Brevet FR2612985A1 — publié le 19880930

L'invention concerne un procédé de réglage de la trajectoire d'un outil de forage fixé à l'extré- mité d'un train de tiges. Il est connu d'utiliser, pour régler la tra- jectoire d'un outil de forage, des dispositifs appelés stabilisateurs qui sont placés en des endroits espacés suivant la longueur du train de tiges, dans des zones généralement peu éloignées de l'outil de forage. De tels stabilisateurs comportent un corps de forme tubulaire relié au train de tiges, dont l'a- lésage central se trouve dans le prolongement de l'a lesage des tiges, pour assurer une circulation conti- nue du fluide de forage dans le train de tiges. Le corps du stabilisateur porte au moins une lame d'appui et généralement trois lames d'appui à 120' montées mo- biles sur le corps du stabilisateur, dans des direc- tions radiales par rapport à l'axe du train de tiges. Un moyen d'actionnement des lames d'appui permet de déplacer ces lames par extraction ou rétraction dans une direction radiale, afin de les mettre dans une po- sition déterminée o ces lames sont plus ou moins saillantes par rapport au corps du stabilisateur. Les lames qui viennent en appui sur les bords du trou de forage permettent de régler la trajectoire de l'outil de forage. On connaît un dispositif de forage à trajec- toire contrôlée décrit dans la demande de brevet -04996, publiée sous le numéro 2.579.662, pouvant comporter plusieurs stabilisateurs en série sur le train de tiges dont les lames d'appui peuvent être placées dans des positions d'extraction successives, grâce à une surface d'actionnement comportant des rampes inclinées par rapport à l'axe du train de tiges, usinées sur un piston monté mobile à la fois en translation et en rotation à l'intérieur du corps du stabilisateur. 26 1 2985 Un tel dispositif est actionné par un moyen de commande ayant le fluide de forage pour source d'é- nergie. Ce moyen de commande peut être avantageusement réalisé sous la forme décrite dans la demande de bre- vet Français 85-00142 du 7 3anvier 1985, publiée sous le numéro 2.575.793. Les déplacements du piston assu- rant l'extraction des lames d'appui se traduisent par une très forte augmentation de la perte de charge dans le fluide de forage, si bien qu'il est possible de dé- terminer depuis la surface, par des mesures de pres- sion du fluide de forage, les positions successives du piston et donc des lames d'appui. Cependant, dans le cas o au moins deux sta- bilisateurs sont placés en série sur le train de ti- ges, on ne connaît pas de procédé et de dispositif permettant d'assurer la commande de ces stabilisa- teurs, de façon à régler de façon précise la trajec- toire de l'outil de forage, en fonction des mesures de direction effectuées au niveau de l'outil. Les stabi- lisateurs placés en série sont commandés simultané- ment, par exemple en agissant sur le débit du fluide de forage et l extraction de leurs lames d'appui se produit simultanément, suivant une séquence prédéter- minée. On ne dispose donc que d'une latitude rela- tivement faible de réglage, le nombre de configura- tions qui peuvent être réalisées par extraction des lames d'appui étant égal au nombre de positions suc- cessives possibles de ces lames d'appui. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de réglage de la trajectoire d'un outil de forage fixé à l'extrémité d'un train de tiges compor- tant au moins deux stabilisateurs disposés de façon espacée suivant la longueur du train de tiges et comportant chacun un corps relié au train de tiges, au moins une lame d'appui montée mobile sur le corps du stabilisateur dans une direction radiale par rapport au train de tiges et un moyen d'actionnement de la lame d'appui pour la déplacer entre au moins deux positions stables d'extraction radiale par rapport au corps, ce procédé permettant un réglage fin de la trajectoire de l'outil en augmentant le nombre de configurations possibles de l'ensemble des stabilisa- teurs, en ce qui concerne l'extraction radiale de leurs lames d'appui. Dans ce but, on commande les moyens d'ac- tionnement de chacun des stabilisateurs indépendamment les uns des autres, de façon à placer les lames d'ap- pui de ces stabilisateurs dans des positions détermi- nées constituant, pour l'ensemble des stabilisateurs associés au train de tiges, une combinaison de posi- tions d'extraction des lames d'appui assurant un ré- glage de direction voulu du train de tiges. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, en se référant aux figures jointes en annexe, un dispositif de forage comportant deux stabilisateurs et permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. La figure 1 est une -vue en élévation de la partie inférieure du dispositif de forage, en position de travail dans le trou de forage. La figure 2 est une vue en coupe axiale de l'un des stabilisateurs du dispositif représenté sur la figure 1 et du moyen d'actionnement du second sta- bilisateur. Sur la figure 1 on voit la partie inférieure d'un train de tiges 1 comportant des tiges successives la, lb, lc de forme tubulaire dans lesquelles circule de la boue de forage, suivant la direction de la flé- 26 1298S che 2. La tige inférieure lc porte l'outil de forage 4 qui est mis en rotation par le train de tiges 1 et as- sure ainsi le percement du trou de forage 3. Un premier stabilisateur 5 est placé entre les tiges la et lb et un second stabilisateur entre les tiges lb et lc. Les stabilisateurs 5 et 6 sont du type décrit dans la demande de brevet 85-04996. Les éléments correspondants de ces stabili- sateurs seront désignés par les mêmes repères. Chacun des stabilisateurs comporte un corps 10 sur lequel sont montées des lames d'appui 9 qui peuvent être in- clinées par rapport à l'axe 11 du train de tiges cor- respondant a l'axe du trou de forage. Dans le mode de réalisation représenté, cha- cun des stabilisateurs comportenr quatre lames d'appui placées à 90' les unes des autres autour du corps 10 du stabilisateur correspondant. Les lames d'appui 9 sont montées mobiles par rapport au corps 10, dans des directions radiales, c'est-à-dire des directions per- pendiculaires à l'axe 11. On assure le montage du train de tiges en surface et la longueur des tiges lb intercalées entre les stabilisateurs 5 et 6 et lc entre le stabilisateur 6 et l'outil 4 est choisie de façon à fixer à une va- leur voulue les longueurs L1 séparant la partie média- ne du premier stabilisateur 5 de l'outil, L2 séparant la partie médiane du second stabilisateur 6 de l'outil et L3 séparant les parties médianes des stabilisateurs et 6. De même, les caractéristiques des stabilisa- teurs seront choisies de façon à permettre un réglage indépendant des deux stabilisateurs à distance, comme il va être décrit ci-dessous. 26 1 2985 Les stabilisateurs 5 et 6 sont du type dé- crit dans le brevet Français 2.579.662, la figure 2 de la présente demande de brevet reproduisant pour l'es- sentiel la figure 2 de la demande de brevet Français antérieure mentionnée ci-dessus. Le corps 10 du stabilisateur de forme tubu- laire comporte un alésage intérieur 12 dans le prolon- gement de l'alésage intérieur du train de tiges, pour assurer une circulation continue du fluide de forage, suivant la direction axiale 2. Le corps 10 peut être relié directement ou par l'intermédiaire de pièces de jonction aux tiges du train de tiges, aussi bien du côté amont que du côté aval, si l'on considère le sens de circulation (flèche 2) du fluide de forage. Les lames 9 sont montées mobiles dans des directions radiales, par rapport au corps 10 du stabi- lisateur et maintenues grâce à des pièces de maintien 13. Les lames sont rappelées en position rétractée par l'intermédiaire de ressorts à lame 14. Chacune des la- mes peut être déplacée dans la direction radiale. par l'intermédiaire de doigts 15 montés coulissants dans le corps 10 du stabilisateur et en contact avec la lame 9 par une de leurs extrémités. Un piston d'actionnement tubulaire 16 est monté mobile à la fois en translation axiale et en ro- tation autour de l'axe 11 à l'intérieur de l'alésage 12 du corps 10. Le piston 16 est usiné sur sa surface latérale extérieure, pour constituer des rampes 17 in- clinées dans une direction radiale par rapport à l'axe 11 du train de tiges. Les doigts 15 sont en prise avec les rampes 17 par leur extrémité opposée à leur extré- mité venant en contact avec la face intérieure de la lame d'appui 9. 26 1 2985 On comprend aisément qu'un déplacement axial du piston entraîne un déplacement des doigts dans la direction radiale, par action des rampes 17. Par exemple, un déplacement du piston 16 vers la droite sur la figure 2 entraîne un mouvement d extraction, c'est-à-dire un déplacement radial et vers l'extérieur des doigts 15 et des lames d'appui 9. Comme il est décrit dans la demande de bre- vet 2.579.662, des rampes 17 d'inclinaison variable sont usinées tout autour du piston 16 et sont reliées par des parties complémentaires à niveau constant dans la direction radiale qui comportent des parties droi- tes de retour du piston 16 et des parties courbes per- mettant de mettre en rotation le piston à l'intérieur de l'alésage 12 pour lui faire franchir un pas permet- tant de présenter les doigts des lames d'appui, à l'entrée d'une nouvelle rampe. On peut ainsi obtenir, selon ce qui est dé- crit dans le brevet Français 2.579.662, une extraction variable des lames d appui, par mise en contact des doigts 15 avec une partie de la surface d'actionnement à un certain niveau dans la direction radiale, le pas- sage d'un niveau à un autre étant effectué grâce aux rampes 17. Une roue libre 20 autorisant la rotation du piston dans un seul sens permet d'assurer une séquence déterminée des positions d'extraction des lames d'ap- pui, par déplacements successifs du piston dans l'alé- sage 12; la séquence d'extraction est déterminée par la forme de la surface d'actionnement et en particu- lier par l'inclinaison et la position des rampes 17. Les déplacements du piston en translation axiale dans la direction de la flèche 2 sont commandés par un dispositif à perte de charge constitué par un corps profilé 21 de direction axiale appelé aiguille et une pièce profilée annulaire 23. L aiguille 21 est fixée sur le corps 10, suivant l'axe de l'alésage 12 et la pièce annulaire 23 est solidaire du piston tubu- laire 16 dont elle constitue une partie de la surface intérieure dans laquelle circule le fluide de forage. Le piston 16 est monté dans le corps 10 de façon que la pièce 23 soit placée autour de l'aiguille 21. Le fluide de forage circulant suivant le sens de la flèche 2 doit passer, à son entrée dans le piston tubulaire 16, dans l'espace annulaire ménagé entre l'aiguille 21 et la pièce annulaire 23. Il en résulte une perte de charge qui se traduit par une différence de pression de part et d'autre du piston 16 dans la direction axiale. Le piston 16 est maintenu dans sa position représentée sur la figure 2, les doigts 15 étant en contact avec les rampes 17 à l'une de leurs extrémi- tés, à la fois par un ressort de rappel hélicoïdal 24 et les ressorts à lame 14 des lames d'appui 9 agissant sur le piston 16, par l'intermédiaire des doigts 15. Le déplacement du piston 16 dans la direc- tion axiale et dans le sens de la flèche 2 n'est pos- sible que si la force exercée par le fluide de forage sur ce piston dépasse une certaine limite, c'est-à- dire si la différence de pression de part et d'autre du piston dépasse elle-même une certaine limite défi- nie. Les caractéristiques du stabilisateur et en particulier les diamètres de l'aiguille 21 et de la pièce annulaire 23 sont déterminés pour que le dépla- cement du piston dans la direction axiale et dans le sens de la flèche 2 se produise pour un débit d'ac- tionnement Qacti nettement supérieur au débit normal de forage Qfor. Le fonctionnement du dispositif est donc le suivant: lorsqu'on désire réaliser un déplacement des lames d'appui 9, par exemple pour leur extraction, on élève le débit du fluide de forage jusqu'à une valeur au moins égale à Qactl et généralement un peu supé- rieure. Le piston 16 se déplace alors dans la direc- tion de la flèche 2, ce qui produit une extraction des lames par interaction des doigts 15 et des rampes 17. La longueur de déplacement du piston 16 correspond à la longueur des rampes, si bien qu'en fin de déplace- ment du piston, les doigts 15 sont parvenus à l'extré- mité de gauche des rampes 17. Le profil à diamètre croissant de l'aiguille 21 coopère, pendant le déplacement du piston, avec la pièce annulaire 23, pour augmenter la perte de charge dans le fluide de forage. La pression du fluide de fo- rage qui peut être mesurée depuis la surface augmente considérablement à la fin du déplacement en transla- tion du piston. On peut ainsi repérer depuis la surfa- ce, la position du piston correspondant à la position des doigts à l'extrémité des rampes. Les doigts 15 entrent alors en contact avec une partie courbe de la surface d'actionnement qui produit une rotation du piston 16 autour de l'axe 11, dans le sens voulu par la roue libre 20, suivant un pas de déplacement en ro- tation. Les doigts 15 se trouvent alors dans l'aligne- ment de parties complémentaires à niveau constant de la surface d'actionnement. Si l'on annule alors le débit du fluide de forage, par arrêt du pompage, la force de maintien du piston s annule et le ressort 24 produit un déplace- ment du piston en translation, dans le sens inverse de la flèche 2. Les doigts 15 décrivent des parties com- plémentaires à niveau constant de la surface d'action- 2 6 1 2985 nement pour venir dans une position stable dont le ni- veau correspond au niveau de l'extrémité de gauche des rampes 17. Les lames d'appui sont alors maintenues dans une position d'extraction stable par les doigts 15. Si la position d'extraction du stabilisateur correspond à la position choisie, on rétablit le débit de forage dans le train de tiges et l'on poursuit le forage dont le réglage de trajectoire est assuré par le stabilisateur 5 en position d'extraction. Si la position d'extraction obtenue par le premier cycle de déplacement du piston n'est pas la position choisie, on effectue un second cycle de dé- placement de la même façon que précédemment en élevant le débit jusqu'à la valeur Qactl. Le dispositif décrit à titre d'exemple dans le brevet 2.579.662 comporte ainsi trois positions stables d'extraction des lames d'appui 9. Il en est de même des stabilisateurs 5 et 6 du présent exemple de réalisation de l'invention qui comportent chacun trois positions stables d'extrac- tion. Comme il est visible à la partie inférieure de la figure 2, le second stabilisateur 6 comporte une aiguille 21' identique à l'aiguille 21 du dispositif d actionnement du premier stabilisateur 5. En revan- che, le dispositif d'actionnement du second stabilisa- teur 6 comporte une pièce annulaire 23' solidaire de son piston 16' dont le diamètre intérieur minimum d' est sensiblement supérieur au diamètre intérieur mini- mum d de la pièce annulaire 23 du dispositif d'action- nement du stabilisateur 5. Il en résulte que le débit d'actionnement Qact2 du stabilisateur 6 est supérieur au débit d'ac- tionnement Qactl du stabilisateur 5, la perte de char- ge variable avec le débit étant plus forte au niveau de la section annulaire de passage de diamètre exté- rieur d, qu'au niveau de la section de passage annu- laire de diamètre extérieur d'. Les dispositifs d'actionnement des stabili- sateurs 5 et 6 tels qu'ils viennent d'être décrits permettent de régler indépendamment l'un de l'autre les stabilisateurs 5 et 6 dans une de leurs positions d'extraction, comme il va être décrit ci-dessous. On va désigner dans la suite de la descrip- tion par 4 1, + 2 et 3 les diamètres extérieurs du stabilisateur 5, dont les lames ont été placées dans leurs trois positions d'extraction successives res- pectivement. Ces diamètres correspondent aux trois configurations possibles du stabilisateur 5. De la même façon, on désigne par '1, '2 et 3 les diamètres extérieurs ou configurations pos- sibles du second stabilisateur 6. On supposera que le stabilisateur 5 a été placé dans une de ces configurations, par exemple la configuration 2, par le processus décrit précédem- ment. Lorsque la position 4 2 est atteinte, le débit de forage est annulé, le piston 16 du stabilisateur 5 revient alors dans sa position de départ. Le stabi- lisateur 5 est alors dans sa position stable corres- pondant à la configuration + 2. Le débit du fluide de forage est alors aug- menté, depuis la surface, jusqu'à une valeur au moins égale à Qact2 et généralement un peu supérieure. Les pistons 16 et 16' se déplacent alors de façon à mettre les lames d'appui des stabilisateurs 5 et 6 dans de nouvelles positions. Après annulation du débit, les stabilisateurs 5 et 6 sont dans de nouvelles positions 1 1 stables correspondant par exemple aux configurations 3 et +)1, respectivement. Si cette combinaison correspond à la combi- naison voulue, on rétablit ensuite le débit de forage Qfor et on poursuit l'opération de forage avec le ré- glage de trajectoire voulu. Si la combinaison obtenue n'est pas la combinaison voulue, on continue à actionner les stabi- lisateurs par élévation du débit d'actionnement à un niveau supérieur à Qactl et inférieur à Qact2 ou à un niveau supérieur à Qact2. Par exemple pour obtenir la combinaison 2 ' 2, on effectuera successivement les opérations suivantes: - élévation du débit à Qact2 (ou un peu au-dessus), - annulation du débit (la combinaison obtenue est alors 1 '2), - élévation du débit à Qactl, - annulation du débit (la combinaison obtenue est alors 2 '2). On peut alors rétablir le débit de forage Qfor et poursuivre l'opération de forage avec le réglage de trajectoire imposé. Les positions successives des pistons 16 et 16 peuvent être repérées depuis la surface, par mesu- * re de pression, la perte de charge entre les pièces 23 et 23' et les aiguilles 21 et 21', respectivement étant très élevée lorsque le piston a terminé son dé- placement sous l'effet du fluide de forage. Le réglage indépendant des configurations des stabilisateurs 5 et 6 permet d'obtenir neuf combi- naisons différentes associant une configuration du stabilisateur 5 à une configuration du stabilisateur 6. Ces configurations peuvent être désignées par: 1i12, 1 3.... A titre de comparaison, dans le cas de sta- bilisateurs commandés simultanément, on n'obtiendrait que trois configurations différentes et donc une pos- sibilité de réglage bien inférieure. Dans le cas du dispositif décrit dans la de- mande de brevet 2.579.662, les trois configurations différentes en extraction des lames du stabilisateur correspondaient à des niveaux de la surface d'action- nement situés respectivement à 11 mm, 6 mm et 4,5 mm en-dessous de la surface nominale extérieure du piston du stabilisateur. Dans le cas du procédé et du dispo- sitif selon la présente invention, on choisira les mêmes niveaux d actionnement, si bien que les diamé- tres. 1,2, 3 et 4'1, 42 et 3 seront res- pectivement égaux à: D, D + 10 mm, O + 13 mm si D désigne le diamètre minimum du stabilisateur. Le procédé suivant l'invention présente donc l'avantage de permettre une grande latitude de réglage de la trajectoire de forage, avec un nombre de stabi- lisateurs réduit qui peut être égal à deux, chacun des stabilisateurs ayant eux-mêmes un nombre de configura- tions de réglage qui peut être réduit. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'utiliser plus de deux stabilisateurs en série, par exemple trois stabilisateurs, et pour chacun de ces stabilisa- teurs un nombre de positions de réglage en diamètre quelconque. 26 1t985 Au minimum, on utilisera un ensemble de deux stabilisateurs ayant chacun deux positions de réglage différentes. Dans ce cas, on disposera de quatre configurations différentes de réglage correspondant aux combinaisons des deux diamètres des deux stabili- sateurs. Dans le cas de trois stabilisateurs compor- tant chacun trois positions de réglage, on dispose de vingt-sept configurations de réglage. Cependant, il est très difficile d'assurer la commande d'un nombre de stabilisateurs relativement important, par exemple supérieur à trois, les débits d'actionnement successifs Qactl, Qact2, Qact3,... devant être très nettement différents les uns des autres et largement supérieurs au débit de forage nor- mal. Pour la commande d un grand nombre de stabilisa- teurs, il faudrait donc disposer d'une très grande plage de réglage du débit, ce qui n'est généralement pas le cas dans les installations de forage classi- ques. Le procédé suivant l'invention ne se limite pas à l'utilisation d'une commande hydraulique du type à perte de charge, pour assurer l'actionnement des divers stabilisateurs placés en série. On peut imagi- ner l'utilisation d'autres commandes de type hydrauli- que, par exemple utilisant des vannes ou obturateurs qui sont introduits dans le train de tiges pour l'ac- tionnement des stabilisateurs. De tels dispositifs sont cependant moins souples et moins faciles à uti- liser que les dispositifs à perte de charge commandés depuis la surface. On pourrait également imaginer d'autres moyens de commande hydrauliques ou pneumatiques ou meme des moyens de commande électriques associés à chacun des stabilisateurs. Z612985 Les stabilisateurs peuvent être d'un type différent de celui qui a été décrit dans la demande de brevet 85-04996 et comporter, par exemple, des pistons se déplaçant uniquement en translation et présentant des rampes d'extraction des doigts d'actionnement des lames d'appui alignées suivant la longueur du piston. Enfin, l'invention s'applique dans tous les cas o l'on désire régler et contrôler la trajectoire d'un outil de forage. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réglage de la trajectoire d'un outil de forage (4') fixé à l'extrémité d'un train de tiges (1) comportant au moins deux stabilisateurs (5, 6) disposés de façon espacée suivant la longueur du train de tiges (1) et comportant chacun un corps (10) relié au train de tiges (1)., au moins une lame d'appui (9) montée mobile sur le corps (10) du stabi- lisateur, dans une direction radiale par rapport au train de tiges (1) et un moyen d'actionnement (21, 23, 21', 23') de la lame d'appui pour la déplacer entre au moins deux positions stables d'extraction radiale par rapport au corps, caractérisé par le fait qu'on com- mande les moyens d'actionnement (21, 23, 21', 23') de chacun des stabilisateurs indépendamment les uns des autres, de façon à placer les lames d'appui (9) de ces stabilisateurs (5, 6) dans des positions déterminées constituant pour l'ensemble des stabilisateurs (5, 6) associés au train de tiges (1) une combinaison de po- sitions d'extraction des lames d'appui (9) assurant un réglage de direction voulu du train de tiges (1). 2.- Procédé de réglage suivant la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que le train de tiges (1) comporte deux stabilisateurs (5, 6) dont les lames d'appui (9) peuvent être placées dans l'une ou l'autre de trois positions d'extraction. 3.- Procédé de réglage suivant l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les stabilisateurs (5, 6) sont commandés par des moyens d'actionnement hydrauliques (21, 23) à per- te de charge utilisant la force motrice du fluide de forage alimentant l'outil (4). 26 1 2985 4.- Procédé de réglage suivant la revendica- tion 3, caractérisé par le fait que les moyens d'ac- tionnement hydrauliques à perte de charge (21, 23) créent une perte de charge très fortement accrue, lorsque les lames d'appui (9) ont été placées dans une position d'extraction prédéterminée, cette position pouvant être détectée à distance par mesure de pres- sion dans le fluide de forage. 5.- Procédé de réglage suivant l'une quel- conque des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les moyens d'actionnement (21, 23, 21', 23') des stabilisateurs (5, 6) sont mis en oeuvre pour des débits d'actionnement (Qactl, Qact2) différents et nettement supérieurs au débit normal de forage (Ofor). 6.- Dispositif de réglage de la trajectoire d'un outil de forage (4) fixé à l'extrémité d'un train de tige (1) comportant au moins deux stabilisateurs (5, 6) disposés de façon espacée suivant la longueur du train de tiges (1) et comportant chacun un corps (10) relié au train de tiges (1), au moins une lame d appui (9) montée mobile sur le corps (10) du stabi- lisateur (5, 6), dans une direction radiale par rap- port au train de tiges (1) et des moyens d'actionne- ment de la lame d'appui (9) constitués par un piston (16) monté mobile en translation axiale et en rotation autour de l'axe du train de tiges, à l'intérieur du corps tubulaire (10) portant des rampes d'actionnement (17) des lames d'appui (9) par l'intermédiaire de doigts d'actionnement (15), réalisées sous forme tubu- laire et présentant dans son alésage interne une par- tie profilée (23, 23') coopérant avec un corps profilé (21) fixé à l'intérieur du corps (10) du stabilisateur (5, 6) et suivant son axe, caractérisé par le fait que chacun des stabilisateurs (5, 6) comporte un piston 26 1 2985 (16, 16') dont la partie profilée (23, 23') présente un diamètre d'ouverture (d. d') différent des diamè- tres d'ouverture (d, d') de la partie profilée (23, 23') des pistons (16, 16') des autres stabilisateurs (5, 6).