Brevet FR2593226A1 — publié le 19870724

SYSTEME DE MONTAGE D'UN STABILISATEUR DANS UNE GARNITURE DE FORAGE, NOTAMMENT POUR FORAGE DIRIGE L'invention concerne particulièrement le forage dirigé où, lorsque les caractéristiques d'une garniture de forage ne correspondent pas à la déviation future du puits de forage qui est désirée, on peut essayer de modifier certains paramètres du forage tels que le poids sur l'outil, la vitesse de rotation, le débit de boue de forage, mais on est fréquement conduit, du fait de l'action très faible de ces modifications, à remonter la garniture de forage à la surface et à descendre une nouvelle garniture de forage dont les caractéristiques sont mieux adaptées à la direction que l'on entend donner au puits. On a essayé d'installer des stabilisateurs à diamètre variable mais, dans les conditions réelles d'utilisation, on se heurte à de grandes difficultés car de tels stabilisateurs ne présentent pas une résitance mécanique suffisante. Un objectif de la présente invention est de permettre une adaptation de la garniture de forage à la direction désirée du forage, sans avoir à remonter la garniture de forage à la surface et sans introduire d'éléments mécaniquement fragiles dans la garniture de forage. Pour cela, l'invention prévoit un système de montage d'un stabilisateur dans une garniture de forage dans lequel ce stabilisateur est solidaire d'un corps creux vissé à la portion de garniture de forage située au-dessus du corps creux, tandis qu'une portion inférieure de la garniture de forage comprenant le trépan de forage est vissée sur un mandrin, caractérisé en ce que ledit mandrin est monté à coulissement dans ledit corps, des butées étant installées entre ledit mandrin et ledit corps pour déterminer deux positions longitudinales relatives de ceux-ci une position rapprochée et une position écartée et des moyens d'engagement réciproque étant installés entre ledit mandrin et ledit corps pour solidariser ceux-ci en rotation au moins lorsqu'ils se trouvent dans lesdites deux positions et pour les maintenir, à volonté, dans l'une ou l'autre de ces deux positions. On peut, ainsi, modifier la position du stabilisateur et obtenir un espacement variable entre stabilisateur et trépan sans avoir à remonter la garniture de forage et on sait que la distance entre stabilisateurs joue un rôle important lors des forages dirigés. On peut notamment prévoir des glissières longitudinales coopérant avec des clavettes engagées dans ces glissières pour solidariser en rotation ledit mandrin et ledit corps, tandis que des gorges ménagées dans ledit corps peuvent recevoir des segments de verrouillage portés par des pistons montés dans ledit mandrin, afin de maintenir ledit mandrin et ledit corps dans l'une ou l'autre desdites deux positions. On peut aussi combiner les moyens de solidarisation en rotation avec des moyens de maintien dans l'une ou l'autre desdites deux positions. Pour cela, I'invention prévoit plusieurs ensembles formés chacun d'une paire de logements décalés longitudinalement ménagés dans l'une des deux pièces constituées par ledit corps et ledit mandrin et d'une clavette portée par l'autre de ces deux pièces et prévue pour pouvoir s'engager dans l'un ou l'autre de ces deux logements, tandis que chacun desdits deux logements comporte latéralement des bords longitudinaux de solidarisation en rotation desdites deux pièces, à une première extrêmité longitudinale un bord frontal formant l'une desdites butées et apte à arrêter ladite clavette si un effort est exercé tendant à rapprocher lesdites deux pièces et, à l'autre extrêmité longitudinale une ouverture de communication avec un passage qui relie les deux logements d'une paire et qui présente une configuration permettant d'y effectuer le déplacement de la clavette d'un logement à l'autre logement d'une paire. Ces moyens combinés peuvent éventuellement être complétés par des moyens de verrouillage tels que des segments de verrouillage mus par des pistons et s'engageant dans des gorges comme on l'a décrit plus haut. On va donner, à titre non limitatif, des exemples de réalisation de l'invention en se référant au dessin joint dans lequel: - les Fig. 1 et 2 représentent une vue extérieure d'une portion de garniture de forage, respectivement dans deux positions relatives différentes des stabilisa teurs proches du trépan; - la Fig. 3 représente en coupe axiale un exemple de montage de stabilisateur à espacement variable par rapport au trépan; - les Fig. 4 et 5 représentent, a' plus grande échelle, une coupe transversale selon la ligne 4-4 de la Fig. 3, respectivement en état de verrouillage et en état de non-verrouillage de la position longitudinale du stabilisateur à espace ment variable par rapport au trépan;; - les Fig. 6 et 7 représentent une coupe axiale selon respectivement la ligne 6-6 de la Fig. 4 et la ligne 7-7 de la Fig. 5 - la Fig. 8 représente, à plus grande échelle, une coupe selon la ligne 8-8 de la Fig. 3; - la Fig. 9 représente en coupe axiale un autre exemple de montage de stabilisateur à espacement variable par rapport au trépan ; et - -la Fig. 10 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle d'une rainure utilisée dans l'exemple de la Fig. 9. La Fig. 1 représente la partie inférieure d'une garniture de forage prévue pour un forage dirigé. De bas en haut, on voit le trépan de forage 1, un premier stabilisateur 2 qui est facultatif, une section 3 pouvant comprendre des éléments tels que : masse-tige en acier, masse-tige amagnétique, moteur de fond, etc..., un deuxième stabilisateur 4 déplaçable que l'on a représenté en position rapprochée sur la Fig. 1 et en position écartée sur la Fig. 2. Le déplacement du stabilisateur 4 s'effectue par le coulissement d'un mandrin 5 solidaire de la section 3, relativement à un corps 6 solidaire du stabilisateur 4, comme on l'expliquera à l'aide des figures suivantes.La variation de distance entre le stabilisateur 4 et le trépan de forage 1 permet de modifier les caractéristiques directionnelles de la garniture de forage Sur la Fig. 3 on a représenté le montage respectif du corps 6 et du mandrin 5 qui peut coulisser !ongitudinalement dans le corps 6, en étant solidaire de celui-ci en rotation gracie à des clavettes 7 portées par le corps 6 et engagées dans des glissières longitudinales 8 formées par des rainures ménagées dans le mandrin 5. Le corps 6 est fixé à la portion supérieure, non représentée, de la garniture de forage par un filetage 9, tandis que le mandrin 5 est fixé à la portion inférieure (3,2,1 sur la Fig. 1) de la garniture de forage par un filetage 10. Dans le corps 6 on a prévu à deux niveaux différents une gorge, respectivement 11 et 12, apte à recevoir des segments 13 portés par des pistons 14 qui peuvent coulisser radialement dans des trous 15. Les segments 13 sont disposés à un même niveau du mandrin 5 et permettent de verrouiller le mandrin 5 et le corps 6 dans deux positions relatives longitudinales correspondant l'une à l'engagement des segments 13 dans la gorge 11 (position écartée représentée sur la Fig. 3) et l'autre à l'engagement des segments 13 dans ia gorge 12 (position rapprochée). Ces deux positions correspondent aux positions extrêmes obtenues lors du coulissement relatif du mandrin 5 et du corps 6, c'est-à-dire respectivement atteintes lorsque le mandrin 5 vient sur la butée 16 ou la butée 17 du corps 6. Le mandrin 5 se termine vers le haut par un tube d'usure 18 qui s'applique de manière étanche contre le corps ó grâce à un joint annulaire 19. Un volume d'huile 20 est délimité entre le mandrin 5 et le corps 6 par ce joint annulaire 19, un piston flottant 21 et des joints annulaires 22 sur les pistons 14. Le piston flottant 21 maintient l'huile contenue dans le volume 20 en équipression avec le milieu extérieur 23, celui-ci étant en communication avec la face inférieure du piston flottant 21 grâce à des orifices 24. Pour le verrouillage relatif du mandrin 5 et du corps 6, on utilise la pression différentielle existant entre le milieu extérieur 23 et le milieu intérieur 25. Cette pression différentielle est due aux pertes dans le moteur de fond et/ou le trépan de forage lorsque la boue de forage circule dans la garniture de forage. Dans le cas où cette perte de charge serait insuffisante, on pourrait prévoir une duse 26, figurée en trait pointillé, en aval des trous 15. Les Fig. 4, 5, 6 et 7 permettent de mieux voir les segments 13 respectivement engagés dans la gorge 11 (ou 12) et retirés de cette gorge. La position engagée est prise sous l'effet de la pression différentielle dont on vient de parler. La pente de la face 27 de la gorge 11, face située en haut qui est appliquée contre les segments 13 par le poids de la garniture de forage lors du forage, est choisie pour que la force de rappel exercée par cette face sur les segments 13 soit inférieure à la poussée hydraulique exercée sur les pistons 14. On peut noter que l'effet de poids au niveau des pistons 14 est diminué de la poussée hydraulique exercée sur le tube d'usure 18. Quand le trépan de forage 1 ne repose pas sur le fond du puits, les segments 13 s'appuient sur la face 28 de la gorge 11 (ou 12). La pente de cette face 28 est choisie d'une part pour que, lors de la circulation de la boue de forage, la force de rappel s'exerçant sur les segments 13, force due au poids des éléments 1, 2, 3, augmentée de la poussée hydraulique sur le tube d'usure 18, soit inférieure à la poussée hydraulique sur les pistons 14 et d'autre part pour qu'en l'absence de circulation de boue de forage, le poids des éléments 1, 2, 3 soit suffisant pour provoquer le retrait des segments 13. Le choix de la position du stabilisateur 4 est effectué depuis la surface Si l'on désire avoir la position rapprochée de la Fig. 1, on descend la garniture de forage sans circulation de la boue de forage. Quand le trépan de forage 1 repose sur le fond du puits, on observe une légère diminution du poids sur l'indicateur de poids. Cette diminution est constante sur toute la course du corps 6 relativement au mandrin 5 entre les positions relatives écartée et rapprochée de ces deux pièces. Lorsque la position relative rapprochée est atteinte, le poids de la garniture de forage diminue a nouveau. La circulation de la boue de forage est alors établie pour verrouiller le stabilisateur 4 dans la position rapprochée grâce à l'engagement des segments 13 dans la gorge 12. Le stabilisateur 4 reste dans cette position rapprochée même si le 1&commat; trépan de forage 1 est dégagé du fond du puits, tant que l'on maintient la circulation de la boue de forage. Si l'on désire la position écartée du stabilisateur es selon la Fig. 2, on manoeuvre la garniture de forage vers le haut sans circulation de boue de orage. Les segments 13 se dégagent de la gorge 12 et le mandrin 5 ne suit pas le mouvement vers le haut du corps 6, ce qui permet à ces deux pièces de prendre leur position relative écartée. On établit alors la circulation de boue pour verrouiller ces deux pièces dans cette position relative, par engagement des segments 13 dans la gorge 11. Lorsque le trépan de forage I est ensuite descendu sur le fond du puits on n'observe aucun déplacement relatif des pièces 5 et 6. La Fig. 9 représente une variante de réalisation du montage du stabilisateur 4 déplaçable par rapport au trépan de forage. On retrouve dans cette variante une partie des éléments de la réalisation selon la Fig. 3. Le volume d'huile 20 compris entre le corps 6 et le mandrin 5 se trouve toutefois délimité par un joint annulaire 29 au lieu du joint B9 9 et le piston 21 se trouve en communication avec le milieu extérieur par sa face supérieure. Pour cela, on a prévu sur le corps 6 une succession circonférentielle de clavettes 30 engagées chacune dans l'une des rainures en J d'une succession circonférentielle de rainures 31 ménagées dans le mandrin 5. La Fig. 10 montre à plus grande echelle la configuration d'une de ces rainures 31 selon une coupe cylindrique. Cette rainure 31 comporte un logement supérieur 32 et un logement inférieur 33 réunis par un passage 34 à leurs extrêmités supérieures 35 et 36.Les extrêmités inférieures 37 et 38 sont fermées et forment une butée pour la clavette 30, qui s'oppose à un mouvement de rapprochement relatif du mandrin 5 et du corps 6 tendant à se produire lorsque la garniture de forage est en cours de forage, si le poids appliqué sur le trépan de forage par la garniture de forage est supérieur à la poussée hydraulique sur le tube d'usure 18. Latéralement, les logements 32 et 33 comportent des bords longitudinaux 39, 40 et 41, 42 qui solidarisent en rotation le mandrin 5 et le corps 6. Au-dessus du logement 32 et en communication-avec celuici est prévu un logement auxiliaire 43, limité par une butée supérieure 44. De même, au-dessus du logement 33 et en communication avec celui-ci est disposé un logement auxiliaire 45 limité par une butée supérieure 46. Le passage de la position rapprochée à la position écartée s'effectue de la manière suivante : on ralentit le débit de la boue de forage autant que possible et on soulève la garniture de forage lentement tout en la maintenant en rotation lente, de sorte que les clavettes 30 quittent les logements inférieurs 33 et s'engagent dans les passages 34. Lorsque les clavettes 30 atteignent les butées supérieures 44 situées au-dessus des logements supérieurs 32, on arrête la rotation et on descend la garniture de forage jusqu'à ce que les clavettes 30 s'engagent dans les logements supérieurs 32 et atteignenet les butées 37. Le passage de la position écartée à la position rapprochée s'effectue d'une manière similaire, la garniture de forage étant d'abord dégagée du fond du puits sans rotation puis redescendue avec une rotation lente : les clavettes 30 s'engagent alors dans les passages 34 et viennent dans les logements inférieurs 33 jusqu'à ce qu'elles reposent sur les butées 38. Lorsqu'on désire dégager le trépan de forage du fond du puits sans changer la position du stabilisateur 4, la procédure dépend de la position écartée ou rapprochée de celui-ci. S'il se trouve en position rapprochée, on soulève la garniture de forage sans rotation et en maintenant le débit de boue de forage à son régime normal. Les clavettes 30 s'engagent dans les logements 45 situés audessus des logements 33 et on peut manoeuvrer la garniture de forage sans précaution particulière. Si le stabilisateur 4 se trouve en position écartée, la garniture de forage peut être soulevée sans prendre de précaustion particulière (la rotation n'est pas nécessairement arrêtée), mais, lorsqu'on redescend la garniture de forage pour ramener le trépan de forage au fond du puits, on arrête la rotation. REVENDICAnONS 1- Système de montage d'un stabilisateur dans une garniture de forage, permettant une adaptation de celle-ci à la direction désirée du forage, dans lequel ce stabilisateur est solidaire d'un corps creux vissé à la portion de garniture de forage située au-dessus du corps creux, tandis qu'une portion inférieure de la garniture de forage comprenant le trépan de forage est vissée sur un mandrin, caractérisé en ce que ledit mandrin (5) est monté à coulissement dans ledit corps (6), des butées (16, 17 ; 37, 38) étant installées entre ledit mandrin et ledit corps pour déterminer deux positions longitudi nales relatives de ceux-ci : une position rapprochée et une position écartée et des moyens d'engagement réciproque (7, 8,11-13 ; 30, 39-42) étant installés entre ledit mandrin et ledit corps pour solidariser ceux-ci en rotation au molns lorsqu'ils se trouvent dans lesdites deux positions et pour les maintenir, à volonté, dans l'une ou l'autre de ces deux positions. 2- Système de montage selon la revendication 1, caractérisé en que lesdits moyens d'engagement réciproque comprennent dune part des glissières longi tudinales (8) et des clavettes (7) engagées dans ces glissières pour une solidarisation en rotation dudit mandrin et dudit corps et d'autre part deux gorges (11, 12) ménagées dans ledit corps (6) et des pistons (14) montés dans ledit mandrin (5) et porteurs de segments (13) prévus pour pouvoir s'engager dans l'une desdites gorges (11, 12) afin de maintenir ledit mandrin (5) et ledit corps (6) dans une desdites deux positions. 3- Système de montage selon la revendication 1, caractérisé en que lesdists moyens d'engagement réciproque comprennent - plusieurs ensembles formés chacun d'une paire de logements décalés longitudinalement (32, 33) ménagés dans l'une des deux pièces (6, 5) constituées par ledit coprs et ledit mandrin et d'une clavette (30) portée par l'autre de ces deux pièces (6, 5) et prévue pour pouvoir s'engager dans l'un ou l'autre de ces deux logements, tandis que chacun desdits deux logements (32, 33) comporte latéralement des bords longitudinaux (39, 40, 41, 42) de solidarisation en rotation desdites deux pièces (6 5), à une première extrémité longitudinale un bord frontal (37, 383 formant l'une desdites butées et apte à arrêter ladite clavette (30) si un effort est exerce tendant à rapprocher lesdites deux pièces (6,5) et, à l'autre extrêmité longitudinale, une ouverture (35, 36) de communication avec un passage 634) qui relie les deux logements (32, 33) d'une paire et qui présente une configuration permettant d'y effectuer le déplacement de la clavette (30) d'un logement à l'autre logement d'une paire.