Brevet FR2606828A1 — publié le 19880520

Appareil de Positionnement de conduite Pour installation de forage L installation concerne les installations de forage et plus particulièrement un appareil de positionnement de conduite utilisables dans de telles installations. Suivant un aspect de la présente invention, il est prévu, pour ou en vue de l'utilisation dans une installation de forage ayant un châssis support déplaçable le long de rails de guidage s'étendant vers le haut, un appareil de positionnement de conduite comprenant a) un bras de mise en place, b) un bol mélangé dans le bras de mise en place pour supporter une conduite, c) une ouverture latérale dans le bol pour permettre à une conduite de pénétrer dans le bol, d) des moyens de verrouillage rétractables disposés en travers de l'ouverture, et e) des moyens pour relier ledit appareil audit support de telle façon que l'appareil puisse être déplacé, lors de l'utilisation, dans un plan sensiblement horizontal. L'appareil comporte avantageusement des moyens pour lever et baisser le bras de mise en place lors de a utilisation. Pour faire mieux comprendre l'invention et pour montrer comment cette dernière peut être mise en oeuvre, on fera maintenant référence, à titre d'exemple, aux dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en élévation d'une installation de forage munie d'un appareil suivant la présente invention, - la figure 2 est une vue de dessus de l'appareil de positionnement de conduite, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe d'un maillon d'échappement, - la figure 4 est une vue en coupe d'un accouplement à démontage rapide à cannelures, - la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4, - la figure 6 est une vue de dessus, en coupe partielle, d'un assemblage de serrage pour séparation et jonction, - la figure 7 est une vue de côté de l'assemblage de la figure 6, - la figure 8 montre, à grande échelle, un détail de l'assemblage montré en figure 7, - la figure 9 est une vue de dessous, en coupe partielle, de la partie basse de l'assemblage de la figure 7, - la figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne X-X de la figure 9, et - la figure Il est une vue en coupe suivant la ligne XI-XI de la figure 9. La figure 1 montre un entrainement en tête 10 suspendu à un pivot Il de type disponible dans le commerce, muni éventuellement de maillons d'échappement 12. Les maillons d'échappement 12 Sont, à leur tour, fixés à un bloc mobile 13 qui est suspendu par des câbles à un bloc de couronnement 14 du derrick 15. L'entrainement en tête 10 est fixé à un châssis support 16 monté sur des rails de guidage 17 montés sur le derrick 15 de façon à pouvoir glisser sur ces rails. L'entrainement en tête 10 est fixé à l'arbre du pivot Il par l'intermédiaire d'un arbre creux fileté d'une seule pièce ou en utilisant un accouplement rapide à cannelures 18. Le fluide hydraulique qui actionne l'entrainement en tête 10 est amené par des conduites 19 et des tuyaux 20 à partir d'un ensemble à moteur 21 placé en un endroit convenable. L'entrainement en tête 10 comporte un arbre creux 30 ayant une extrémité haute filetée 30a destinée à être reliée à l'accouplement rapide à cannelures 18. L'entrainement en tête 10 est fixé au châssis support 16 de façon telle qu'il puisse tourner dans un plan horizontal autour d'un pivot 22 sur le châssis support à roue 16 en vue de l'entretien ou de la mise hors service. Un bras 23 de mise en place de conduite de forage est également monté à pivot sur le châssis support 16 de façon telle qu'on puisse le faire tourner dans un plan horizontal et l'amener à un point de saisie de conduite de forage en utilisant des vérins 24 (figure 2). Le bras de mise en place de conduite de forage 23 est déplaçable jusqu'à un point où la conduite de forage 66 est directement au dessus de l'axe du puits à forer. Un vérin ou des vérins supplémentaires 25 (figure 1) soule- ve(nt) alors la conduite de forage 66 pour permettre d'établir une liaison filetée, soit à l'extrémité basse taraudée 30b de l'arbre creux 30, soit à l'extrémité basse taraudée d'un adaptateur à maillon de levage 27 (lorsqu'on l'utilise) soit encore à l'extrémité taraudée de l'embout de rattrapage 27 (couramment désigné par le terme anglo-saxon saver sub), lorsqu'on l'utilise. Etant donné que la force motrice exercée par l'entraînement supérieur 10 est centrée par rapport à l'arbre creux 30, les forces de réaction sont sensiblement équilibrées et on applique au train de forage une force sensiblement concentrique. Un dispositif de serrage comprenant une section haute 26 et une section basse 31 pivote également sur le châssis support 16 de telle façon qu'on puisse le faire tourner de côté dans un plan horizontal afin de permettre l'accès en vue de l'entretien ou de l'enlèvement. Si l'on se reporte encore à la figure 1, on voit que le bras de mise en place 23 est muni d'un bol 33 qui présente un siège évasé de façon à correspondre au raccord d'outil de la conduite de forage. Une ouverture latérale 35a est prévue, et un verrou 35 s'étend à travers elle. Le verrou 35 est déplaçable pour permettre à une conduite de forage d'entrer. Le verrou 35 est repoussé par ressort vers la position de fermeture. Une conduite de forage peut être chargée en la poussant vers l'ouverture 35a. On utilise un vérin 36 pour amener le verrou 35 en position ouverte. Le vérin 25, lorsqu'il est actionné, déplace la conduite de forage 66 et l'amène en contact avec le taraudage correspondant de l'embout 67. Le verrou 35 peut aussi bien être actionné manuellement. La figure 3 montre que chaque maillon d'échappement 12 comporte un piston 34 qui est repoussé vers le haut dans un cylindre 34a par le fluide sous pression qui pénètre à l'intérieur du cylindre 34a à partir d'un accumulateur 38. La force interne agit comme un ressort de compression. Lorsque le piston 34 est repoussé vers le bas par une charge, l'énergie potentielle est stockée dans l'accumulateur hydraulique 38. Lorsque la charge se réduit ensuite, par exemple lorsqu'un tronçon du train de forage est en cours de dévissage, la distance entre les trous d'accrochage 43a et 43b diminue, le train de forage proprement dit reste fixe dans le trou et le pivot 11 se soulève au fur et à mesure de la séparation des éléments filetés du train de forage.Lorsque les tronçons sont dévissés, le tronçon haut se dégage au dessus du train de forage proprement dit sous l'action du piston 34 dans le cylindre 34a. Lorsque la charge est entièrement enlevée, la distance entre les trous de fixation 43a et 43b est minimale. Des joints d'étanchéité 37 sont prévus autour du piston 34. Les figures 4 et 5 montrent que l'accouplement à cannelures rapide comprend (a) un organe tubulaire 40 comportant une cannelure mâle et un prolongement portant un élément d'étanchéité 42 et (b) une section 41 munie d'une cannelure femelle qui coopère avec la cannelure mâle. Un collier fileté 39 coopère avec le filetage sur la section 41. Un épaulement interne 45 du collier 39 vient buter contre un rebord 44 de l'organe 40 et verrouille en conséquence l'ensemble sous forme d'un équipage claveté et étanche. Le couple est transmis par l'intermédiaire des cannelures. La figure 6 montre que la section haute 26 du dispositif de serrage comporte un caisson 56 fixé de fason permanente à des bras support 50. Un mors 52 est fixé à un porte mors interne 53 par des broches 58. Les mors 51 et 52 sont prévus pour se déplacer vers l'intérieur ou vers l'extérieur sur des guides 57. Le vérin 60, lorsque sa chambre 65 est mise en pression, amène le mors 51 en contact avec la pièce de travail tubulaire 62. Lorsque le mors 51 s'appuie sur la pièce de travail 52, une force de réaction écarte le porte mors interne 53 de la pièce de travail 62 jusqu'à ce que le mors 52 fixé au porte mors interne 53 soit refoulé au contact de la pièce de travail 62. Lors du fonctionnement, la mise en pression de la chambre 65 fait naître une force d'accrochage qui imprime de façon ferme les mâchoires dentées 64 dans la pièce de travail 62.Lors du fonctionnement inverse, la chambre 63 du vérin 60 est mise en pression ce qui écarte le mors 51 de la pièce de travail 62. Après une course partielle, le mors 51 vient en contact avec des butées 54 qui forcent le cylindre du vérin 60 et le porte mors interne 53 à se déplacer vers l'intérieur, vers la pièce de travail 62. Cette action écarte le mors 52 de la pièce de travail 62. La figure 9, qui est une vue de dessous de la section basse du dispositif de serrage, montre un caisson 56' fixé de façon permanente à une plaque de guidage circulaire 55. Le mors 52' est fixé à un porte mors interne 53' par des broches 58'. Les mors 51' et 52' sont capables de se déplacer vers l'intérieur et vers l'extérieur en restant alignés par des guides 57'. Le vérin 60', lorsque sa chambre 65' est mise en pression, amène le mors 51' en contact avec la pièce de travail 62. Lorsque le mors 51' s'appuie contre la pièce de travail 62, il naît une force de réaction qui écarte le porte mors interne 53' de la pièce de travail 62 jusqu'à ce que le mors 52' vienne en contact avec la pièce de travail 62. Lors du fonctionnement, la pression qui règne dans la chambre 65' fait naitre une force de serrage qui appuie énergiquement les mâchoires dentées 64' contre la pièce de travail 62. Lors du fonctionnement inverse, la chambre 61' du vérin 60' est mise en pression, ce qui écarte le mors 51 de la pièce de travail 62. Après une course partielle, le mors 51' vient en contact avec des butées 54' qui forcent le cylindre du vérin 60' à se déplacer vers la pièce de travail 62. Puisque le porte mors interne 53' est fixé au vérin 60', le porte mors interne 53' se déplace vers la pièce de travail 62 et écarte le mors 52' de la pièce de travail 62, la force étant transférée par les broches 58' qui fixent le mors 52' au porte mors interne 53'. Des bras de transmission de couple 68 sont fixés de façon permanente au caisson 56'. Les figures 8 et 10 montrent que la plaque de guidage circulaire 55' a une lèvre de guidage 69 qui est utilisée pour fixer l'ensemble de la figure 9 à la section haute du dispositif de serrage montré en figure 6. La figure Il montre une coupe représentative à travers soit la section haute soit la section basse de serrage et elle montre la façon dont un porte mors interne (53,53') est fixé à un mors (52,52') en utilisant une broche (58,58'). La figure 7 montre des vérins 70 fixés au bras de transmission de couple correspondant 68 du dispositif de serrage par une chape à l'extrémité de la tige. L'extrémité du cylindre est fixée à la section haute par une charnière 61 et la réaction est encaissée par la section haute. Lorsque les vérins 70 sont mis en pression, la section basse fait tourner la ligne centrale des mors inférieurs autour de l'axe y. La lèvre de guidage 69 tourne dans une gorge annulaire 72 (figure 8). Lorsque les boulons 73 sont enlevés, le dispositif de serrage peut tourner librement dans un plan horizontal sur le châssis support 16. Dans ce mode de réalisation, les fluides de forage de puits pénètrent dans le train de forage par un tuyau flexible classique relié au pivot Il montré en figure 1. Le pivot 11 a un-arbre creux que les fluides traversent pour pénétrer dans l'arbre creux 30 de l'entrainement en tête 20, puis, par les parties creuses des embouts restants ou des dispositifs, vers l'intérieur du train de forage. Le tableau suivant compare certaines caractéristiques (mais pas toutes) du mode de réalisation décrit en faisant référence aux dessins avec celles des modes de réalisation décrits dans le brevet US 4 449 596 et avec le pivot de forage électrique Bowen ES-7. Dans la comparaison qui suit, l'art antérieur est identifié par les lettres AA et le mode de réalisation préféré par les lettres MP. Pivot de foraae électriaue Bowen ES-7 AA : l'énergie électrique est amenée du générateur à l'ensemble à moteur par des câbles électriques à gaine de caoutchouc. il y a un risque permanent de dommages et d'étincelles. Un accident alors qu'il y a des gaz en tête de puits peut être désastreux. MP : commande par fluide hydraulique. il n'y a pas de danger d'étincelle. L'ensemble de puissance hydraulique est placé dans une zone sûre. AA : le système de forage complet pèse à peu près 18 000 kg. MP : le système complet pèse 9 000 kg ou moins. AA : en cas de panne mécanique, il faut descendre l'appareil. Le remplacement de l'entraînement électrique en tête est complexe et prend du temps. MP : le système est prévu pour permettre un remplacement rapide de l'entraînement hydraulique en tête. Grâce à cette caractéristique, on épargne des heures de temps d'arrêt. AA : toutes les installations sont équipées d'un système d'entraînement classique (à table tournante) en attente, à cause des durées d'arrêt importantes requises en cas de nécessité de remplacer l'entraînement électrique en tête. MP : la fiabilité du système et la facilité de remplacement permettrait aux utilisateurs de se passer du système d'entrainement à table tournante ; les seuls équipements de secours requis sont des moteurs électriques en réserve et des composants. Cela épargne un investissement dans l'installation de plusieurs centaines de milliers de dollars. AA : une certification en zone dangeureuse est requise pour les nombreux dispositifs de sécurité pour surveiller les systèmes prévus pour rendre l'utilisation de l'appareil sûre en zone dangeureuse. Cela coûte du temps et de l'argent. nP : les dispositifs électriques sont placés au dessous du plancher de forage, dans une chambre sous pression sûre qui existe de toute façon normalement. La multitude de dispositifs de surveillance utilisée sur les entraînements électriques n'est plus requise. AA : au cours du forage un poids excessif du trépan ou le frottement dans le trou arrête le trépan et fait caler le moteur électrique. L'habitude est de réduire le poids du trépan. Puisque la totalité du potentiel électrique reste appliquée, la tige de forage accélère et passe à plus de 250 tours/mn en quelques secondes. Cela provoque un serrage à bloc des filets du joint d'outil et détruit la conduite de forage. Le train de forage peut également fouetter et endommager la paroi du trou. La réaction mécanique est transmise jusqu'au derrick par les mécanismes de support et cette vibration endommage la structure et est très bruyante. MP : l'énergie hydraulique est beaucoup plus progressive, de par sa nature même. Le mécanisme du fluide d'entraînement est tel que l'accélération après calage est plus douce et plus uniforme. On cause moins de dommages au trou de forage et à l'équipement. AA : il faut purger à l'air l'intérieur du moteur de forage électrique lors du premier démarrage et chaque fois qu'un dispositif de sécurité intervient. Cela peut prendre 10 à 30 mn. MP : il n'y a pas besoin de purge, puisqu'il n'y a pas de système de refroidissement à air. AA : sur les appareils ainsi équipés il y a un danger de fuite d'eau dans le moteur électrique à la suite d'une rupture de l'échangeur de chaleur eau-air pour refroidir l'air du moteur, provoqué par un accident ou la corrosion. Ces systèmes sont exigés chaque fois que les mesures de sécurité sont draconniennes comme sur les plates formes en Mer du Nord. Cela peut endommager le moteur. MP : un tel système n'est pas nécessaire. AA : pour relier la conduite de forage, le bol de levage saisit la conduite de forage et l'extrémité basse est engagée dans la conduite précédente. il faut une grande habileté pour déposer l'arbre d'entraînement dans le taraudage pour le visser. On peut endommager le filetage. MP : le dispositif de manutention de conduite sur cet appareil a un appareil de levage hydraulique pour venir en prise dans le filetage. Un ajustement approprié garantit une pression minimale sur les filets. Cela est beaucoup plus rapide que lorsque le sondeur doit mettre en oeuvre son habileté et son jugement pour réaliser chaque jonction d'une conduite. AA : lorsqu'on prend un nouveau tronçon de conduite de forage dont l'extrémité déborde d'environ 1 m au dessus du plancher de forage, il faut pencher vers l'extérieur l'appareil de manutention de conduite. Etant donné que le bol de l'outil de préhension est monté à pivot, l'angle est incorrect pour la conduite. Et les verrous sur l'outil de préhension doivent être fermés manuellement, ce qui prend du temps. MP : on obtient un alignement et une orientation du mécanisme de manutention de conduite pratiquement parfait à l'aide de butées mécaniques et de vérins pour réaliser le mouvement nécessaire. Le verrou est repoussé par ressort de façon à se refermer automatiquement lorsque la conduite est chargée. Un vérin amène le verrou en position d'ouverture. Cela se fait par commande à distance, beaucoup plus sûre. Ce système est toujours plus rapide que la méthode manuelle. AA : investissement beaucoup plus élevé. MP : le système coûte beaucoup moins. Cela ne prend pas en compte l'équipement qu'un opérateur n'a pas à acheter, tel qu'un joint supplémentaire et/ou un entrainement à table tournante qui amènerait l'économie à plusieurs centaines de milliers de dollars. AA : installer l'appareil sur des installations à terre ou le placer en rattrapage sur des installations en mer (offshore) est très compliqué par suite des dimensions et des différences de système. MP : le montage en rattrapage sur toutes installations existantes de forage peut être effectué beaucoup plus facilement par suite des dimensions et du poids ainsi que de la simplicité de conception. AA : le système de refroidissement à circuit fermé d'air se charge en poussière de carbone provenant des balais, ce qui peut provoquer des court-circuits internes. MP : il n'y a pas d'utilisation de balais. AA : des calages répétés du moteur électrique principal, surtout pendant plus que quelques instants, alors qu'un courant élevé passe, endommage l'enduit et une rotation ultérieure peut provoquer une panne. MP : aucun de problème de calage de ce genre. De même le mode de réalisation décrit ici se compare favorablement à celui décrit dans le brevet US 4 449 596 appartenant à l'art antérieur sur les points suivants AA : il faut deux joints à circulation car l'un est d'une seule pièce avec l'embout ou "subi de puissance et l'autre doit être utilisé lorsqu'on arrête l'appareil. MP : il suffit d'un seul joint à pivot. Le prix courant pour un pivot de 500 tonnes de Continental Emsco est de 43 290 S. AA. il faut un système de refroidissement par air à l'abri de l'explosion. La conception actuelle utilise une soufflante montée sur un chariot support ou le plancher de forage et l'air est amené par un flexible en caoutchouc de 20 cm de diamètre. Ce flexible léger est souvent soufflé par le vent et endommagé du fait qu'il pend de la structure de l'installation. De l'air chaud est renvoyé à l'atmosphère et crée une situation dangeureuse. La préparation de la documentation pour le moteur de soufflante à courant alternatif et l'approbation requise pour le moteur d'entraînement à courant continu prennent du temps et de l'argent. MP : le fluide hydraulique est refroidi par l'eau fournie par l'installation, qui circule dans un refroidisseur de fluide hydraulique. Cet équipement est placé à un emplacement sûr existant. AA : la hauteur, la largeur et la profondeur totales sont beaucoup plus fortes. Il faut à peu près 13,8 m de hauteur verticale sur le derrick. MP : l'appareil n'a besoin que de moins de 10,8 mètres. AA : l'appareil n'a pas de mécanisme de montée et descente permettant de réduire la charge sur les filets de tiges de forage lors du dévissage. MP : il est prévu un mécanisme de déséquilibrage. AA : l'appareil doit être basculé en arrière pour installer le tubage de puits. MP : toute l'installation normale de forage et de tubage est réalisée avec l'appareil standard. REVENDICATIONS 1. Appareil de positionnement de conduite utilisable dans une installation de forage ayant un châssis support (16) déplaçable le long de rails de guidage (17) s'étendant vers le haut1 caractérisé en ce qu'il comprend a) un bras de mise en place (23), b) un bol (33) ménagé dans le bras de mise en place (23) pour supporter une conduite, c) une ouverture latérale (35a) dans le bol (33) pour permettre à une conduite de pénétrer dans le bol (33), d) des moyens de verrouillage rétractables (35) disposés en travers de l'ouverture, et e) des moyens pour relier ledit appareil audit châssis support (16) de façon telle que l'appareil puisse être déplacé, lors de son utilisation, dans un plan sensiblement horizontal. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens (25) pour lever et baisser le bras de mise en place (23) lors de l'utilisation.