Brevet FR2601065A1 — publié le 19880108

- 1 - 260 1 065 PROCEDE DE FORAGE D'UN PUITS AVEC ALLEGEMENT LOCAL DE LA PRESSION DU FLUIDE DE FORAGE L'invention concerne un procédé de forage d'un puits avec allégement de la pression du liquide de forage soit au niveau de l'outil de forage soit à un autre niveau le long de la garniture de forage portant l'outil de forage. On sait, en effet, qu'il serait intéressant de réduire la pression exercée sur une 5 formation en cours de forage pour augmenter la vitesse d'avancement de l'outil de forage. On peut aussi vouloir faire débiter un peu d'effluent par une formation en cours de forage afin d'analyser cet effluent sans arrêter le forage. Lorsqu'au cours d'un forage, une zone à pertes est traversée, un allégement de la pression au droit de cette zone permettrait de poursuivre le forage pratiquement sans 10 ralentissement de l'opération de forage. On a déjà proposé à cet effet de dévier directement vers le haut dans l'espace annulaire compris entre le puits et la garniture de forage, à un certain niveau d'injection, une partie du liquide de forage qui descend dans l'alésage de la garniture de forage et dont le reste refroidit l'outil de forage, nettoie le front de 15 taille et remonte les déblais à la surface par l'espace annulaire en se mêlant à la partie déviée au-dessus de ce niveau d'injection. Mais les tentatives d'utilisation de ce procédé d'allégement local de la pression du liquide de forage n'ont pas été fructueuses jusqu'ici, l'allégement de pression obtenu n'ayant même pas atteint 10 mètres de colonne d'eau. Les essais systématiques qui ont conduit à la présente invention ont en effet montré que pour des débits de liquide de forage directement injecté dans l'espace annulaire inférieurs à un certain seuil, l'effet d'allégement de pression était faible et n'augmentait guère ou pas du tout avec le débit injecté sans pouvoir dépasser 10 mètres de colonne d'eau et qu'au contraire, au-delà de ce seuil, une 25 augmentation du débit injecté provoquait une rapide augmentation de la différence de pression obtenue en dessous du niveau d'injection, cette différence de pression pouvant atteindre plus de 260 mètres de colonne d'eau. On pense pouvoir expliquer ce phénomène par la conjugaison de deux effets: un effet de succion qui se manifeste pour des débits inférieurs au seuil et qui est -2- 26260 1 065 très limité et un effet de poussée qui n'apparatt qu'au-dessus de ce seuil mais qui devient très vite prépondérant et continue à s'accroître rapidement au fur et à mesure qu'on augmente le débit. Les échecs précédents des tentatives d'allégement de la pression de liquide de 5 forage dans l'espace annulaire s'expliquent ainsi par l'inefficacité d'une augmentation de débit dans la gamme de débits expérimentés, ce qui n'incitait pas à poursuivre l'expérimentation et n'a pas permis de découvrir qu'au-delà d'un certain seuil de débit, les choses s'amélioraient brusquement et qu'il était possible d'obtenir des allégements de pression très importants. L'effet de poussée doit être favorisé par le fait que le liquide de forage est généralement un fluide non newtonien et que le flux de liquide injecté vers le haut dans l'espace annulaire s'évase rapidement et exerce sa poussée sur une grande section dans l'espace annulaire. Ce comportement du liquide a, par contre, l'inconvénient de rendre tout calcul très compliqué. On a cependant 15 recherché à partir des résultats expérimentaux une formulation mathématique approchée rendant à peu près compte de ces résultats dès que l'allégement de pression dépasse 10 mètres de colonne d'eau et permettant de préciser le réglage de débit à effectuer. On peut ainsi définir l'objet de l'invention comme étant un procédé de forage d'un 20 puits avec une garniture de forage portant un outil de forage à son extrémité inférieure et comportant à un autre niveau le long de la garniture de forage un renflement muni d'un système de n conduits d'injection dirigés longitudinalement vers le haut et reliant l'intérieur de la garniture de forage à l'espage annulaire compris entre le puits et la garniture de forage afin de dévier directement à ce 25 niveau dans cet espace annulaire une partie du liquide forage qui circule longitudinalement vers le bas à l'intérieur de la garniture de forage et dont le reste arrive sur l'outil de forage d'o il passe dans ledit espace annulaire, caractérisé en ce qu'en vue d'obtenir au-dessous dudit niveau une différence de pression H qui, exprimée en mètre de colonne d'eau, est supposée supérieure à 10 30 mètres, par rapport à la pression qu'y aurait le liquide de forage en l'absence dudit système de n conduits d'injection, on règle le débit Q du liquide de forage dans le système de conduits d'injection à une valeur exprimée en m3/sec égale à environ: V 10 H x S x s x n, S et s étant la section transversale, exprimée en m respectivement d'une part de la portion d'espace annulaire comprise au- dessus - 3 - 262601065 dudit renflement entre un cylindre fictif prolongeant la périphérie de ce renflement et la garniture de forage et d'autre part de l'ensemble de n conduits d'injection. Le débit dans le système de conduits d'injection n'est pas mesuré directement, 5 mais on le déduit du débit total de liquide de forage entrant, à la surface dans la garniture de forage, la répartition de ce débit total entre le débit dévié pour l'injection directe dans l'espace annulaire et le débit qui atteint l'outil de forage résultant des dimensions géométriques du système de conduits d'injection et du système de conduits alimentant l'outil de forage. On a constaté qu'il était avantageux d'utiliser une garniture de forage dont ledit renflement ait un diamètre extérieur d relativement proche du diamètre D du puits, le rapport d/D étant au moins égal à 0,88. On va décrire, à titre non limitatif, des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention en se référant au dessin joint dans lequel: - la Fig. I représente très schématiquement une installation de circulation de liquide de forage utilisée dans une opération de forage d'un puits; - la Fig. 2 représente la coupe verticale, à plus grande échelle, de la partie inférieure du puits avec l'outil de forage et le renflement muni du système de conduits d'injection; - la Fig. 3 est une vue analogue à celle de la Fig. 2 dans le cas o l'on utilise une turbine de forage ou un outil carottier; - la Fig. 4 représente un relevé de la différence de pression H en fonction du débit Q; et - la Fig. 5 est une représentation schématique d'une portion de garniture de 25 forage avec renflement à conduits d'injection permettant de bien voir les grandeurs considérées dans la description. Sur la Fig. 1, un puits 1 est foré par un outil de forage 2 fixé au bas d'une garniture de forage 3 avec interposition d'un raccord 4 entre l'outil de forage et les masses-tiges 5 de la garniture de forage. Le raccord 4 forme un renflement de diamètre d et il est muni de trois conduits d'injection, tels que le conduit 6, visible sur la Fig. 2, qui partent de l'alésage 7 de la garniture de forage et débouchent dans l'espace annulaire 8 compris entre le puits 1 et la garniture de 5 forage, par des buses 9. Le liquide de forage est aspiré par des pompes 10 dans un bassin d'aspiration 11 et envoyé par un tuyau flexible 12 et une tête à joint tournant 13 dans l'alésage de la tige carrée d'entraînement 14 de la garniture de forage. Le liquide de forage ainsi introduit dans l'alésage 7 de la garniture de forage s'écoule vers le bas et atteint le raccord 4 dans lequel le flux de liquide de 10 forage se divise en une première partie déviée vers le haut, par les conduits d'injection 6 et les buses 9, dans l'espace annulaire 8 et une deuxième partie qui continue à s'écouler vers le bas, atteint l'outil de forage 2 par une buse unique 15 et remonte dans l'espace annulaire le long de l'outil de forage 2 et du raccord 4, en étant entraîné au-dessus du raccord 4 par le fluide de forage sortant des buses 15 9. Le fluide de forage sort de l'espace annulaire 8 par un tube fontaine 16 (Fig.l). La Fig. 3 montre une variante de montage du raccord 4 qui n'est plus placé directement au-dessus de l'outil de forage mais en est séparé par une turbine de forage ou un outil carottier 17. On a alors prévu un raccord porte-buse 18 dans lequel est installée une buse unique 19 similaire à la buse 15 de la Fig. 2. La Fig. 4. montre un tracé obtenu en relevant les différences de pression H exprimées en hauteur d'eau en fonction du débit Q exprimé en litres/minutes dans l'ensemble des buses. Le débit Q est déduit du débit mesuré à la sortie des pompes 10 comme on l'a dit précédemment, tandis que les différences de pression H sont les différences entre la pression mesurée sous le raccord 4 avant 25 toute circulation du liquide de forage et diverses pressions successivement mesurées sous le raccord 4 pour des débits Q croissants. Ce tracé correspond au test n 5 du tableau suivant dans lequel on a indiqué, pour neuf tests effectués dans un puits I de diamètre D = 31,11 cm avec une garniture de forage 3 de diamètre d' = 12, 70 cm et un raccord renflé 4 de diamètre d: 28,57 cm, muni de 30 trois buses similaires mais de diamètres différents d'un test à l'autre, le débit QA en litres/minute et la différence de pression HA en hauteur d'eau pour le seuil défini par le point A de la Fig. 4 ainsi que, dans les mêmes unités, la différence de pression maximale HM obtenue au cours de chaque 'test et le débit QM correspondant. -5- 260 1 065 1 0 T I I I ITest NeI Diamètre des i QA I HA I QM I HM I I busesencm I [ [ iI I I I I 1 I 0,64 600 9,2 1 2001 49 I. I 1 I I 1 I 2 I 0,72 700 8,5 1 465 51 1 I. I I -I I II 3 0,80 870 9,1 1 1 785 83 I I 'I I 1 1 I 4 [ 0,88 1 010 9,5 1 2 250 113 I I I I I 1 0,95 1 150 9,8 1 2590 143 I. I I II 6 I 1,03 1 200 9,9 1 2960 176 I. I I III 7] 1,11 1 1 250 9 3 370 190 I I I I III 8 I 1,19 1 300 9,2 1 3730 279 I 1,27 1 350 I9,2 3 975 261 I 9 I 1,27 113501 9,2 13 9751 2611 Ce tableau montre l'importance de la différence de pression qu'il est possible d'obtenir lorsqu'on a dépassé le seuil A. Le tracé de la Fig. 4 qui correspond au test N 5 est similaire aux tracés que l'on a obtenus dans les huit autres tests. Il 15 montre qu'en dessous du point A, les différences de pression H obtenues croissent très peu quand on augmente le débit Q. La différence de pression H en dessous du point A n'a jamais dépassé 10 mètres d'eau. Au contraire, dès que le seuil du point A est franchi, les différences de pression H croissent rapidement quand le débit Q augmente et peuvent atteindre des valeurs importantes. Sur la Fig. 5, on a reporté les diamètres D, d, d' mentionnés précédemment et on a indiqué la section S considérée précédemment ainsi que la section sI1 d'une buse, la section s mentionnée précédemment étant égale à n x s1. - 6- 2601065 Le procédé de forage -qui vient d'être décrit permet d'obtenir localement en cours de forage tout allégement de pression pouvant pratiquement être utile, par exemple pour traverser une zone à pertes, le raccord 4 étant alors placé plus haut le long de la garniture de forage, forer une roche dure, prélever un échantillon d'effluent, etc... - 7 -26 65 REVENDICATIONS I. Procédé de forage d'un puits avec une garniture de forage portant un outil de forage à son extrémité inférieure et comportant à un autre niveau le long de la garniture de forage un renflement muni d'un système de n conduits d'injection dirigés longitudinalement vers le haut et reliant l'intérieur de la 5 garniture de forage à l'espace annulaire compris entre le puits et la garniture de forage afin de dévier directement à ce niveau dans cet espace annulaire une partie du liquide forage qui circule longitudinalement vers le bas à l'intérieur de la garniture de forage et dont le reste arrive sur l'outil de forage d'oJ il passe dans ledit espace annulaire, caractérisé en ce qu'en vue d'obtenir au-dessous dudit niveau une différence de pression H qui, exprimée en mètres de colonne d'eau, est supposée supérieure à 10 mètres, par rapport à la pression qu'y aurait le liquide de forage en l'absence dudit système de n conduits d'injection, on règle le débit Q du liquide de forage dans le système de conduits d'injection à une valeur exprimée en m 3/sec égale à environ 15 V 10 H x S x s x n, Set s étant la section transversale, exprimée en m2 respectivement d'une part de la portion d'espace annulaire comprise au-dessus dudit renflement entre un cylindre fictif prolongeant la périphérie de ce renflement et la garniture de forage et d'autre part de l'ensemble des n conduits d'injection. 2. Procédé de forage selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour un puits de diamètre D, on choisit un diamètre extérieur dudit renflement au moins égal à 0,88 D.