Brevet FR2590315A1 — publié le 19870522

La présente invention concerne un dispositif stabilisateur utilisable dans des opérations de forage de puits. Plus particulièrement elle concerne un stabilisateur perfectionné utilisable pour stabiliser à la fois des manchons de forage, ou masse-tiges, et d'autres parties dans un train de tiges de forage. Dans des opérations de forage de puits de pétrole, il est bien connu d'utiliser des stabilisateurs de manchons de forage pour centrer une tige de forage par rapport à un trépan. Des stabilisateurs de tige de forage placés en des points espacés le long d'un train de tiges de forage assurent le guidage de direction de forage par contrôle de l'amplitude et de la position relative de flexion du manchon de forage ou masse-tige. Ces flexions déterminent la direction et la grandeur des forces nonaxiales s'exerçant sur le trépan de forage. Dans le domaine du forage de puits, il est connu depuis longtemps des stabilisateurs comportant des nervures ou ailettes s'étendant longitudinalement. Plus récemment, on a mis au point des stabilisateurs hélicoïdaux qui améliorent l'uniformité de support assurée par le stabilisateur quand il tourne. Des exemples de stabilisateurs hélicoïdaux ont été décrits par Owen dans le brevet US ne 3 318 398, par Richey dans le brevet US ne 4 131 167, par Manuel dans le brevet US ne 4 245 709, par Thompson et al. dans le brevet US ne 4 275 935, par Russel dans le brevet US ne 4 438 822 et par Hester dans le brevet US ne 4 465 222. Lorsque de tels stabilisateurs sont sollicités par des forces dirigées vers le fond du trou, les extrémités opposées du stabilisateur entrent en contact avec la surface intérieure du trou foré et produisent des forces de réaction limitant une autre flexion. Un contact du stabilisateur avec le trou foré se produit sur une petite zone aux extrémités des ailettes du stabilisateur et en conséquence il se produit dans ces zones de contact une usure accélérée des ailettes et une augmentation des dommages causés au trou foré. Dans le brevet US ne 4 456 090, Holbert a décrit un stabilisateur comportant des ailettes hélicoïdales réparties à des intervalles circonférentiels également espacés de telle sorte que l'extrémité supérieure de chaque ailette recouvre l'extrémité inférieure de chaque ailette successive; les ailettes comportent également une légère conicité dirigée vers le bas afin de réduire au minimum toute tendance du stabilisa- teur à entailler ou racler la formation. Il subsiste un besoin de disposer dans ce domaine d'un stabilisateur ayant la possibilité de maintenir une tige de forage centrée dans le trou foré, en réduisant au minimum le couple d'entraînement, les dommages causés au trou foré ainsi que l'usure des ailettes du stabilisateur. La présente invention résout ces problèmes par création d'un stabilisateur de tige de forage comprenant au moins trois ailettes hélicoïdales de stabilisation qui sont espacées circonférentiellement et qui comportent chacune des extrémités avant et arrière, chaque paire d'ailettes adjacentes définissant entre elles une rainure, une partie d'ailette effilée prévue à chaque extrémité avant et arrière étant suffisamment longue pour supporter une charge trans- versale, ladite partie d'ailette effilée avant et ladite partie d'ailette effilée arrière étant séparées par une partie d'ailette cylindrique d'une longueur au moins égale à la moitié du diamètre hors-tout dudit stabilisateur, y compris lesdites ailettes, de manière que chacune desdites ailettes recouvre une ailette adjacente à l'intérieur de chacune desdites parties effilées. 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 au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente en vue en élévation et en coupe partielle une réalisation préférée de stabilisateur conforme à l'invention, et la figure 2 représente une vue en coupe du stabilisateur de la figure 1, faite selon la ligne A-A, et la figure 3 représente une vue en coupe d'un puits foré contenant une tige de forage infléchie et deux stabilisateurs conformes à l'invention. Comme indiqué ci-dessus, le stabilisateur conforme à l'invention comporte des ailettes qui ont un profil hélicoïdal et qui sont réparties circonférentielle- ment autour du coeur du stabilisateur. Les espaces entre les ailettes définissent des rainures qui permettent le passage de fluides de forage sur le stabilisateur pendant des opéra- tions de forage de puits. En référence à la figure 1 qui représente un exemple de réalisation de l'invention, l'outil stabilisateur 1 comporte des ailettes 2 qui sont disposées dans trois parties le long de son axe longitudinal. Dans la partie centrale 5, entre un épaulement intermédiaire avant 8 et un épaulement intermédiaire arrière 9, les ailettes 2 ont une hauteur constante de façon à former une surface extérieure cylindrique dans l'ensemble. A chaque extrémité de la partie cylindrique centrale 5 et à partir respectivement des épaule- ments intermédiaires avant et arrière 8 et 9, les ailettes comportent respectivement des flancs effilés avant et arrière 3 et 4. C'est avec ces flancs avant et arrière 3 et 4 que l'outil stabilisateur 1 entre en contact avec le trou foré et remplit ainsi sa fonction consistant à maintenir la tige de forage ( non représentée) dans une position centrale dans le trou foré, en s'opposant à une autre flexion. L'extré- mité avant 10 et l'extrémité arrière 11 de l'outil stabilisa- teur 1 sont biseautées afin de faciliter le déplacement dans le trou foré, comme cela est bien connu dans l'art antérieur. L'épaulement avant 6, l'épaulement arrière 7 et les épaule- ments intermédiaires 8, 9 sont de préférence arrondis dans le même but. L'outil stabilisateur 1 peut être fixé sur un arbre 24 d'une manière classique ou bien, en variante, il peut former un ensemble unitaire avec l'arbre 24, ledit arbre comportant un trou 21, comme cela est connu dans l'art antérieur, pour le passage de fluides de forage. L'extrémité filetée 22 et le contre-alésage fileté 23 sont adaptés pour permettre une fixation démontable de l'outil stabilisateur 1 dans un train de tiges de forage de la manière classique. En référence à la figure 2, considérée en combi- naison avec la figure 1, on peut voir dans cette vue en bout et en coupe l'arbre 24 et l'alésage 21 et également les rainures 12 avec une plus grande clarté. Bien que les figures représentent quatre rainures 12 et quatre ailettes 2, l'invention est adaptable à tout nombre approprié d'ailet- tes et de rainures entre 3 et au moins 7. On voit que des côtés 16 et 17 de la rainure 12 créent une section droite qui est effilée en direction du fond 20 de la rainure 12, en favorisant ainsi un nettoyage automatique de la rainure 12. Le bord avant 14 de l'ailette 2 est de préférence arrondi pour réduire au minimum le raclage du trou foré et pour réduire également au minimum le couple nécessaire pour faire tourner le train de tiges de forage. Le bord arrière d'ailette 15 peut avantageusement être d'équerre si cela est désiré. De préférence les coins extérieurs sont arrondis et les coins intérieurs sont striés comme cela est bien connu dans l'art antérieur. La section droite totale des rainures 12 est choisie de façon à permettre des vitesses appropriées d'écoulement de fluides de forage le long de l'outil stabilisateur 1 dans le puits foré. Il est à rappeler que, lorsque l'outil stabilisateur 1 tourne dans le puits, les rainures 12 exercent une action de pompage qui facilite l'écoulement des liquides de forage vers le haut sur l'outil stabilisateur 1. La largeur des ailettes 2 est mise en évidence à l'extrémité avant 10 sur la figure 2; la largeur des ailettes 2, mesurée sur la périphérie de l'outil stabili- sateur 1, est au moins égale à la largeur des rainures 12 de façon à créer une surface appropriée pour absorber les forces de frottement se produisant dans l'action de stabili- sation. L'outil stabilisateur 1 peut être fabriqué à partir de tout matériau approprié résistant à l'abrasion, par exemple de l'acier inoxydable, de l'acier trempé ou des métaux non magnétiques. Des revêtements appropriés résistant à l'abrasion peuvent être placés sur l'outil stabilisateur 1 en des endroits appropriés, par exemple sur le bord avant d'ailette 14. Il est essentiel que l'angle d'hélice 0 de l'ailette et la longueur des parties avant d'ailette 3 soient tels qu'une ailette d'un épaulement avant 6 recouvre une rainure d'un épaulement intermédiaire avant 8 de façon à obtenir un contact intégral de la surface d'ailette avec la surface du puits foré dans la partie effilée avant 3 de l'ailette. La zone de recouvrement est représentée sur la figure 1 par la dimension "a". Du fait que l'angle d'hélice a( est avantageusement maintenu constant sur la longueur de l'outil stabilisateur 1, la partie effilée arrière 4 de l'ailette peut avantageusement avoir la même longueur que la partie effilée avant 3 de l'ailette et il est prévu nécessai- rement le même recouvrement de surface d'ailette entre l'épaulement intermédiaire arrière 9 et l'épaulement arrière 7, comme cela vient d'être décrit en ce qui concerne la partie effilée avant 3 de l'ailette. Il est préférable qu'une rainure 12a prévue sur l'épaulement arrière 7 soit placée dans une position circonférentielle espacée de 1800 d'une rainure de l'épaulement avant 6. Cette mesure contribue en outre à réduire le contact-avec le puits foré, et par conséquent le couple nécessaire pour entrainer le train de tiges de forage, et elle sera précisée dans la suite en référence à l'angle d'enveloppement. La figure 3 représente deux outils stabilisa- teurs conformes à l'invention, qui sont en service dans un train de tiges de forage. Le trou foré 30 est représenté comme étant rectiligne mais il peut être incurvé sur au moins une partie de sa longueur. Des outils stabilisateurs 1 sont fixés dans une partie du train de tiges de forage 25 dans des joints 26 et 27. D'autres parties du train de tiges de forage (non représentées) sont fixées sur un joint 28 et sur un filetage 22. La partie 25 du train de tiges de forage est représentée avec un coude dessiné de façon exagérée pour clarifier le dessin. On voit que les flancs avant 3 et les flancs arrière 4 des deux outils stabilisateurs 1 sont en contact avec le trou foré 30. La force engendrée par ce contact empêche une flexion de la tige de forage, dans des zones adjacentes aux outils stabilisateurs 1, au delà d'une certaine valeur qui est fonction de la longueur des outils stabilisateurs 1 et de la différence entre les diamètres du trou foré 30 et de l'outil stabilisateur 1. Cette différence usuellement appelée le jeu, est habituellement comprise entre environ 0,5 pour cent et 2 pour cent du diamètre du trou foré 30. La lonqueur de la partie centrale cylindrique 5 de l'outil stabilisateur 1 est au moins égale à la moitié, et de préférence au moins éqale au diamètre intérieur du trou foré 30 de façon à contrôler l'angle de flexion p sans nécessiter un jeu excessivement réduit entre l'outil stabili- sateur 5 et le trou foré 30. La longueur de chacun des flancs avant 3 et arrière 4 doit être au moins égale à un tiers, et de préférence au moins égale à la moitié du diamètre du trou foré 30, en répartissant ainsi les forces anti-flexion et de frottement sur une longueur importante des ailettes du stabilisateur et en ayant pour effet de réduire au minimum l'usure dudit stabilisateur 1 et également de réduire au minimum le raclage du trou foré 30. La largeur de rainure n'est pas supérieure à environ un tiers du diamètre nominal du trou foré afin de réduire un mouvement erratique de l'outil stabilisateur 1 lorsqu'il tourne à l'intérieur du trou foré 30. En restant dans les critères mentionnés ci- dessus, le spécialiste de ce domaine peut calculer les dimensions d'un outil stabilisateur en vue de sa fabrication. Par exemple lorsque le diamètre nominal du trou à forer est de 444,5 mm et lorsque le jeu désiré pour l'outil stabilisa- teur est de 6,4 mm, le spécialiste connaît le débit nécessaire de circulation de fluide de forage et il dimensionne la section totale de passage des rainures en correspondance. Il est connu dans ce domaine que, dans un trou foré d'un diamètre de 444, 5 mm, la section de circulation est de préférence au moins d'environ 380 cm2; en conséquence, avec une profondeur de rainure sélectionnée et un nombre d'ailettes sélectionné, il est possible de calculer les dimensions de chaque rainure. Dans un stahilisateur de 438,1 mm de diamètre, par exemple, comportant cinq ailettes de 152,4 mm de largeur, des rainures de 122,9 mm de largeur et de 75 mm de profondeur, mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal du stabilisa- teur, établiront une section de circulation de 473 cm2. Par combinaison des valeurs calculées de la largeur de rainure et d'ailette avec une longueur de flanc (dimension "c" sur la figure I) de 139,7 mm, un calcul de l'angle d'hélice minimal1- des ailettes 2 qui permet un recouvrement d'ailettes à l'intérieur de chaque flanc donne une valeur de 48,7 degrés. Au contraire, le plus grand angle connu qui est utilisé dans l'art antérieur est d'environ 300. En conséquence le pas des ailettes est égal, dans l'exemple considéré, à (diamètre d'outil) x pi 438,1 x pi = 1210 mm. L'angle tg(angle d'hélice) tg 48,70 d'enveloppement desdites ailettes autour de la circonférence du stabilisateur considéré à titre d'exemple et d'une longueur de 914,4mm est de 272". En conséquence la rainure 12 prévue à l'extrémité avant de l'outil stabilisateur 1 ( figure 2) sera décalée de 272 autour de l'axe et sera placée dans une position désignée par 12a à l'extrémité arrière de l'outil stabilisateur 1. Pour obtenir des performances optimales, la position circonférentielle des rainures de l'extrémité arrière doit être diamétralement opposée à la position circonférentielle des ailettes prévues à l'extrémité avant de l'outil. Ce résultat peut être obtenu par une augmentation de l'angle d'hélice ". Dans cet exemple, l'angle d'hélice " serait augmenté de 48,67" à 50,2 et le pas final serait de 1143 mm. En référence à nouveau à la figure 1, il est à noter que les flancs effilés 3 et 4 sont représentés avec un profil tronconique, les grandes extrémités des cônes étant constituées par les épaulements intermédiaires avant et arrière 8 et 9 tandis que les petites extrémités sont constituées par les épaulements avant et arrière 6 et 7. En variante, la surface extérieure des flancs effilés peut être arrondie de telle sorte que la partie arrondie s'étende depuis les épaulements intermédiaires avant et arrière 8 et 9 jusqu'aux épaulements avant et arrière 6 et 7, respectivement, et ait un profil incurvé. Bien que les flancs tronconiques d'une réalisation préférée établissent un contact épousant étroitement le profil du trou foré 30 lorsque le jeu rentre dans les tolérances nominales, les flancs arrondis de la seconde réalisation préférée sont adaptables à une plus large gamme de jeux entre le puits foré et le stabilisateur. Les deux réalisations préférées permettent d'atteindre les objectifs de l'invention mais il va de soi que d'autres réalisations peuvent être envisagées sans sortir du cadre - de l'invention défini par les revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Stabilisateur de tiqe de forage, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) au moins trois ailettes ou nervures hélicoïdales de stabilisation (2), espacées circonférentiellement, comportant chacune des extrémités avant et arrière, deux ailettes adjacentes de chaque paire définissant entre elles une rainure (12), (b) une partie d'ailette effilée (3, 4) prévue à chaque extrémité avant et à chaque extrémité arrière étant suffisamment longue pour absorber une charge transver- sale, ladite partie d'ailette effilée avant et ladite partie d'ailette effilée arrière étant séparées par une partie d'ailette cylindrique (5) d'une longueur au moins égale à la moitié du diamètre hors-tout dudit stabilisateur (1), y compris lesdites ailettes (2), de façon que chacune desdites ailettes (2) recouvre une ailette adjacente à l'intérieur de chacune desdites parties effilées (3, 4). 2. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties effilées (3, 4) sont sensiblement tronconiques. 3. Stabilisateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle de cône () desdites parties effilées tronconiques (3, 4) est adapté pour répartir ladite charge transversale sur la longueur de chaque partie effilée (3, 4). 4. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties effilées (3, 4). ont un contour extérieur incurvé. 5. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position angulaire de chacune desdites rainures (12) à.une extrémité dudit stabilisateur (1) est décalée sensiblement de 1800 par rapport à la position circonférentielle d'une ailette (2) à l'extrémité opposée dudit stabilisateur (1). 6. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur desdites ailettes (2) sur leur diamètre extérieur est au moins éqale a la largeur des rainures (12) entre lesdites ailettes (2). 7. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois et pas plus de sept ailettes (2). 8. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites parties d'ailettes effilées (3, 4) ont des longueurs égales. 9. Stabilisateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune desdites parties d'ailettes effilées (3, 4) a une longueur au moins égale à un tiers de celle de ladite partie d'ailette cylindrique (5). 10. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur de chaque rainure (12) à la base desdites ailettes (2) est inférieure à la largeur de ladite rainure (12) sur la surface périphérique desdites ailettes (2).