Brevet FR2589942A1 — publié le 19870515

i L'invention concerne le forage de puits de pétrole et de gaz, en mer ou à terre, et elle a trait en particulier à un procédé et à- un appareil de forage de tels puits en triplettes (trois longueurs de tiges de forage raccordées entre elles d'un seul bloc). Le système de forage classique et le plus largement utilisé comprend une plate-forme portant une table de rotation destinée à transmettre un couple à une tige d'entraînement mobile verticalement, et à une tige de forage, une tour de forage, et un moufle mobile disposé à l'intérieur de la tour de forage pour faire monter et descendre la tige de forage à travers une ouverture ménagée dans la plate-forme. Tous les tronçons de la tige de forage sont raccordés, un à la fois, au moufle mobile et descendus à travers la table de rotation pour le forage du sondage du puits. Dans ce système classique, le reforage, c'est-à-dire le retrait de la tige de forage en rotation du sondage du puits, est simplement une opération inverse consistant également à débrancher un tronçon de tige à la fois au niveau de la plate-forme. Ce système classique est utilisé sur des plates-formes mobiles en continu telles que des navires ou des platesformes semi-submersibles, ainsi que sur des plates-formes stationnaires comprenant des plates-formes auto-élévatrices ou à câbles tendus pour le forage de puits et des plates-formes stationnai- res pour le forage de puits à terre. Plus récemment, on a mis au point un système pour le forage par triplettes. Dans un tel système, trois tiges de forage sont raccordées les unes aux autres d'un seul bloc, puis descendues en bloc à travers la plate-forme. Ce système de forage en triplettesest considéré comme étant plus rapide que le système classi- que car les trois tiges de forage sont raccordées les unes aux autres à l'extérieur de la zone de forage. Il est apparu également que le système de forage en triplettes présente des avantages particuliers pendant les opérations de reforage. D'autres détails de ces systèmes sont donnés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4 421 179, N 4 437 524, N 4 449 596 et N 4 458 728. Dans les systèmes des brevets précités, également appelés systèmes à entraînement par le haut, un gros moteur, monté sur rails, se déplace verticalement à l'intérieur de la tour de forage afin d'appliquer un mouvement de rotation à la tige supérieure de forage du bloc constitué des trois tiges de forage. Cependant, les systèmes à entraînement par le haut décrits dans les brevets précités, tout en épargnant du temps, présen- tent également des inconvénients importants. La mise en place de l'unité d'entraînement par le haut exige un remaniement important d'une installation existante, car il faut augmenter la hauteur de la tour de forage. Le couple élevé impose de fortes charges aux rails. L'unité d'entraînement par le haut nécessite la présence, dans la zone de la tour de forage,d'uncâblede 22,5 m de longueur, d'une capacité de 1000 ampères, qui consti- tue toujours une source énorme de danger, en particulier sur une plateforme mobile o des compensateurs de mouvements sont utilisés. Les systèmes à entraînement par le haut sont également affectés par les temps d'arrêt, car le gros moteur est un dispositif compliqué et, souvent, les opérateurs conservent l'entraînement classi- que par table de rotation et tige d'entraînement en secours. De plus, en raison du poids du dispositif d'entraînement par le haut, ce dernier doit être placé sur le c6té et un crochet monté sur le moufle mobile pour la manuten- tion de lourds tubages. Z589942 La présente invention apporte des perfec- tionnements à la fois au système classique de forage par tige unique et aux systèmes de forage en triplettes utilisant le groupe d'entrainement par le haut, et elle présente donc les avantages suivants: la possibilité d'utiliser des outils de forage existants; un système peu coûteux; la possibilité de la mettre en place sur toute installation avec un remaniement minimal; I im&&ma, la nécessité à présent disparue de mettre en place suc I mr l t de forage des commandes électriques à grande puissance; la possibilité d'utiliser une -vanne -e sécurité interne; une grande simplicité, une grande légèreté et le fait qu'il est inutile, au personnel, de suivre un réapprentissage ou un entraînement spécial; la possibilité de l'utiliser sur des sup- ports flottants équipés de compensateurs de mouvements existants; et la possibilité de descendre un tubage lourd. L'appareil et le procédé de l'invention font appel à une tige fi xe d'entraînement disposée verticalement, s'étendant sensiblement sur la hauteur de la tour de forage et menée par un moteur classique placé à proximité du niveau de la plate-forme ou au dessous de ce niveau, une fourrure menée étant reliée à la tige d'entraînement afin d'être entraînée par celle-ci. La fourrure menée se déplace verticalement sur la tige d'entraînement et est raccordée à un arbre d'en- traînementde tige de foragesitué surun ensemblede forage, au moyen d'un ensemble d'entraînement. Par le mouvement vertical de lafourruremenéeet d'unensemble à rouesdentées, un couple approprié est appliqué à la tige de forage afin de réaliser le forage et le reforage en triplettes. Il est également prévu un adaptateur de liaison supérieur équipé de moyens pour la manutention d'un tubage lourd. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une élévation d'une tour de forage classique montée sur une plate-forme sans table de rotation et équipée de la commande de côté selon l'invention; la figure 2 est une élévation à échelle agrandie du système de forage montré sur la figure 1, dans la zone entourée du cercle 2; - la figure 3 est une vue de côté suivant la ligne 3-3 de la figure 2, montrant le système de forage; - la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2, montrant l'ensemble d'entraîne- ment à chatne et roues dentées, destiné à transmettre un couple à la tige de forage; - la figure 5 est une vue, analogue à celle de la figure 4, mais montrant l'ensemble de transmission d'un couple à la tige de forage, cet ensemble étant du type à courroie et poulies; - la figure 6 est une coupe suivant la ligne 6-6 de la figure 4, montrant la roue dentée d'en- trainement et une partie de la fourrure menée avec arrachement partiel vertical destiné à montrer la liaison entre la roue dentée et la fourrure menée; - - la figure 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la figure 6, montrant la fourrure menée; - la figure 8 est une élévation avec coupe partielle suivant la ligne 8-8 de la figure 4, montrant la roue dentée menée; et les figures 9 et 10 sont une élévation et une vue de face, analogues à celles des figures 2 et 3, mais montrant des compensateurs de mouvement en tant que partie du système de forage. La figure 1 représente une plate-forme présentant une ouverture centrale 12 par laquelle peuvent être conduites des opérations de forage et -';. *r&ge,, ainsi qu'une tour de forage 14 de dimension et de type classiques reposant sur la plate-forme 10. Un système de forage 16, destiné à faireà descendre une tige de forage qui lui est reliée, est placé à l'intérieur de la tour 14 et n'est représenté qu'en partie sur les dessins. Ce système de forage 16 sera décrit plus en détail ci-après mais, à ce stade, il convient de noter que trois tronçons de tiges 20 de forage sont raccordés les uns aux autres d'un seul bloc au-dessus de la plate-forme pour le forage et le reforage. Ceci est appelé forage ou reforage en triplettes et celles représentées au-dessus de la plate- forme sont montrées comme étant reliées à des blocs similaires situés audessous de la plate-forme. Le centre de l'ouverture 12, la direction de course de l'appareil 16 et l'axe de rotation de la tige 20 de forage sont sur l'axe central de la tour 14 de la manière classique. Cet axe est appelé axe principal ou axe de forage. La plate-forme et la tour de forage peuvent être placées sur un support flottant (c'est-à-dire un navireou un support semi-submersible) ou sur une plate- forme stationnaire marine (c'est-à-dire du type à câbles tendus) pour le forage d'un puits sous-marin, ou bien elles peuvent faire partie d'une installation basée à terre pour le forage d'un puits à terre. Conformément à l'invention et comme montré sur la figure 4, une tige pleine allongée 22 présentant des faces plates 24 (trois sont représentées) s'étend essentiellement sur la hauteur de la tour 14 de forage et est reliée à un moteur et à une boite 26 de transmis- sion, représentés au-dessous de la plate-forme 10 et sur un côté de l'ouverture 12. Le moteur peut être le moteur classique monté horizontalement, tel qu'actuel- lement utilisé pour l'entraînement des tables de rota- tion. Une seconde ouverture 28 est prévue dans la plate- forme 10 sur un côté de l'ouverture 12 afin de permettre le raccordement de la tige 22 à l'ensemble 26 à moteur et boîte de transmission. Cette tige allongée 22, appelée tige d'entraînement, est disposée centralement par rapport à des moyens verticaux de guidage sous la forme de profilés 30 (poutrelles en I) fixés en plusieurs points de la hauteur de la tour de forage, parallèlement à l'axe principal. Tous moyens convenables peuvent être prévus pour la fixation des moyens de guidage à la tour de forage avec une solidité suffisante pour supporter tout couple leur étant appliqué, quatorze barres 32 étant représentées schématiquement sur la figure 1. L'ensemble 26 à moteur et boîte de transmission peut être placé au niveau de la plate-forme ou au-dessus, au gré de l'opérateur, et fixé à la plate-forme ou à une partie inférieure de la tour de forage de toute manière convenable. L'exigence principale est que l'en- semble à moteur et boite de transmission soit placé sur un côté de l'ouverture 12 et relié de façon à faire tourner la tige d'entraînement disposée verticale- ment. En outre, des paliers convenables (non représentés) peuvent être prévus pour la tige d'entraînement à son extrémité supérieure et à son extrémité inférieure et peuvent être fixés de toute manière convenable à la tour de forage afin de stabiliser la tige d'entraI- nement et de permettre sa rotation avec un frottement minimal. Une fourrure 34, menée en rotation par la tige d'entraînement (représentée en traits mixtes sur la figure 4 et plus en détail sur la figure 7) est positionnée sur un support 36 à l'intérieur du profilé 30 et comporte des organes d'appui convenables destinés à faciliter le mouvement vertical du support et de la fourrure menée. Seulement quatre des huit organes d'appui 40 sont représentés comme étant convena- u support 36. Le nombre et le type de ces organes d' appuesdu ressort de l'homme de l'art. La fourrure menée 34 est équipe,dte plu- sieurs galets 42 (trois représentés) disposés en triangle....-- et destinés à porter contre un nombre égal de faces plates 24 de la tige d'entraînement afin que cette dernière puisse communiquer un couple à la fourrure. L'agencement des galets dépend du nombre de faces plates de la tige d'entraînement. Comme représenté, les galets 42 de la table de rotation sont eux-mêmes équipés de, paliers convenables 44 destinés à faciliter leur rotation par rapport à la tige d'entraînement et à minimiser le frottement pendant le mouvement vertical de la fourru- re menée 34 sur la tige d'entraînement. Dans la forme de réalisation montrée sur les figures 4 et 7, la fourrure menée 34 est convenable- ment fixée à une roue dentée 46 afin que cette dernière tourne avec la fourrure 34 et qu'elle attaque une chaîne d'entraînement 50 qui lui est reliée. Cette roue dentée 46 est également un élément menant d'un ensemble à chaîne et roues dentées décrit ci-après. Dans la forme de réalisation représentée, les moyens de fixation de la fourrure menée 34 à la roue dentée 46 comprennent plusieurs boulons 52. Des paliers convenables 54 disposés entre un carter 56 de la roue dentée et cette roue dentée 46, facilitent le mouvement de rotation avec un minimum de frottement. Une roue 62 de plus grande dimension, fixée de façon à faire tourner un arbre d'entraînement 64, est reliée à la roue dentée 46 par la chaîne de transmis- sion 50. L'arbre d'entraînement est percé centralement pour permettre le passage d'un fluide de forage, de façon classique. Comme montré sur les figures 1, 4 et 8, le carter 56 renferme l'agencement à chaîne et roues dentées, contient une huile destinée à lubrifier et refroidir cet agencement, et des joints convenables d'étanchéité sont placés en tous points nécessaires pour empêcher les fuites. L'arbre d'entraînement 64 fait partie du système de forage 16 et communique une rotation à la tige de forage, et tous les éléments menés, la fourrure menée et l'agencement à chaîne et roues dentées sont placés sur un moufle 68 qui se déplace verticalement et qui fait partie du système de forage 16. La roue 62, de même que la roue dentée 46, est équipée de paliers convenables 66 disposés entre cette roue dentée et le carter 56 afin de minimiser le frotte- ment. La figure 5 illustre une variante de l'en- semble d'entraînement à chaîne et roues dentées. Sur cet- te figure, les deux roues dentées 46 et 62 et la chaîne sont remplacées par deux poulies 46a et 62a et une courroie de transmission 50a. Ces derniers éléments portent les mêmes références numériques suivies de la lettre "a", car ils fonctionnent à la manière d'un ensemble d'entraînement, de la même façon que l'ensemble à chaîne et roues dentées. Il convient de noter que les ensembles d'entraînement à roues dentées et chaînes ou à courroies ne sont représentés qu'à titre d'exemple. D'autres moyens d'entraînement tels qu'un train d'engrenage peuvent être utilisés pour transmettre un couple de la fourrure menée par la tige d'entraînement à l'ensemble de forage. On peut donc voir que l'invention telle que décrite jusqu'ici diffère par plusieurs points de l'art antérieur. La fourrure menée par la tige d'en- traInement n'est plus disposée au niveau de la plate- forme ni sur l'axe principal ou axe de forage, et elle ne constitue plus un élément menant destiné à communiquer un couple à une tige d'entraînement mobile verticalement. Par contre, la fourrure menée est un élément mené et la tige d'entraînement est l'élément menant et ce dernier est fixe par rapport à la plate-forme. En d'autres termes, la fourrure menée et la tige d'entraînement fonctionnent, dans la présente invention, exactement en opposition à leur fonctionnement dans un système classique de forage. Il apparaît également que, la tige verticale d'entraînement et sa source de force motrice étant placées sur un côté de l'axe principal et la fourrure menée pouvant se dép]lacer verticalement, on élimine le gros moteur et les complications subsé- quentes entraînées par un câble électrique à grande puissance utilisé pour la commande d'un tel moteur au sommet de la tour de forage. Il convient en outre de noter que, du fait de la suppression du moteur d'en- traînement placé en hauteur, il n'est plus nécessaire d'accroître la hauteur de la tour de forage. On peut donc construire une tour de forage classique, ou bien réadapter une tour de forage classique pour un forage et un reforage en triplettes. On se référera à présent aux figures 2, 3, 9 et 10 pour décrire plus en détail le système. de forage 16 destiné à faire monter et descendre des tiges de forage et d'autres éléments tubulaires, ainsi qu'à faire monter et descendre la table de rotation O10 et l'agencement à chaîne et roues dentées. Ces figures illustrent le système de forage 16 destiné à faire monter et descendre la tige de forage et également utilisé pour faire monter et descendre la fourrure menée par la tige d'entraînement et l'agen- cement d'entraînement à chaîne et roues dentées, et la forme de réalisation décrite présente également des moyens par lesquels un tubage lourd peut être élevé et abaissé. Ainsi, le système 16 de forage comprend un moufle 8obile 80 généralement relié à un moufle fixe (non représenté) situé au sommet de la tour de forage. Le moufle fixe supporte un émerillon 82, la fourrure menée 36 et l'agencement 46-62 (ou 46a-62a) d'entraînement à chaîne et roues dentées supporté par le moufle 68 et relié à l'arbre mené 64, un dispositif interne 86 de sécurité anti-éruption, et une tête hydrau- lique tournante 90, un maillon adaptateur 92 pour forte charge au-dessous duquel est disposé un robinet supérieur 94 de tige d'entraînement, et une réduction 86 destinée à être manoeuvrée avec une cloche de guidage 100 qui lui est reliée. Les biellettes 102 relient un élévateur 104 de tige de forage au maillon adaptateur 92 pour forte charge. Pour la manutention d'un tubage lourd, un maillon adapteur supérieur 106 peut être relié au moufle mobile 80 et peut également être relié, par des maillons 102 pour forte charge, au maillon adaptateur 92 pour forte charge. L'élévateur 104 de tige de forage est relié au sommet des trois tiges de forage raccordées pour la manoeuvre des tiges. Les figures 9 et 10 illustrent le système de forage 16 auquel un compensateurllO de mouvement est relié afin de montrer que l'invention peut être il utilisée avec un tel équipement. Etant donné que toutes les autres parties du système 16 de forage sont identi- ques à celles décrites en regard des figures 1, 2 et 3, elles portent les mêmes références numériques. De plus, étant donné que les compensateurs de mouvement sont anciens et bien connus, il semble inutile de décrire plus en détail leur fonctionnement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Syst-me pour le forage d'un puits de pétrole ou de gaz, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens (16) destinés à faire monter, descen- dre et tourner une tige (20) de forage dans une ouverture (12) d'une plate-forme (10) pour faire descendre, monter et entraîner un outil de forage utilisé pour le forage du puits, l'ouverture et les premiers moyens pouvant être mis en oeuvre sur un axe vertical, le système comportant également des seconds moyens (26) pouvant être mis en oeuvre sur un second axe vertical et destinés à communiquer un couple à la tige de forage. 2. Système selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les seconds moyens appliquent ledit couple au sommet de la tige de forage. 3. Système selon la revendication 2, carac- térisé en ce que plusieurs tiges de forage sont raccor- dées d'un seul bloc et en ce qu'un couple est appliqué au sommet du bloc. 4. Système selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la tige de forage est constituéed'un bloc formé de trois éléments raccordés entre eux et au sommet duquel un couple est appliqué. 5. Système pour le forage d'un puits de pétrole et de gaz, comportant une plate-forme (10) traversée d'une ouverture (12) par laquelle des opéra- tions de forage peuvent être conduites, le système comprenant en outre une tour (14) de forage située sur la plate-forme et centrée au-dessus de l'ouverture, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'entraînement (26), une tige allongée (22) disposée à l'intérieur de la tour de forage et reliée aux moyens d'entraînement afin d'être mise en rotation par ces derniers, ladite tige étant parallèle au centre de l'ouverture et à l'axe central vertical de la tour, des moyens menés réagissant au couple appliqué à la tige par les moyens d'entraînement et étant reliés aux moyens de forage afin que des opérations de forage soient effectuées à travers ladite ouverture. 6. Système selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les moyens de forage comprennent plu- sieurs tronçons de tige (20) de forage reliés les uns aux autres et auxquels les moyens menés appliquent un couple. 7. Système selon la revendication 6, carac- térisé en ce ue est une tige d'entraînement et en ce que les moyens menés comprennent un._4urrure (34) menée par la tige d'entraînement et mobile verCic a.- lement sur cette dernière. 8. Système selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les moyens menés comprennent également un ensemble à chaîne et roues dentées comportant une première roue dentée (46) fixée à la table de rotation et une seconde roue dentée (62) fixée à un arbre (64) , la chaîne (50) passant sur les deux roues dentées et l'arbre étant relié aux moyens de forage, en relation d'entraînement avec ces derniers. 9. Système selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les moyens menés comprennent également un ensemble à courroie et poulies comportant une première poulie (46a) fixée à la table de rotation et une seconde poulie (62a) fixée à un arbre, la courroie (50a) passant sur les deux poulies et l'arbre étant relié aux moyens de forage, en relation d'entraînement avec ces derniers. 10. Système selon la revendication 9, carac- térisé en ce que les moyens menés comprennent des élé- ments verticaux (30) de guidage fixés à la tour de forage afin de guider le mouvement vertical de la fourru- re menée. 11. Procédé pour forer un sondage de puits au-dessous d'une plate-forme qui présente une ouverture par laquelle des opérations de forage peuvent avoir lieu, caractérisé en ce qu'il consiste à faire monter et descendre une tige de forage sur un premier axe vertical passant par le centre de l'ouverture, et à appliquer de la puissance au sommet de la tige de forage à partir d'une source de puissance espacée dudit axe principal. 12. Procédé de forage d'un sondage de puits au-dessous d'une plate-forme qui présente une ouverture par laquelle des opérations de forage peuvent avoir lieu, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en place une source de force motrice de rotation dans la zone de la plate-forme, mais à distance de l'ouverture, à utiliser des moyens destinés à faire monter et descen- dre une tige de forage dans ladite ouverture et à faire monter et descendre des moyens qui sont menés en continu par la source de force motrice afin d'appliquer une force de rotation à la tige de forage, laquelle force est appliquée sensiblement au-dessus du niveau de la plateforme pendantque la tigede forage est montée et descendue en passant dans ladite ouverture. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la force de rotation est appliquée au sommet de la tige de forage.