Brevet FR2584448A1 — publié le 19870109

Procédé et instalLation de forage et de tubage dans un sol La présente invention a pour objet un procédé de forage et de tubage dans un sol et une installation mettant en oeuvre ce procédé. L'invention s'applique notamment au démarrage des puits en mer ou of f - sh or e Sur des sites dont les terrains de surface sont mal consolidés, le démarrage des forages "offshore" conventionnels est souvent très délicat. En effet, le diamètre de démarrage étant toujours important, les débits requis pour une bonne élimination des déblais sont souvent incompatibles avec la capacité des pompes d'aspiration. De plus, les débits importants se soldent généralement par une érosion des parois.Il s'ensuit une mauvaise remontée des déblais à laquelle vient parfois s'ajouter un effondrement du terrain. Ces phénomènes rendent Le forage très difficile, nécessitent la fabrication d'une très grande quantité de boue (forage en boues perdues) et peuvent meme entraîner une déstabilisation du soubassement des pi les de la plate-forme, dans le cas des forages effectués à partir d'une plate-forme auto-élévatri ce. Enfin, à L'issue du forage, il n'est pas rore que le tubage ne puisse pas descendre à la cote voulue. Sur les forages de grand diamètre classiquement fores à l'air en circulation inverse ("airlift"), les risques d'effondrement sont plus grands encore car dans ce cas, le puits n'est pas rempli de boue. Dans les deux cas cités (forage conventionnel et forage de grand diamètre), La solution La plus couramment utilisée consiste à enfoncer dans Le terrain un tube-guide par battage puis à forer à L'inté- rieur de ce tube-guide. Cette opération est Longue, dangereuse et coûteuse. De plus, bien que ces tubes soient battus "jusqu'au refus", c'est-à-dìre jusqu'au moment où ils ne peuvent plus s'enfoncer, la constance dans le temps de leur capacité portante n'est malgré tout pas assurée. Certains tubes peuvent glisser dans le puits après le forage, ce qui est très désavantageux et onéreux. L'invention a donc pour objet un procédé de forage et de tubage dans un soL et une instaLLation de forage et de tubage permettant de pal Lier les inconvénients précédemment mentionnés. Le procédé de forage et de tubage dans un sol consiste à réaliser simultanément le forage et Le tubage en disposant une garniture de forage à L'intérieur d'une Ligne de tubes, de telle sorte que celleci s'enfonce à mesure que . la garniture de forage creuse le sol. Le procédé selon L'invention consiste donc à tuber le puits tout en forant, ce qui élimine Les risques d'effondrement et permet de gagner plusieurs jours de travail sur site. L'installation de forage et de tubage comprend - une garniture de forage comportant à son extrémité inférieure un trépan et à proximité de son ext ré- mité supérieure un épaulement orienté vers Le bas, - une ligne de tubes dans laquelle est enfilée la garniture de forage, L'extrémité supérieure de la ligne de tubes étant pourvue d'un chapeau compor tant un épaulement orienté vers le haut et percé d'un orifice traversé par la garniture de forage, - une butée disposée entre lesdits épaulements, apte à permettre la transmission d'un effort vertical de la garniture de forage vers la ligne de tubes et laissant libre en rotation la garniture de forage par rapport à la ligne de tubes. De préférence, au moins un épaulement de soutien est formé sur la garniture de forage, à I 'in- térieur de la ligne de tubes, et des butées escamotables aptes à se replier vers l'intérieur de la ligne de tubes sont fixées sur celle-ci, ledit épaulement de soutien étant apte à venir en butée sur les butées escamotables. De façon avantageuse, des plaques de base aptes à s'appliquer sur le sol sont fixées sur la ligne de tubes à un niveau correspondant à la profondeur de tubage désirée. De préférence, la butée disposée entre lesdits épaulements est une butée à billes comportant une bague inférieure et une bague supérieure, la bague inférieure étant fixée à L'épaulement du chapeau et la bague supérieure étant fixée à l'épaulement de la garniture de forage. Avantageusement, la partie inférieure de la garniture de forage est pourvue d'au moins un roulement à rouleaux assurant le guidage en rotation et translation de La garniture de forage dans la ligne de tubes. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre explicatif mais nullement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles - la figure 1 représente, en coupe longitu dinale et de façon simplifiée, L'installation de forage et de tubage selon L'invention, - la figure 2 représente, en coupe, le dispositif de poussée permettant la transmission d'un effort vertical de la garniture de forage vers la ligne de tubes, - la figure 3 représente, en coupe et de façon simplifiée, le dispositif de supportage de la ligne de tubes par la garniture de forage, - la figure 4 représente, en coupe longitudinale la partie de la ligne de tubes comportant les plaques de base et les butées escamotables, - la figure 5 représente, en coupe transversale, selon le plan AA de la figure 1, la ligne de tubes et plus précisément une plaque de base vue de dessus, - la figure 6 représente de façon schématique la mise en place de la ligne de tubes sous la plate-forme, et - la figure 7 représente de façon schématique les étapes successives de forage et de tubage selon le procédé de L'invention. L'installation de forage et de tubage selon l'invention est représentée sur la figure 1. L'installation comporte une garniture de forage 2 constituée d'une série de tubes 3 fixement alignes portant à son extrémité inférieure un trépan 4. Cette garniture de forage 2 est enfilée dans une ligne de tubes 6 destinée au tubage. Le trépan 4 est fixé au dernier tube 3 par une tige 8 de plus grand diamètre. Cette tige 8 possède deux roulements 10, 12, à rouleaux par exemple, permettant son guidage en rotation et en translation dans la ligne de tubes 6. Le roulement 12 est placé à proximité du trépan et le roulement 10 en est suffi samment éloigné pour supporter les efforts dus au forage. Le diamètre extérieur du trépan est sensiblement inférieur au diamètre intérieur de la ligne de tubes 6, permettant ainsi son passage dans celle-ci. Des plaques de base 14, aptes à s'appliquer sur le sol 16 au fond de la mer 17, sont fixées sur la ligne de tubes 6 à un niveau correspondant à la profondeur de tubage désirée. Ces plaques de base 14, par exemple au nombre de quatre, sont représentées de façon plus détaillée et agrandie sur les figures 4 et 5. Elles comportent chacune une plaque horizontale 18, en forme de secteur de couronne circulaire, renforcée par des goussets 20, pa-r exemple au nombre de quatre, verticaux, de forme sensiblement triangulaire. Des nervures de renfort 22 relient les goussets 20. Toutes ces pièces sont soudées entre elles de manière à constituer une seule pièce rig-ide. Les deux goussets 20, disposés à proximité du milieu de la plaque horizontale 18, sont placés chacun contre une nervure de fixation verticale 24, elle-même fixée sur la ligne de tubes 6; deux broches 26 fixent chaque gousset 20 sur la nervure de fixation 24 correspondante en passant par des trous 26a alignés dans les deux pièces 20 et 24. Chacune des plaques de base 14 est ainsi fixée solidement sur la ligne de tubes 6. Les nervures de fixation 24 se prolongent au-dessus des goussets 20 et sont percées chacune à leur extrémité supérieure par un trou 28. Une manille peut prendre place dans ce trou 28 appelé également "oreille" 28, et sert alors à accrocher des câbles permettant la suspension de la ligne de tubes 6 à partir d'une plate-forme 80 par exemple (figure 1). Un dispositif de supportage 30 de la ligne de tubes 6 par La garniture de forage 2 est représenté sur Les figures 4 et 5 et pLus précisément sur La figure 3. Deux ouvertures 32, 34 rectanguLaires sont formées dans La Ligne de tubes 6, au-dessus des plaques de base 14. Ces ouvertures 32, 34 sont diamétra Laient opposées et situées entre deux pLaques de base 14. Deux butées escamotables 36, 38 sont fixées sur La ligne de tubes 6 en face des ouvertures 32, 34 respectivement. Ces butées 36, 38 sont articuLées de teLLe sorte qu'eLles peuvent occuper deux positions extrêmes. Dans La première position occupée par La butée 36 sur La figure 3, Les butées sont disposées verticaLement Le Long de La Ligne de tubes. Dans La seconde position occupée par La butée 38 sur La même figure 3, Les butées font saiLLie horizontalement à L'intérieur de La Ligne de tubes 6.Dans cette seconde position, un épauLement de soutien 40, formé sur La garniture de forage 2 et pLus particulièrement sur un tube 3, peut aLors venir s'appLiquer sous La face inférieure des butées. Les butées sont alors bLoquées dans cette seconde position et La garniture de forage 2 peut soutenir La Ligne de tubes 6 par L'intermédiaire de L'épauLement de soutien 40 et des butées escamotabLes 36, 38. En pratique, iL va de soi que Les deux butées 36, 38 occupent toujours simulta nément La nêae position, contrairement à ce qui est représente à titre expLicatif sur La figure 3. L'instaLLation de forage et de tubage comprend de pLus un dispositif de poussée 42 qui est représenté sur La figure 1 et de façon pLus détaillée et agrandie sur La figure 2. Ce dispositif 42 est monté sur La garniture 2 de façon à venir en appui contre L'extrémité supérieure de La ligne de tubes 6, afin de transmettre à celle-ci la poussée exercée par la garniture de forage 2. Le dispositif de poussée 42 comprend un chapeau 44 comportant des goussets 46 verticaux disposés radialement par rapport à un axe vertical correspoendant sensiblement à l'axe de la garniture de forage 2. Les goussets 46 sont disposés de telle manière qu'ils ménagent un orifice central 48 traversé par la garniture de forage 2. Les goussets sont liés entre eux par des couronnes cylindriques 50, 52 en bas et au milieu et par une cornière circulaire 54 en haut. Toutes ces pièces sont soudées entre elles de manière à constituer une seule pièce rigide. Le chapeau 44 comporte sur sa face inférieure un épaulement 56 apte à venir en appui contre l'extrémité supérieure de la ligne de tubes 6 tout en se centrant dans celle-ci par un chanfrein circulaire 58. La face intérieure horizontale 60 de la cornière circulaire 54 est orientée vers le haut. Le tube 3 de la garniture de forage 2 disposé au niveau du chapeau 44 comporte au niveau de cette cornière 54 un épaulement 62 oreinté vers le bas et renforcé par des nervures 64 verticales et radiales. Une butée à billes 66 munie d'une bague supérieure 68 et d'une bague inférieure 72 est disposée entre la face 60 du chapeau 44 et L'épaulement 62 de la garniture de forage 2. La bague supérieure 68 de la butée 60 vient se loger fixement contre l'épaulement 62 et se trouve liée ên rotation avec La garniture 2 par des pions d'entraînement 70. La bague inférieure 72 vient se loger fixement dans La cornière 54 du chapeau 44 contre ladite face 60. Un flasque 74 fixé sur une face supérieure du chapeau 44 est disposé au-dessus de la face supé rieure de l'épaulement 62 afin d'empêcher la désolidarisation des deux bagues 68 et 72 de la butée 66 lorsque le chapeau 44 n'est pas en appui sur la ligne de tubes 6. Le dispositif de poussée 42 est donc apte à transmettre un effort vertical, par exemple le poids de la garniture de forage 2, de cette garniture 2 vers la ligne de tubes 6 par L'intermédiaire du chapeau 44 sans que cette ligne de tubes 6 soit entrai- née en rotation par la garniture de forage 2. La procédure de forage et de tubage à l'aide de l'installation précédemment décrite va à présent être explicitée en référence aux figures 6 et 7A,B, C, D, E et F. La procédure concerne par exemple le forage et le tubage d'un puits "off-shore" dans un sol 16 à partir d'une plate-forme référencée 80 sur les figures 1 et 6. La figure 6 représente les premières étapes de la mise en place de la garniture de forage 2 dans la ligne de tubes 6. La ligne de tubes 6 est assemblée notamment par soudure puis remorquée à proximité de la plate-forme 80 par flottaison ou à l'aide de flotteurs disposés sous la ligne de tubes 6. Lorsque L'extrémité supérieure de la ligne de tubes 6 est à L'aplomb d'une "table de rotation" 82 de la plateforme 80, deux câbles fixés sur cette table 82 sont accrochés aux "oreilles" 28. La ligne de tubes 6 peut alors être relevée et mise à la verticale en enlevant les flotteurs ou les éléments de flottaison de celleci. Ces phases sont représentées en traits mixtes sur la figure 6. On pourrait envisager une autre procédure qui consisterait à stocker les tubes sur la plateforme 80 puis à les monter bout à bout jusqu'à ce que la ligne de tubes 6 soit constituée. Une fois la ligne de tubes 6 suspendue verticalement à la table 82, les plaques de base 14 sont fixées sur les nervures de fixation 24 de la ligne de tubes 6 par les broches 26 (figures 4 et 5). La garniture de forage 2 est ensuite descendue dans la ligne de tubes 6 jusqu'à ce que l'épaulement de soutien 40 soit en dessous du dispositif de supportage 30 et plus particulièrement des ouvertures 32, 34 (figure 3). Les butées escamotables 36, 38 sont alors basculées, par exemple manuellement, à L'intérieur de la ligne de tubes 6. La garniture de forage 2 est ensuite remontée et l'épaulement de soutien 40 vient en appui contre les butées 36, 38. Les cables fixés aux oreilles 28 peuvent alors être enlevés puisque la garniture de forage 2 soutient la ligne de tubes 6. Cette position est représentée sur la figure 7A. Le dispositif de poussée 42 est ensuite fixé sur la garniture de forage 2. L'ensemble garniture de forage 2 et ligne de tubes 6 est ensuite descendu jusqu'à ce que la ligne de tubes 6 s'enfonce dans le sol 16 sous l'effet de son propre poids (figure 7B). A cet instant, l'extrémité inférieure du trépan 4 est nettement audessus de la surface du sol 16.En effet, il est nécessaire que la garniture de forage 2 puisse descendre sans tourner d'une distance suffisante pour permettre l'escamotage des butées 36, 38. Lorsque cet escamotage automatique est effectué et donc que le d'spositif de supportage 30 n'est plus en fonction, l'opération de forage peut commencer (figure 7C). Les différents éléments de la garniture de forage 2 sont placés de telle manière que le dispositif de poussée 42 n'exerce pas d'effort sur l'extré- mité supérieure de la ligne de tubes 6 lors du forage comme le représente la figure 7C ou un léger espace entre le chapeau 44 du système de poussée et La Ligne de tubes 6 symbolise cette absence d'effort relatif. On estime que la distance entre le trépan 4 et l'ex trémité inférieure de la ligne de tubes 6 doit être voisine de 2 mètres lorsque le dispositif de poussée 42 vient en appui sur ladite ligne de tubes 6. Au cours du forage, la ligne de tubes 6 suit le trépan 4. Si une pierre 84 ou un terrain dur empêche la progression de La ligne de tubes 6, le dispositif de poussée 42 s'applique contre la ligne de tubes 6 ; le poids de La garniture de forage 2 vient à s'ajouter au poids de La Ligne de tubes 6, ce qui permet de forcer celle-ci à continuer sa progression vers le bas (figure 7D). Lorsque les plaques de base 14 viennent en appui sur Le sol 16 (figure 7E), l'opération de forage et de tubage est terminée. On peut alors retirer la garniture de forage 2 comme le représente la figure 7F et commencer Les opérations ultérieures telles que la cimentation. Cette procédure de forage et de tubage simultanés effectuée à L'aide de l'installation précédemment décrite permet un gain de temps appréciable par rapport aux procédures classiques telLes que Le battage. De plus, les risques de coincement et de casse sont limités. Bien entendu, la description ci-dessus n'a été donnée qu'à titre d'exemple, toutes modifications dans Les formes de réalisation pouvant être envisagées sans modifier le principe fondamental de l'in invention. Par exemple, on peut envisager de supprimer le dispositif de supportage 30 et de descendre simul tanément la ligne de tubes 6 et la garniture de forage 2 à l'aide de câbles. REVENDICATIONS 1. Procedé de forage et de tubage dans un sol (16), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser simultanément le forage et le tubage en disposant une garniture de forage (2) à L'intérieur d'une Ligne de tubes (6) de telle sorte que celle-ci s'enfonce à mesure que la garniture de forage (2) creuse le sol. 2. Installation de forage et de tubage caractérisée en ce qu'elle comprend - une garniture de forage (2) comportant à son extré mite inférieure un trépan (4) et à proximité de son extrémité supérieure un épaulement (62) orienté vers le bas, - une ligne de tubes (6) dans laquelle est enfilée la garniture de forage (2), l'extrémité supérieure de la ligne de tubes (6) étant apte à recevoir un ch apeau (44) comportant un épaulement (60) orienté vers le haut et percé d'un orifice (48) traversé par la garniture de forage (2), r une butée (66) disposée entre lesdits épaulements (60, 62) apte à permettre la transmission d'un ef fort vertical de la garniture de forage (2) vers la ligne de tubes (6) et laissant libre en rotation la garniture de forage (2) par rapport à la ligne de tubes (6). 3. Installation de forage et de tubage selon la revendication (2), caractérisée en ce qu'au moins un épaulement de soutien (40) est formé sur la garniture de forage (2) comprise à l'intérieur de la ligne de tubes R6), et que des butées escamotables (36, 38) aptes à se replier vers l'intérieur de la ligne de tubes (6) sont fixées sur cette ligne de tubes (6), ledit épaulement de soutien (40) étant apte à venir en butée sur les butées escamotables (36, 38). 4. Installation de forage et de tubage selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que des plaques de base (14) aptes à s'appliquer sur le sol sont fixées sur la ligne de tubes (6) à un niveau correspondant à la profondeur de tubage désirée. 5. Installation de forage et de tubage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ladite butée (66) disposée entre lesdits épaulements (60, 62) est une butée à billes (66) comportant une bague inférieure (72) et une bague supérieure (68), la bague inférieure (72) étant fixée à l'épaulement (60) du chapeau (44) et la bague supérieure (68) étant fixée à l'épaulement (62) de la garniture de forage (2). 6. Installation de forage et de tubage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la partie inférieure de la garniture de forage (2) est pourvue d'au moins un roulement à rouleaux (10, 12) assurant le guidage en rotation et translation de la garniture de forage (2) dans la ligne de tubes (6).