Brevet FR2617898A1 — publié le 19890113

COLLECTEUR DE DEBRIS CENTRIFUGE 1 La présente invention concerne, d'une manière générale, un dispositif pour collecter et filtrer les matières étrangères et les débris provenant des boues de forage traversantune colonne de forage. Plus particulièrement, cette invention concerne un collecteur et un filtre de débris disposés au fond du trou dans la colonne Ceforage,en amont d'une turbine actionnée par la boue (ou tout autre dispositif au fond du trou dont le fonctionnement pourrait être entravé par les débris contenus dans le courant de boue), afin de collecter et de filtrer les débris divers provenant de la boue de forage avant que celle-ci ne pénètre dans la turbine, tout en permettant que de grandes quantités de produit en circulation traversent ce dispositif. Le forage des puits de pétrole et les secteurs connexes connaissent généralement des difficultés dues à la présence indésirable de matières étrangères et de débris dans la boue de forage qui traverse une colonne de forage. Ces débris ont pour effet de bloquer ou d'arracher les instruments et autres dispositifs dans la colonne de forage. Les dispositifs fonctionnant en surface tels que désableurs ou filtres sont bien connus quand il s'agit de filtrer la boue en surface. Toutefois, ces dispositifs de surface ne résolvent pas le problème des débris qui pénètrent dans le courant de boue après l'équipement de surface comme, par exemple, les débris qui se détachent de la surface intérieure des tuyaux. Les systèmes de mesure en cours de forage (MWD) qui utilisent des turbines actionnées par la boue pour produire du courant au fond du trou sont confrontés à une difficulté particulièrement grave, due aux matières étrangères dans la boue de forage. On sait déjà que ces turbines actionnées par la boue sont sujettes à des pannes sur chantier lorsque des débris de la boue de forage se logent dans la turbine en la bloquant ou en empêchant la lu rotation du rotor de la turbine. Bien que l'on connaisse déjà des filtres et des collecteurs de débris de type classique, l'opérateur de forage est généralement hostile à l'installation de collecteurs de débris de ce genre dans la colonne de forage, à cause de la crainte que le filtre ne soit bloqué si des matières en circulation sont pompées au fond du trou. Un filtre bloqué a pour effet d'arrêter la circulation de la boue de forage et donne lieu à des problèmes encore plus graves que ceux mentionnés ci-dessus et relatifs à l'existence de débris dans la boue de forage. En d'autre termes, un opérateur préférerait avoir des débris dans la boue de forage plutôt que de risquer, en cas d'utilisation d'un filtre, que celui-ci ne se bloque et empêche ainsi la circulation de la boue de forage. A cause de cette crainte du blocage des filtres ou des collecteurs de débris, &es dispositifs connus antérieurement ( tampons de repêchage) ont été prévus pour extraire une partie de l'appareillage de filtration en cas de blocage de celui-ci. Dans ce cas, l'enlèvement de l'appareil de filtration ménage un orifice pour le passage de la boue. Toutefois, même les collecteurs de débris équipés d'un dispositif pour retirer une partie de l'appareil de filtration sont inacceptables pour de nombreux opérateurs MWD, car ceux-ci craignent que les circonstances pratiques rendent irréalisable l'enlèvement d'un tampon de repêchage et donc la création d'une section 1 de passage à travers le collecteur de débris. La présente invention a pour objet d'alléger ou de surmonter les difficultés mentionnées ci-dessus et d'autres encore, ainsi que les inconvénients propres à la technique antérieure. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil pour collecter des débris dans le fluide traversant un segment de tuyauterie et qui comprend: un moyen pour imprimer au fluide un écoulement hélicoïdal; un filtre disposé en aval du dit moyen créant l'écoulement hélicoïdal, ledit filtre étant disposé axialement le long du segment de tuyauterie et définissant un espace d'accumulation annulaire entre le segment de collet de forage et ledit filtre,et ledit filtre comportant une première et une seconde extrémités ouvertes écartées l!une de l'autre. Le collecteur de débris comprend un tamis conique (filtre) dans la colonne de forage, qui définit un espace d'accumulation annulaire entre le tamis et la paroi intérieure de la colonne de forage; la partie centrale du tamis est ouverte, afin de permettre le passage sans entraves du liquide. Une hélice, ou tout dispositif analogue au-dessus, c'est-à- dire en amont du tamis,crée un écoulement hélicoïdal dans la boue de forage, si bien que les débris entraînés avec la boue sont chassés vers l'extérieur par la force centrifuge. Les débris sont alors retenus dans l'espace d'accumulation annulaire, entre le tamis et la paroi de la colonne de forage o la boue traverse le tamis. Si l'accumulateur est rempli ou si le tamis est obstrué, la boue continuera à passer par l'orifice de passage central. Le collecteur de débris de la présente invention est disposé à un endroit au fond du trou dans la colonne de forage, en amont et, de préférence, à proximité immédiate d'une turbine actionnée 1 par la boue. Les caractéristiques décrites ci-dessus et d'autres encore propres à la présente invention seront appréciées et comprises par tous les spécialistes de cette technique à l'examen de la description détaillée ci-après et des figures en annexe. Ces figures, o les éléments semblables ont reçu la même numérotation, représentent respectivement: La figure 1, une vue en coupe transversale et en élévation d'un collecteur de débris monté dans une colonne de forage et conformément à la présente invention; La figure 2, une vue en coupe transversale et en élévation semblable à la figure 1 d'un second mode de réalisation d'un collecteur de débris conforme à la présente invention; et La figure 3, une vue en plan d'un filtre à utiliser en combinaison avec la présente invention. Si l'on examine tout d'abord la figure 1, on y voit un collecteur de débris conforme à la présente invention qui est monté dans un segment d'un collet de forage cylindrique 10. Le collecteur de débris est généralement constitué de deux éléments montés dans un segment de forage 10 comprenant (1) un moyen 12 pour donner un mouvement hélicol- dal au courant de boue de forage traversant le segment de forage et (2) un tamis conique 14 qui définit un espace d'accumulation annulaire 16 entre le tamis 14 et la paroi intérieure 18 du segment de colonne de forage 10. Le tamis 20 comporte des trous de passage 19 et la partie centrale du tamis 14 est ouverte, afin d'assurer un passage sans entraves pour la boue de forage. Le filtre 14 est monté, par sa base 22, sur une bague de filtre 24;cette bague de filtre 24 est maintenue en place dans la colonne de forage 10 par une bague de retenue 26. Bien que le 1 filtre 14 soit représenté avec une forme conique, il peut également présenter d'autres formes,par exemple, cylindrique, à condition qu'il définisse toujours un espace d'accumula- tion annulaire entre le filtre et la paroi intérieure de la colonne de forage. On comprendra que tout dispositif approprié pour donner un mouvement hélicoïdal à la boue de forage peut être utilisé avec le collecteur de débris de la présente invention. Dans l'exemple représenté à la figure 1, une hélice est constituée d'une série de lames ou d'aubes 28 disposées obliquement et qui créent le mouvement hélicoïdal. Les aubes 28 sont montées au moyen de connecteurs appropriés 30 (vis de réglage à douille) sur un arbre de diffuseur 32. L'arbre de diffuseur 32 comprend plusieurs orifices 34 disposés en forme d'anneaux et qui sont alignés par rapport à chacune des aubes 28.L'arbre 32 est claveté sur la colonne de forage 10 au moyen de vis de réglage à douille appropriées ou de tout autre dispositif de connexion 36. La pointe en saillie 38 de l'arbre 32 peut avoir toute forme appropriée, y compris la forme carrée représentée (ou bien la forme ronde indiquée par les lignes en pointillés). Par conséquent, quand la boue de forage passe à travers les orifices 34 disposés en anneau de l'arbre 32, la boue heurte les aubes 28, ce qui lui donne un mouvement hélicoïdal représenté par les flèches de la figure 1. Le segment de colonne de forage 10 représenté à la figure 1 est situé au fond du trou, dans une colonne de forage. De préférence, le segment de forage 10 est disposé immédiatement en amont d'une turbine actionnée par la boue (ou de tout autre appareil pouvant être mis hors service par les débris), afin de filtrer et de collecter tous les débris de la boue avant que celle-ci n'atteigne les rotors de la turbine en bloquant celle-ci ou en empêchant la rotation des rotors. Comme déjà 1 mentionné, le dispositif en hélice comprend des vannes 28 montées sur un arbre de diffuseur 32 qui donne un mouvement hélicoïdal à la boue de forage traversant la colonne de forage vers le bas; en direction de la turbine actionnée par la boue. La force centrifuge résultant du mouvement de la boue chassera tous les débris vers l'extérieur de la colonne de forage 10 (contre la paroi intérieure 18). Les débris y sont alors retenus dans l'espace d'accumulation annulaire 16 entre l'écran 14 et la paroi intérieure de la colonne de forage 18, tandis que la boue continue à passer à la fois à travers l'orifice 22 et à travers les trous 19 dans le tamis 16. Une caractéristique importante de la présente invention consiste dans le fait que,si l'espace d'accumu- lation 16 est rempli ou si l'écran 14 est obstrué, la boue de forage continuera à s'écouler par l'orifice central 22, de façon à assurer un passage ininterrompu de fluide pour actionner la turbine. Ceci fait nettementcontraste par rapport aux collecteurs de débris connus antérieurement qui, lorsqu'ils sont remplis ou obstrués, empêchent tout passage supplémentaire de boue, ceci empêchant à son tour la rotation des turbines. Comme déjà mentionné, la présente invention peut recourir à tout moyen approprié pour créer un écoulement hélicoïdal dans la boue de forage, y compris des hélices à aubes, comme représenté à la figuré 1, ou tout autre dispositif placé sur la ligne axiale de la colonne de boue ou le long de l'alésage du collet de forage, de façon à ce que le mouvement hélicoïdal et la force centrifuge ainsi créés chassent les débris vers l'extérieur de la colonne de forage, c'est-à-dire contre la paroi intérieure 18 de la colonne de forage 10. Une méthode en variante pour la création d'un mouvement hélicoïdal est représentée à la figure 2. On comprendra que ces éléments, qui sont semblables ou identiques aux éléments de la figure 2, sont indiqués d'une manière analogue à la figure 2, mais avec l'addition d'un indice prime ('). Dans le mode de réalisa- tion de la figure 2, plusieurs tuyères cintrées ou disposées à angle 40 sont utilisées pour envoyer le courant de boue à travers les orifices 34' suivant un trajet hélicoïdal, à la place du dispositif à aubes 28 de la figure 1. Tout comme dans le cas des aubes 28, les tuyères 40 sont montées en forme d'anneaux autour de l'arbre central 32'. Un bloc de retenue 42 est claveté sur l'arbre 32' au moyen d'une vis de réglage à douille ou de tout autre dispositif d'assemblage 44. Un manchon de protection 45 peut être prévu sur la paroi intérieure 18' du segment de colonne de forage ', autour du tamis 14', afin d'empêcher l'érosion et l'abrasion excessives provoquées par les débris agités et tourbillonnants qui restent dans l'espace annulaire 18'. - Le manchon 45 peut être réalisé en tout matériau dur approprié tel que carbure de tungstène. Un revêtement en caoutchouc peut également être utilisé pour empêcher cette abrasion. Ce manchon ou ce revêtement peut être prévu également avec le mode de réalisation de la figure 1. Dans un autre mode de réalisation préféré représenté à la figure 3, le filtre conique 14" peut être pourvu d'aubes 46 sur la base 22' de celuici, afin de diviser l'extérieur du filtre 14" en formant des poches 48. Les poches 48 servent à retenir les débris tourbillon- nants et réduisent ainsi ou. évitent complètement les problèmes résultant de l'abrasion et de l'érosion causés par les débris tourbillonnants. Le dispositif de collecte des débris de la présente invention a été essayé et s'est avéré efficace à la fois en disposition horizontale et verticale, car il permet de retenir plus de 99% des particules étrangères ajoutées à la colonne de forage. Dans ces essais, on a utilisé des dispositifs correspondant aux deux types des 1 figures 1 et 2,pour créer l'écoulement hélicoïdal. Pour les essais on a utilisé des billes en plastique, en verre et en acier, ainsi que du gravier,qui ont été introduits dans un courant de boue en circulation qui était pompé à travers l'appareil d'essai. Les caractéristiques de ces débris artificiels sont indiquées au tableau 1. TABLEAU 1 DEBRIS ARTIFICIELS MATERIAU DENSITE DIAMETRE QUANTITE Billes en verre sodico-calcique 2,13 4,0 mm 40 Bille en verre sodicocalcique 2,13 7,0 mm 40 Bille en acier doux 7,88 3,2 mm 40 Billes en acier doux 7,88 6,4 mm 40 Billes en nylon 1,40 3,2 mm 40 Billes en nylon 1,40 6,4 mm 40 Billes en polypropylène 0,94 3,2 mm 40 Billes en polypropylène 0,94 6,4 mm 40 Gravier 2,65 3,2 mm 40 Gravier 2,65 6,4 mm 40 Gravier 2,65 9,6 mm 15 Total 415 On a utilisé des détecteurs de pression et un débitmètre pour mesurer les variables de l'écoulement au cours des essais. On a essayé les deux types de diffuseurs c'est-à-dire le type à aubes (figure 1) et le type à tuyères (figure 2) à la fois en position verticale et horizontale. Au cours de chacun des essais, on a introduit 415 particules de débris (tableau 1) dans le courant de fluide pompé vers le filtre. Les débris retenus par le filtre ont été comptés après chaque essai, comme le montre le tableau 2. 1 Les essais ont donné d'excellents résultats avec le filtre de fond de trou propre à la présente invention, car celui-ci a retenu 99,8% des particules de débris(c'est- à-dire 2.484 sur 2.490). Les rares billes qui ont traversé le tamis n'ont probablement pu le faire qu'à la suite de la turbulence créée au moment o l'écoulement a été arrêté. Ce fait a été confirmé en enclenchant'et en déclenchant la pompe dix fois de suite et en constatant que, en moyenne, une bille dépassait le tamis chaque fois lu que la pompe était arrêtée. On a effectué un essai sans aubes ou tuyères de diffuseur. Dans cet essai, le fluide passait axialement à travers le filtre, sans effet de tourbillonnement. Au cours de cet essai, 13 des 415 particules ont traversé le filtre, à comparer à une moyenne de 1 particule qui passe quand on utilise les diffuseurs à aubes ou à tuyères, ce qui indique que l'effet de tourbillonnement du fluide facilite nettement le processus de filtration. La longueur du segment de forage extérieur était de 2 pieds (60 cm) pour les essais 1 - 5. Pour l'essai 6, la longueur du segment a été portée à 4 pieds (1,2 m), afin de voir si cette longueur supplémentaire modifierait les performances du filtre. Le filtre plus long a fonctionné tout aussi bien, en permettant seulement le passage d'une particule. Les essais d'écoulement ont été effectués afin de mesurer la chute de pression à travers le filtre avec circulation d'eau. La chute de pression a été très faible et comprise entre 0,55 ' 105 PA avec le diffuseur à aubes (figure 1) et jusqu'à 105PA avec le diffuseur à tube (figure 2) comme le montre le tableau 3. TABLEAU 3 CHUTE DE PRESSION DANS LE FILTRE DEBIT CHUTE DE PRESSION (10 PA) (GPM) TYPE A AUBES TYPE DE TUYERES 0,137 0,21 200. 0,137 0,275 250 0,20 0,41 300 0,275 0,55 350 0,41 0,90 400 0,55 1,03 On a utilisé, pour tous ces essais, un tamis fin (20 mesh) afin de retenir les débris artificiels. Dans un appareil industriel MWD, on utiliserait des orifices de tamis plus grands (9,5 à 13 mm), afin de retenir uniquement les grandes particules qui bloqueraient les aubes du générateur à turbine. Ce diffuseur du type à aubes produit moins de turbulences que le diffuseur du type à tubes et est donc préférable, d'autant plus qu'il donne lieu à moins d'érosion en cas d'utilisation prolongée. Le diffuseur du type à aubes présente également l'avantage qu'il a une construction plus ouverte et est donc moins sujet à obstructions que le diffuseur du type à tubes. On peut donc tirer les conclusions suivantes des résultats de ces essais: 1. Le filtre au fond du trou a bien fonctionné et doit être un excellent accessoire à utiliser avec les appareils MWD, les turboforeuses ou autres équipements à fond de trou. 2. Le filtre a retenu plus de 99% de débris au cours de ces essais. 3. Le filtre fonctionne bien pour toutes les positions, y compris la position horizontale. 1 1 4. La chute de pression dans les filtres a été - 5 seulement de 0.14. 10 à 10 PA psi. 5. Cet accessoire peut &tre très court (c'est-à- dire 2 pieds (60 cm) sans les joints de l' outil. TABLEAU 2 RESULTATS DES ESSAIS AVEC FILTRE AU FOND DU TROU N TYPE DE POSITION LONGUEtR DEBIT CHUTE DE BILLES BILLES d'ESSAI DIFFUSEUR DU FILTRE DU FILTRE PRESSION ARRETEES TRAVERSANT 1 Aube V 60 350 0,4 413 2 (4mm verre) 2 Aube V 60 390 0,55 414 1 (1/4 Polypropylène) 3 Tuyère V 60 370 0,96 414 1 (1/8 Nylon) _ 4 Aube H 60 413 0,55 414 1 (1/8 Nylon) Tuyère H 60 400 1,00 415 O - 6 Aube H 120 400 0,55 414 1 (1/8 Polypropytène) Total 2484 6 ro c4 Co %Oe Co 1 REVENDICATIONS 1. Appareil pour retenir les débris dans le liquide traversant un segment de tuyauterie et comprenant: un moyen pour donner au liquide un mouvement hélicoïdal; et un filtre (14) disposé en aval du dit moyen provoquant un mouvement hélicoïdal, ledit filtre (14)étant disposé axialement le long du dit segment de tuyauterie et définissant un espace d'accumulation annulaire (16) entre le collet de forage (10 et ledit filtre (14) et le dit filtre (14) ayant une première et une seconde extrémités ouvertes (20, 22) écartées l'une de l'autre. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen créant un mouvement hélicoïdal du liquide comprend: un arbre (32) dans ledit segment de tuyauterie ayant plusieurs orifices (34) le traversant; et des aubes (28) sur ledit arbre (32), communiquant avec lesdits orifices, lesdites aubes (28) étant disposées obliquement de manière à donner un mouvement hélicoïdal au fluide traversant lesdits orifices (34). 3. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen provoquant un mouvement hélico!dal du fluide comprend: une arbre (32') dans ledit segment de tuyauterie ayant plusieurs orifices (34') le traversant; et des tuyères (40) sur ledit arbre (32')ccrmuniquant avec lesdits orifices (34'), lesdites tuyères (40) étant disposées obliquement, de manière à donner au fluide traversant lesdits orifices un mouvement hélicoïdal. 4. Appareil selon la revendication 1,comprenant: un manchon (45) dans ledit segment de tuyauterie, disposé dans l'espace annulaire (16) afin de réduire l'abrasion du dit segment de tuyauterie. 1 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel ledit manchon (45) est en carbure de tungstène. 6. Appareil selon la revendication 4, dans lequel ledit manchon (45) est en caoutchouc. 7. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit filtre (14) est constitué d'un treillis métallique. 8. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit filtre (14) comprend: un moyen sur l'extérieur du dit filtre,qui définit plusieurs poches (48) afin de retenir les débris filtrés. 9. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit filtre (14) est conique et s'évase vers l'extérieur depuis l'extrémité la plus proche du moyen provoquant un mouvement d'écoulement hélicoïdal. 10. Utilisation d'un appareil suivant l'une des revendications 1 à 9, pour retenir les débris dans la boue de forage traversant un segment de collet de forage. 11. Appareil pour retenir les débris dans la boue de forage traversant un segment de collet de forage comprenant un filtre (14) disposé axialement le long du dit segment de collet de forage et définissant un espace d'accumulation annulaire (16) entre le segment de collet de forage et ledit filtre (14),et ledit filtre (14) ayant une première et une seconde extrémités ouvertes (20-21) écartées l'une de l'autre. 12. Appareil selon la revendication 11,comprenant en outre un moyen pour donner un mouvement hélicoïdal à la boue de forage qui s'écoule, ledit moyen créant le mouvement hélicoïdal étant disposé en amont par rapport au dit filtre (14), le filtre (14) s'évasant vers l'extérieur depuis l'extrémité la plus proche du dit moyen créant un écoulement hélico!dal. 13. Appareil selon la revendication 11, dans lequel ledit moyen créant un mouvement hélicoïdal dans la boue de forage qui s'écoule comprend: 1 un arbre (32) dans ledit segment de collet de forage ayant plusieurs orifices (34 le traversant; et des aubes (28) sur ledit arbre (32), en communica- tion avec lesdits orifices, lesdites aubes (28) étant disposées obliquement de manière à imposer un mouvement hélicoïdal à la boue de forage traversant lesdits orifices (34). 14. Appareil selon la revendication 12,dans lequel ledit moyen pour donner un mouvement hélicoïdal à la boue de forage comprend: une arbre (32') dans ledit segment de collet de forage ayant plusieurs orifices (34') le traversant;et des tuyères (40) sur ledit arbre (32') en communication avec lesdits orifices (32'), lesdites tuyères (34) étant disposées obliquement de manière à donner un mouvement hélicoïdal à la boue de forage traversant lesdits orifices. 15. Appareil selon la revendication 11,comprenant un manchon (35) dans ledit segment de collet de forage à l'intérieur du dit espace annulaire (16) afin de réduire l'abrasion du dit segment de collet de forage. 16. Appareil selon la revendication 15,dans lequel ledit manchon (45) est en carbure de tungstène. 17. Appareil selon la revendication 15, dans lequel ledit manchon (45) est en caoutchouc. 18. Appareil selon la revendication 11,dans lequel ledit filtre (15) est constitué d'un treillis métallique. 19. Appareil selon la revendication 11,dans lequel ledit filtre comprend un moyen sur l'extérieur de ce filtre qui définit plusieurs poches (48), afin de retenir les débris filtrés.