Brevet FR2643939A1 — publié le 19900907

L' invention concerne des équipements dont on peut faire varier la géométrie à distance en utilisant un débit de fluide comme force motrice. La puissance du débit sera utilisée pour modifier la forme d'un équipement difficilement accessible placé au bout d'une conduite ou d'un puits de forage pétrolier, géothermique ou minier. La technique antérieure utilisée dans le forage des puits consiste à remonteur toute la garniture de forage au surface pour modifier ou changer un élément. Remonter quelques milliers de me- tres de tiges de forage (40) et centaines de mètres de masses tiges et tiges lourdes (41), plus les stabilisateurs (43), appareils de mesure (44), moteurs (47 + 49) et outil (51)-interrom- pent pendant plusieurs heures les opérations de forage. Le stabilisateur muni de lames spiralées et de diamètre proche de celui du puits centre et dirige la garniture de forage. Sa position et son diamètre sont les principaux paramètres géométriques influant sur la direction d'un puits. Des stabilisateurs à diamètre variable ont été inventé ces dernières années Des modèles mécaniques dont les paramètres poids et couple ne sont plus fiables au-delà d'une certaine inclinaison. Des modèles hydrauliques dont les lames s'écartent avec la pression sans certitude sur le diamètre atteint. Des modèles hydrauliques dont le piston écarte les lames et revient avec des ressorts de rappel. Les nouvelles techniques électroniques permettent de connaitre en temps réel tous les paramètres du forage d'un puits y compris l'inclinaison et l'azimut créent un besoin d'équipements à géométrie variable permettant de diriger l'outil de forage. L'utilisation de la puissance hydraulique des pompes à supérieures boue de forage permet d'exercer des forces a x moyens classiques et surtout de pouvoir les utiliser da-ns toutes les positions inclinées et même lors de forages horizontaux ce qui ntest pas le cas des moyens mécaniques. Les trois principales méthodes de forage d'un trou incliné sont Le forage au moteur ou à la turbine. Seul l'outil de forage tourne et un raccord coudé le dirige. Ce raccord coudé peut être fixe, mécanique ou hydraulique. Le forage "rotary". Toute la garniture entraine l'outil en rotation. Le diamètre et le placement relatif des stabilisateurs sous l'action du poids appliqué infléchissent la trajectoire de l'outil. Les stabilisateurs sont fixes, mécaniques ou hydrauliques. Le forage dirigé "steerable system" combine les actions précédentes en alternant les phases de forage en rotation et les phases d'orientation avec un stabilisateur excentré ou un raccord coudé et un moteur sans changer la garniture de forage. L'invention décrit une famille de stabilisateurs à géométrie variable se combinant pour couvrir tous les types de forages précédemment cités. Tous les éléments que l'on utilisera individuellement ou en combinaison selon les cas ont le même dispositif d'évolution hydraulique, le même module de contrôle, le même cycle d'évolution aller-retour et le même domaine d'application. ~ Description du dispositif d'évolution hydraulique qui actionne tous les stabilisateurs à géométrie variable selon la figure 1. A partir d'un débit de forage prédéterminé dans la garniture de forage, les fonctions suivantes stenchainent La chemise calibrée (4) coulisse pour ouvrir au débit la surface du piston (5). L'ensemble fonctionne mieux si on ajoute, à la pression statique sur le piston, la pression dynamique du fluide. Un déflecteur (2) et son support (3) renforcent cette action si nécessaire. Les pressions statiques, dynamiques et les pertes de charge crées par la modification de l'écoulement s'ajoutent pour mettre le réservoir d'huile (6) sous pression. Le piston (5) se déplace sous cette action ; comprimant l'élément plastique (7) ce qui réduit le diamètre intérieur et augmente la pression. Dès que la pression est suffisante pour le boîtier de contrôle hydraulique (9), le piston (5) repousse le fluide hydraulique (6), à vitesse contrôlée par l'orifice calibré (8), ce qui exerce une poussée sur le corps inférieur (11) ltécartant du corps supérieur (1). Le bottier de commande hydraulique (9) a une autre fonction qui est de maintenir les deux corps (1) et (11) solidaires lorsqu'un cycle d'évolution n'est pas en cours. Ce bottier pourra contenir selon les cas : un ou plusieurs clapets tarés, une électrovanne commandée par les équipements électriques de fond de puits "MWD't, .un clapet réagissant à des pressions différentes selon qu'il s'agisse d'une poussée par le haut ou d'une traction par le bas, .un piston avec diamètres différents de chaque côté permettant l'ouverture de tiroirs. Ce boitier de commande hydraulique (9) permettra aussi lorsqu'on utilisera plusieurs éléments à géométrie variable dans la même garniture de forage d'avoir une pression d'évolution propre à chaque élément. Un clapet anti-retour permet le retour de l'huile pendant la seconde phase du cycle aller-retour. L'orifice calibré (8) aura un diamètre de passage du fluide hydraulique permettant la phase aller du cycle de se dérouler de manière optimale. On conseillera des temps supérieurs à dix secondes afin de contrôler la montée en pression pendant la restriction de diamètre et d'éviter des chocs mécaniques. On conseillera des temps inférieur à une minute pour raison économique et surtout, si la boue est chargée en solides, pour réduire l'abrasion et les efforts sur les joints. ~ Description de la transmission mécanique et du cycle d'évolution selon la figure 1. La demi coupe de gauche montre l'élément en position de forage. Les corps supérieur (1) et inférieur (11) sont en contact par l'épaulement (16) et sont accouplés en rotation par les cannelures Le cycle d'évolution commence par une mise sous pression du réservoir d'huile (6) jusqu'à ce que le boltier de commande (9) permette le passage de la pression vers la surface en tête du corps inférieur (7t). Le corps inférieur (11) effectue alors une translation d'abord rectiligne pour se désengager des cannelures (15) puis spiralée sous l'action d'ergots (14) solidaires du corps supérieur (1) coulissant dans des gorges spiralées (13) taillées dans le corps inférieur (11). Lorsque la position de déplacement maximum est atteinte, la pression hydraulique est réduite par ralentissement ou arrêt des pompes. Une action de la garniture de forage contre le fond ou les parois du puits permet d'effectuer la translation retour jusqu'à épaulement des deux corps (1 et 11) et retour de toutes les pièces dans la position initiale. Le corps inférieur est maintenant tourné d'une fraction de tour par rapport au corps supérieur. Les gorges spiralées (13) en développé autour du corps inférieur (11) permettent de réaliser autant de cycles d'évolution que désiré pour ammener le corps inférieur (11) dans l'angle de rotation souhaité par rapport au corps supérieur (1). Un tour complet de 3600 sera divisé en un nombre de cycles d'évolution compris entre 2 et 11. Le cycle aller-retour entraînera la rotation associée pendant la translation aller ou retour ou pendant l'aller et le retour. Des rampes et des marches taillées au fond des gorges (13) obligent le corps inférieur (11) à toujours tourner dans le même sens et à ne jamais revenir en arrière. Des capteurs électroniques (10) permettent de connaitre la position du corps inférieur et le nombre de cycles d'évolution déjà effectués en transmettant cette information vers la surface par les appareils de mesure des paramètres appelés MWD (Measurement While Drilling). Ces capteurs peuvent être par exemple des diodes solidaires de (1) réagissant à la présence d'un aimant solidaire de la tête du corps inférieur (in). ~ Stabilisateurs à géométrie variable à cycle d'évolution hydraulique. Décrivons trois de ces stabilisateurs individuellement avant de les associer éventuellement. Premièrement : Le dispositif décrit en figure 1 est un raccord tournant par fractions de tour sous l'action d'un cycle d'évolution décrit précédemment. Sur la figure 2, des lames (33) sont encastrées dans le corps supérieur tl) pour en faire un stabilisateur. Le cycle d'é- volution avec translation et rotation du corps inférieur (11) entraine une modification de la position des lames (33) par l'intermédiaire d'un mécanisme came (36) - poussoir (32) : figure 3 les ressorts (38) permettent le retour des lames. Au moins deux cames décalées angulairement permettent la réalisation de lames (33) spiralées. On a ainsi réalisé un stabilisateur à diamètre variable (45). Chaque position de réenclenchement du corps inférieur (11) à l'épaulement (16) du corps (1) après un cycle d'évolution l'ayant fait tourner d'une fraction de tour correspond à une valeur différente du diamètre extérieur du stabilisateur Si les poussoirs (32) n'ont pas la même longueur et si les cames (35) n'ont pas la même hauteur ; en pointillé sur la figure 3 ; on obtient un stabilisateur à excentration variable (48). Il est possible par un usinage dyssymétrique des cames de réaliser un stabilisateur à diamètre concentrique : figure 4 trait plein -; ayant, dans au moins une de ses positions, des lames excentrées : figure 4 pointillé. Par exemple avec des cames à 3 pointes et des rotations un quart de tour, on aura trois positions avec des diamètres extérieurs concentriques différents et une position excentrée. C'est le stabilisateur à diamètre et excentration va riablef48). Deuxièmement : Reprenons notre raccord tournant sous l'effet d'un cycle d'évolution décrit en figure 1. Le corps (1) est muni de lames fixes de stabilisation (33) de diamètre extérieur proche de celui du puits. Les lames sont droites ou spiralées. Le corps inférieur (11) a son axe décalé latéralement d'une valeur E par rapport au corps supérieur (1) : figure 5. La partie basse (21) du corps inférieur (t1) est usinée de telle sorte que dans l'une des positions du raccord tournant, son axe coïncide avec celui du corps supérieur (1). Chaque cycle d'évolution précédemment décrit fera tourner le corps inférieur (11) d'une fraction de tour en modifiant l'écartement entre les axes de la garniture de forage au-dessus (1) et au-dessous (21) du raccord tournant. La position avec décalage maximal : rotation de 180 est inscrite en pointillé sur la figure 5 avec l'écartement maximal 2E. On appellera ce produit : stabilisateur à décalage variable (50). Troisièmement : Reprenons toujours le raccord tournant décrit en figure 1. Sous l'action hydraulique du débit de forage; les corps supérieur (1) et inférieur (11) effectuent relativement l'un à l'autre une translation aller-retour pendant laquelle l'action d'ergots (14) dans des cannelures(13) provoque une rotation d'une fraction de tour (figure 6) au niveau de leur épaulement (16). Si ce raccord tournant est placé en oblique d'un angle a entre deux extrémités (22-23) alignées (figure 7), une rotation du raccord désalignera les extrémités (22-23) et coudera la garniture de forage. En position maximale, après rotation de 1800, les deux extrémités (22-23) feront entre elles un angle de 2a (figure 8). Ces angles seront généralement inférieurs à 50 pour le forage classique mais pourront être bien supérieurs pour s'adapter aux techniques de forage à faible rayon de courbure. Les deux extrémités du raccord tournant placé en oblique peuvent être des raccords cylindriques de diamètre supérieur à celui du raccord tournant, des raccord munis de lames de stabilisateur pour faciliter la remontée de boue dans l'espace anulaire ou des stabilisateurs à diamètre variable comme décrit précédemment. Dans tous les cas le diamètre des stabilisateurs ou raccords sera inférieur à celui du puits pour permettre la réalisation d'un coude dans la garniture de forage. On évitera la position exactement alignée en position de départ pour ne pas avoir des valeurs de coude symétriques lors de la montée de O à 1800 et de la suite des cycles d'evolution de 180 à 360". Des capteurs électroniques permettant de transmettre la position de rotation du corps inférieur et d'en déduire la valeur du coude imposé à la garniture pour infléchir la trajectoire de 1 'outil. C'est le stabilisateur à coude variable (46). Exemples d'application industrielle du raccord tournant à cycle d'évolution hydraulique dans le domaine du forage directionnel ou horizontal. - Forage "rotary" : la rotation de la garniture de forage entraine l'outil de coupe. Utilisation du raccord tournant à cycle d'évolution entrainant les lames concentriques dtun ou plusieurs stabilisateurs à diamètre variable (45). - Forage au moteur ou combiné : moteur + rotation. Stabilisateur à coude variable (46) seul ou associé à un stabilisateur à diamètre variable (45) le premier servant avec le moteur aux corrections de trajectoire et le second à infléchir la trajectoire lors des phases de forage avec rotation de la garniture. Un ou plusieurs stabilisateurs placés dans la garniture de forage du type raccord tournant à cycle d'évolution. On utilisera les types à diamètre variable (45-48) avec ou sans excentration (48) et ceux à décalage variable (50) seuls ou en combinaison. Tous ces raccords tournants utilisés comme stabilisateurs variables pourront être fabriqués avec un diamètre intérieur permettant le passage d'un arbre moteur afin de les placer entre le moteur et l'outil ou entre deux éléments du moteur. L'action de guidage de la trajectoire sera plus efficace car exercée plus près de l'outil. Dans le forage au moteur, la garniture de forage est solidaire du stator et seul tourne l'outil de forage solidaire du rotor. Uh équipement placé dans la section moteur doit avoir un diamètre intérieur permettant le passage de l'arbre ,moteur de l'outil. Le déflecteur (2) optionnel ne sera pas utilisé,ou modifié pour etre placé autour de 11 arbre moteur. La famille des équipements à raccord tournant et cycle d'évolution hydraulique a un diamètre intérieur libre et peu de contraintes dans les diamètres intérieurs des différents constituants. Il sera donc possible dans la pluspart des dimensions de permettre le passage d'un arbre moteur à travers les équipements à raccord tournant et géométrie variable. REVENDICATIONS 1.- Procédé de forage dirigé ou horizontal caractérisé par l'utilisation de la pression dynamique du fluide de forage, de la pression statique de pertes de charges provoquées, d'un dispositif (2, 3, 4, 5, 6, 7) générateur de ces pressions et du contrôle (8, 9, 10) de ces fonctions pour effectuer un cycle contrôlé de translations du corps inférieur (11) relativement au corps supérieur (1) qui s'accompagne, à l'aller ou au retour du cycle d'évolution, d'une rotation du corps inférieur (11) d'une fraction de tour dont la fonction est de modifier la géométrie de stabilisateurs à coude variable (46), à décalage variable (50), à excentration variable (48) ou à diamètre variable (45) qui, incorporés individuellement ou en combinaison dans la garniture de forage, guident la trajectoire de l'outil. 2.- Procédé de forage dirigé avec stabilisateur à diamètre variable selon la revendication 1 caractérisé en ce que la rotation associée à la translation du corps inférieur (11) en-traîne des cames (36) qui modifient la position des lames (33) spiralées pour donner après chaque cycle d'évolution une nouvelle valeur au diamètre extérieur du stabilisateur : FIGURE 2. 3.- Procédé de forage dirigé ou horizontal selon les revendications 1 et 2 caractérisé par des cames (36) et poussoirs (32) de hauteurs différentes permettant de pousser une des lames (33) plus que les autres pour réaliser un stabilisateur à excentration variable (48). 4.- Procédé de forage dirigé ou horizontal selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'usinage dyssymétrique des cames (36) et un nombre de pointes différents du nombre de cycles par tour de raccord inférieur (11) permet de réaliser un stabilisateur à diamètre concentrique dans la pluspart de ses positions sauf dans au moins l'une d'entre elles qui a une lame excentrée pour des corrections d'azimut lorsque on arrête la rotation de la garniture de forage : FIGURE 4. 5.- Procédé de forage dirigé ou horizontal selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe de rotation du corps inférieur (11) du stabilisateur (50) est décalé parallelement à l'axe de symétrie du corps supérieur (1) d'une valeur E ; la partie inférieure (21) étant alignée avec le corps supérieur (1) dans une des positions, la rotation pas à pas du corps inférieur (11) à chaque cycle d'évolution fait varier le décalage entre les extrémités (1 et 2) du stabilisateur à décalage variable (5-0) entre 0 et 2E : FIGURE 5. 6.- Procédé de forage dirigé ou horizontal selon la revendication 1 caractérisé en ce que le raccord tournant (1,11) du stabilisateur est placé en oblique d'un angle a entre ses extrémités (22,23) alignés dans une position : FIGURE 7 ; chaque cycle dtévolution tournant le corps inférieur (11) d'une fraction de tour coudera la garniture de forage d'une nouvelle valeur entre O et.2a : FIGURE 8. 7.- Dispositif hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pression motrice du piston (5) puis du corps inférieur (11) sera fournie par le coulissement d'une chemise calibrée (4) à un certain débit pour recueillir la pression dynamique, un déflecteur (2) pouvant renforcer cette action, et sera aussi fournie par un élément déformable (7) dont la fonction est de réduire le diamètre de passage de fluide lors de la descente du piston augmentant les pertes de charges donc la pression motrice. 8.- Module de contrôle du dispositif hydraulique pour la mise en oeuvre du procédé de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il utilise un boîtier (9) dont la fonction est de maintenir les deux corps (1 et 11) solidaires à la traction sauf lorsque l'on réalise un cycle d'évolution et que la pression dans le réservoir (6) atteint une valeur déterminée. Des vannes placées dans ce boitier permettant d'utiliser sélectivement l'un ou l'autre des différents stabilisateurs variables utilisés dans la même garniture de forage L'orifice calibré (8) régule la vitesse du cycle et permet d'utiliser le facteur : "temps d'évolution" pour utiliser sélectivement plusieurs stabilisateurs variables. 9.- Dispositif tournant pour la mise en oeuvre du procédé de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le corps supérieur (1) et le corps inférieur (1t) peuvent coulisser l'un dans l'autre sous l'action du débit de forage à l'aller et sous l'action du poids au retour ; ces translations. s'accompagnant d'une rotation d'une fraction de tour dans un sens causée par la présence d'ergots (14 > solidaires du corps supérieur (1) dans des gorges spiralées (13) taillées dans le corps inférieur (11) une partie du trajet étant rectiligne pour se dégager des cannelures d'accouplement (15). 10.- Electronique de contrôle du dispositif de mise en oeuvre du procédé de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par l'utilisation de capteurs (10) permettant de transmettre la position d'une indice pour connaître le nombre de cycles effectués et aussi d'informer ltopé- rateur par un signal sonore ou lumineux dès d'un cycle commence parce que les pièces 3 et 4 ou les corps (1 et 11) ne sont plus en contact.