partie 25b du piston. Le piston 2S peut ainsi se déplacer longitudinalement par rapport à la roue libre 50 pour effectuer ses mouvements de Va-et-vient sous l'action du fluide et sous l'action du ressort 31. Chacun des déplacements longitudinaux du piston dans le sens de la flèche 14. par action du fluide de forage en circulation. se traduit donc par un mouvement radial des lames dans le sens de l'ex- traction (deux pas successifs) et dans le sons de la rétraction (un pas de déplacement longitudinal). En enregistrant depuis la surface les pas de déplacement longitudinal du piston. on arrive donc à connaître de façon précise la position des lames. ce qui permet de réaliser un très bon controle du stabilisateur.Cet enregistrement des pas, comme il a été indiqué, est extrêmement facile puisque la fin do chacun des dopla- cements moteurs du piston dans le sens longitudinal se traduit par une forte augmentation de pression de pom page. Le mode de fonctionnement du dispositif est le suivant Les lames étant dans leur position rétractée telle que représentée aux Fig. 2 et 3, on envoie un débit au moins égal au débit d'actionnement du dispositif dans le train de tiges, ce qui produit le deplacement du piston et 1 augmentation automatique et progressive de la perte de charge jusqu'à ce que le piston arrive à sa position extrême, la perte de charge étant alors maximum. L'enregistrement dela pression depuis la surface permet de determiner la fin d'un pas de déplacement du piston. Si l'amplitude de sortie des lames est suffisante, le dispositif est maintenu automatiquement en position tant que le débit d'alimentation en fluide de forage n'est pas annule.Si l'on désire effectuer un pas supplémentaire pour réaliser une sortie supplémentaire des lames, on annule le débit d'alimentation en fluide de forage et le piston revient dans sa position initiale par l'action du ressort 31. Entre temps une rotation de 20 du piston a permis au doigt 19 d'être placé sur une partie plane 45 de la surface d'actionnement 46. A l'extrémité de la partie plane 45, la partie courbe 44 de la surface d'actionnement 46 permet une nouvelle rotation de 20 du piston dans le sens voulu grâce à la roue libre 50, pour que le doigt 19 se trouve dans l'alignement de la rampe suivante 40b.Par augmentation du débit du fluide de forage jusqu'à la valeur du débit d'actionnement, on produit un déplacement du piston 25 dans le sens de la flèche 43, les doigts 19 et les lames 18 étant déplacés d'un pas supplementaire vers l'exté- rieur et dans la direction radiale. Il est bien évident que le système peut être remis à l'état initial par passages successifs des doigts 19 sur la partie plane 45 au niveau - 4,5 et sur la rampe 40c. Tous ces déplacements peuvent être parfaitement suivis depuis la surface par enregistrement de la pression. Les principaux avantages du dispositif suivant l'invention sont donc de permettre d'effectuer des déplacements successifs des lames d'appui dans un sens et dans l'autre. de façon parfaitement contrôlée et dans de très bonnes conditions de stabilité. Le dispositif est d autre part d'un encombrement relativement reduit malgré ses nombreuses possibilités. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. Le nombre de rampes successives differentes constituant un jeu de rampes peut être différent de trois si l'on désire effectuer un déplacement avec une succession de pas inférieure ou supérieure à trois. On peut utiliser moins de trois lames et éventuellement une seule lame d'appui sur le stabilisateur, associée ou non à d'autres lames fixes, ou, au contraire, utiliser un nombre de lames plus grand que trois. On peut utiliser des lames disposées suivant la direction de l'axe du train de tiges ou des lames inclines par rapport à cet axe. Dans tous les cas, le nombre de rampes disposées å la périphérie du piston d'actionnement sera égal au nombre de lames multiplie par le nombre de pas differents de déplacement des lames dans la direction radiale. On peut effectuer le montage des lames d'une façon différente de celle qui a été décrite et utiliser des lames d'une forme différente. Le dispositif d'actionnement du piston peut être différent de celui qui a été décrit et qui a fait l'objet de la demande de brevet français 85-00142. Cependant, le piston et le corps du stabilisateur devront toujours comporter des parties complémentaires permettant une réduction très importante de la perte de charge dans le fluide de forage. en fin de mouvement moteur du piston. Un moyen différent d'une roue libre peut etre associé au piston pour empêcher sa mise en rotation dans un sens et pour l'autoriser dans l'autre sens Enfin, le dispositif de forage suivant l'invention peut comporter un nombre quelconque de stabilisateurs comportant chacun un nombre quelconque de lames, dont une lame au moins est mobile radialement. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de forage à trajectoire contrôlée comportant un train de tiges creuses (1) dans lesquelles circule un fluide de forage. un outil de forage (2) fixé à l'une des extrémités du train de tiges et au moins un dispositif de stabilisation (7) comportant un corps (10) relié au train de tiges (1) ayant un alésage central (13) coaxial à l'alésage des tiges (1), au moins une lame d'appui (18) montée mobile radialement dans le corps (10) et un piston (25) monté mobile dans la direction axiale de l'alésage (13) pour l'actionnement de la lame d'appui (18) dans le sens de son extraction radiale par déplacement axial du piston (25) entre une position initiale et une position finale, sous l'effet d'un moyen de commande ayant le fluide de forage pour source d'énergie, la lame (18) et le piston (25) étant rappelés par des moyens élastiques (21, 31) dans leur position rétractée et dans leur position initiale respectivement. caractérisé par le fait que le piston (25) est monté mobile dans l'alésage central (13) du corps (10). non seulement en translation mais aussi en rotation autour de l'axe (12) du train de tiges (1) et qu'il comporte. sur sa surface latérale externe, des rampes longitudinales (40) inclinées dans une direction radiale par rapport à l'axe (12) des tiges. placées les unes à la suite des autres suivant la périphérie du piston 125) et reliées entre elles pour constituer une surface d'actionnement (46) continue, par des parties complémentaires (44, 45) pour le déplacement en rotation pas à pas du piston (25) et son retour à sa position initiale, au moins un doigt d'actionnement (19) monté mobile radialement dans le corps (10) coopérant avec la surface d'actionnement (46) d'une part et la lame (18) d'autre part. et que le piston (25) et le corps (10) du dispositif de stabilisation comportent des moyens complémentaires (34, 35) pour créer une perte de charge très fortement accrue dans le fluide de forage en circulation, en fin de mouvement d'actionnement du piston 25. 2.- Dispositif de forage suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un moyen 3.- Dispositif de forage suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen (50) est une roue libre (50) montée dans l'alésage (13) du corps (10) du dispositif de stabilisation. autour du piston (25), de façon que le piston (25) soit solidaire en rotation et libre en translation par rapport à cette roue libre (50) qui autorise le déplacement pas à pas en rotation du piston (25) dans un sens uniquement. 4.- Dispositif de forage suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3. caractérisé par le fait que les moyens élastiques de rappel des lames (18) en position rétractée sont constitués par des ressorts à lame (21) fixés sur le corps (10) et en appui sur l'extrémité des lames (18). 5.- Dispositif de forage suivant la revendication 4. caractérisé par le fait que des pièces de fermeture (22) sont disposées au-dessus des ressorts à lame (21) vers l'extérieur du corps du stabilisateur et assurent le guidage et le maintien des lames (18) à l'intérieur de lumières (16) percées dans le corps (10) du dispositif de stabilisation. 6.- Dispositif de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le dispositif de stabilisation comporte trois lames (18) successives suivant la périphérie du corps (10) à chacune desquelles sont associés deux doigts d'actionnement (19), les doigts d'actionnement [19) étant disposés suivant deux jeux dont les doigts sont maintenus en contact chacun avec une surface d'actionnement (46) comportant des rampes (40 ou 41), les deux jeux de doigts 119) et les deux surfaces d'actionnement (46) étant disposés en des positions espa crées longitudinalement par rapport au piston (25?. 7.- Dispositif de forage suivant lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens complémentaires pour créer une perte de charge portés par le piston (25) et le corps (10) du dispositif de stabilisation (7) sont constitués respectivement par une surface annulaire profilée (34) et par une aiguille (35) ayant pour axe de revolution l'axe (12) du train de tiges. ces moyens complémentaires (34. 35) constituant le moyen de commande du déplacement du piston (25! par augmentation du débit du fluide de forage jusqu'à une valeur de seuil appelée débit d'actionnement. 8.- Dispositif de forage suivant l'une quelconque des revendication 1 à 7, caractérise par le fait qu'il comporte un dispositif de pompage (5) du fluide de forage et un dispositif de mesure (6) de la pression de ce fluide de forage. 9.- Dispositif de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux dispositifs de stabilisation (7) reliés au train de tiges (1) en des endroits espacés axialement le long de ce train de tiges.