Brevet FR2641823A1 — publié le 19900720

La présente invention concerne un système de forage, et plus particulièrement un tel système comprenant un outil de forage, des moyens d'entratnement de l'outil et un dispositif de commande de la force exercée sur l'outil. Les techniques de forage pétrolier pour puits de pétrole ou de gaz sont bien connues, mais elles présentent de nombreux inconvénients lorsqu'elles sont appliquées à des forages de grand diamètre, par exemple de 1,50 m et plus, par exemple pour la mise en place de pieux servant de fondation ou d'ancrage à des structures marines. En effet, dans ce type de forage, l'outil est fixé à la base d'un train de tige remontant en surface, ce train comportant généralement en partie supérieure un élément de section carrée entratné par une table de rotation fixée sur un navire de forage. Cette tige peut coulisser dans la table de rotation pour permettre la montée ou la descente de l'outil. L'entratnement en rotation peut également être réalisé au niveau de l'outil par une turbine. Le poids sur l'outil est alors égal au poids du train de tige et de l'outil diminué de la tension exercée en tête du train de tige qui, à cet effet est relié à un câble tendu par un treuil. Ce treuil peut être à tension constante, ou alors un système généralement hydraulique peut etre incorporé entre le treuil et la tête du train de tige ("compensateur de pilonnement") afin de maintenir la tension proche de 1; valeur souhaitée malgré les déplacements verticaux du navire dus à la houle (pilonnement). Ces systèmes sont suffisants pour les forages pétroliers où les profondeurs importantes de forage font que les variations de tension en surface sont amorties au niveau de l'outil du fait de la flexibilité des tiges et/ou de leur frottement contre les parois du forage. A faible profondeur toutefois, l'inertie de ces systèmes étant élevée et le train de tige étant peu flexible, le poids apparent sur l'outil varie dans des proportions importantes, ce qui d'une part ne permet pas d'optimiser le travail de l'outil et d'autre part, peut conduire à une rupture des tiges si les variations deviennent trop élevées. Une deuxième technique connue consiste à placer le système de forage sur un support fixe. Ceci est en général très onéreux et contraignant, en particulier si ce support fixe ne peut être la structure à ancrer. C'est en particulier le cas de l'ancage.d'une structure sous-marine ou d'une structure dont la partie émergée n'a pas de surface de travail disponible dans l'axe des pieux à installer. Par exemple, dans des plateformes de grande dimension, l'axe des pieux peut se situer à une distance de 10 à 30 mètres du bord de la partie émergée de la structure. Il faut alors, soit amener une structure support du type auto-élévatrice beaucoup plus chère qu'un support flottant pour les mêmes capacités de travail, ou installer lorsque c'est possible un support en porte-à-faux tenu depuis la partie émergée de la structure, ce qui peut représenter des milliers de tonnes d'acier utilisés uniquement pour l'exécution des fondations. Une troisième technique enfin concerne les foreuses sous-marines. Celles-ci peuvent être pilotées depuis un support flottant mais, pour éviter le problème de pilonnement, elles doivent prendre pour référence le fond marin. La machine doit donc être réalisée en deux parties, l'une pouvant reposer sur le fond marin ou s'ancrer sur une structure liée au fond, et l'autre supportant et entratnant l'outil de forage et liée à la première partie par un vérin pour imposer un poids déterminé sur l'outil ou une vitesse d'avance contrôlée. te vérin n'ayant qu'une course limitée, il est nécessaire de travailler pas-à-pas en interrompant le forage quand le vérin est en bout de course pour déplacer la partie servant de référence et l'ancrer plus bas (vérinage contre les parois du forage déjà réalisé par exemple) afin de rétracter le vérin. Ce système est complexe et lent et donc onéreux, et suppose en outre que l'on puisse effectivement ancrer la partie de référence au sol. Ceci est possible au niveau du fond marin quand le forage se fait à travers une embase puis sur les premiers mètres ou dizaines de mètres si le forage se fait initialement à travers un tubage préalablement enfoncé dans le sol et lié à l'embase et donc au sol. Ce n'est généralement pas possible en trous ouverts, c'est-à-dire quand l'ancrage doit se faire par appui direct sur les parois du forage, sauf en cas de rocher. La présente invention a pour but de fournir un système de forage permettant de contrôler la force exercée de l'outil sur le sol d'un engin de forage immergé, celui-ci n'étant lié à la surface que par des câbles de contrôle ou des flexibles sans tension en étant rigidement lié à aucun support fixe, le seul contact entre le système et le terrain se faisant au niveau de l'outil. On utilisera donc des engins de forage de type connu ne nécessitant pas de transmission de couple depuis la surface pour entratner l'outil, ceci grâce à des moteurs intégrés à l'engin immergé et ayant une compensation de couple interne, par exemple par rotation d'outils en sens inverse. L'invention a pour objet un système de forage comprenant un outil de forage, des moyens d'entraînement de l'outil et un dispositif de commande de la force exercée sur l'outil, caractérisé par le fait que ledit dispositif de commande comprend au moins un réservoir rigidement relié à l'outil de forage et agencé pour contenir de l'eau. dans sa partie inférieure et de l'air dans sa partie supérieure, et des moyens pour faire varier la quantité d'eau contenue dans ledit réservoir. Le contrôle de la force exercée par l'outil sur le sol est donc réalisé en faisant varier le poids apparent dans l'eau du réservoir relié à l'outil de forage. Des moyens de mesure peuvent être prévus pour connattre la quantité d'eau contenue dans le réservoir. Ces moyens de mesure peuvent par exemple, comprendre des moyens pour mesurer la différence de pression entre le fond de réservoir et sa partie supérieure. Des moyens peuvent également être prévus pour mesurer la profondeur à laquelle se situe l'engin de forage. Ces moyens de mesure peuvent par exemple comprendre au moins un capteur de pression à l'extérieur du réservoir. Ils peuvent également comprendre, en vue d'une estimation plus précise de la profondeur et notamment d'une estimation de la vitesse d'avance de l'outil, des moyens pour mesurer en continu la pression différentielle entre deux points séparés d'une hauteur prédéterminée et des moyens pour mesurer la pression différentielle à un niveau donné entre l'extérieur et une contrepression déterminée. Ces derniers moyens pour mesurer la pression différentielle à un niveau donné entre l'extérieur et une contrepression déterminée peuvent plus particulièrement comprendre une enceinte reliée à l'extérieur par une vanne et un capteur de pression différentielle entre l'extérieur et l'intérieur de ladite enceinte. Les moyens pour faire varier la quantité d'eau contenue dans le réservoir peuvent comprendre simplement au moins une pompe placée sur une conduite reliant l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. Toutefois, pour diminuer le temps de réaction de la commande de poids et utiliser à cet effet une pompe tournant en permanence dans une seule direction, la conduite comprend avantageusement une dérivation branchée d'une part du côté extérieur de l'enceinte et d'autre part du côté intérieur de l'enceinte, de part et d'autre de la pompe, une première vanne étant disposée sur ladite dérivation, une deuxième vanne étant disposée sur la conduite principale entre la pompe et le point de dérivation côté extérieur de l'enceinte, une troisième vanne étant disposée sur la conduite principale entre l'intérieur de l'enceinte et le point de dérivation côté intérieur de l'enceinte, et une quatrième vanne étant disposée entre l'intérieur de l'enceinte et la conduite principale entre la deuxième vanne et la pompe. Dans un deuxième mode de réalisation, les moyens pour faire varier la quantité d'eau contenue dans le réservoir comprennent une deuxième conduite faisant cozmuniquer la partie supérieure du réservoir avec la surface, des moyens pour pressuriser le réservoir par l'intermédiaire de ladite deuxième conduite et des moyens pour faire communiquer la partie inférieure du réservoir avec l'extérieur du réservoir. On peut également prévoir de diviser la partie supérieure du réservoir en deux zones par une cloison étanche, une vanne étant disposée sur ladite cloison pour mettre sélectivement en communication les deux zones de la partie supérieure des deux réservoirs. Il est ainsi possible d'obtenir un allègement très rapide du poids apparent de l'ensemble en conservant la partie du réservoir reliée à la surface pressurisée à une valeur convenable, et en ouvrant la vanne de communication montée sur la cloison, ce qui a pour effet d'augmenter brutalement la pression dans l'autre partie du réservoir et par conséquent, d'en chasser liteau. On décrira maintenant des modes de réalisation particuliers de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un système selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent des moyens de mesure de la profondeur et, - la figure 4 est une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation. La figure 1 représente la partie supérieure d'une machine de forage 1, contenant notamment la pompe d'évacuation des déblais. Les outils de forage ainsi que leur moteur d'entratnement sont disposés à la partie inférieure de la machine 1. La machine l comprend également divers capteurs dont certains seront décrits en détail ci-après. Un réservoir cylindrique 2 est fixé rigidement à la machine de forage 1, sa section transversale étant telle qu'il puisse descendre dans le forage à la suite de la machine de forage. Ce réservoir 2 est initialement rempli d'eau dans sa partie basse 2a et d'air dans sa partie haute 2b dans des proportions telles que le poids déjaugé dans l'eau de l'ensemble réservoir/machine de forage soit nul. Un passage 3 qui traverse le réservoir 2 (ou lui est adjacent) permet le passage de câbles ou de flexibles 4 remontant en surface pour assurer l'alimentation en énergie nécessaire au fonctionnement de la machine de forage 1, amener vers l'outil (circulation directe) ou refouler depuis l'outil (circulation inverse) le fluide de forage, transmettre en surface les données recueillies par les capteurs contenus dans la machine 1 assurer la commande des vannes décrites ci-après. Une conduite 5 relie l'extérieur à l'intérieur du réservoir 2 afin de faire varier à l'aide d'une pompe 6 la quantité d'eau contenue dans le réservoir. Une dérivation 7 branchée sur la conduite 5 divise celle-ci en un tronçon supérieur 5a, un tronçon médian 5b, et un tronçon inférieur 5c. La ponpe 6 étant montée sur le tronçon médian 5b court-circuité par la dérivation 7. Une première vanne 8 est disposée sur la dérivation 7, une deuxième vanne 9 sur le tronçon 5b du côté du tronçon Sa par rapport à la pompe 6 et une troisième vanne 10 est disposée sur le tronçon 5c. Enfin, une conduite 11 permet de mettre en communication la partie du tronçon 5b comprise entre la pompe 6 et la vanne 9 avec l'intérieur du réservoir par l'intermédiaire d'une vanne 12 placé sur cette conduite 11. L'ensemble des vannes 8, 9, 10 et -12 est commandé depuis la surface en fonction des données recueillies par les capteurs précités pour maintenir constant, augmenter ou diminuer le poids exercé sur l'outil. La pompe 6 tournant en continu, il suffit en effet pour maintenir un poids constant de fermer les vannes 8 et 9 et de maintenir ouvertes les vannes 10 et 12. L'eau est aspirée dans l'enceinte par la pompe 6 par le tronçon 5c et est refoulée dans cette même enceinte par la conduite 11. Pour augmenter le poids exercé sur l'outil, il suffit d'ouvrir la vanne 8. L'eau est aspirée par la pompe 6 à la fois par le tronçon 5a et la dérivation 7 et par le tronçon 5c, et est refoulée dans l'enceinte par la conduite 11. La vanne 10 n'est fermée que dans le cas où la pression extérieure risque de devenir inférieure à la pression intérieure. Enfin, pour diminuer le poids exercé sur l'outil, il suffit d'ouvrir les vannes 9 et 10 et de fermer les vannes 8 et 12, l'eau étant aspirée depuis l'intérieur de l'enceinte par l'intermédiaire du tronçon 5c et étant refoulée à l'extérieur par l'intermédiaire du tronçon 5a. Les capteurs comprennent en particulier des moyens pour mesurer et transmettre en surface continuellement d'une part le poids apparent de l'ensemble immergé. et par conséquent la force exercée sur l'outil, et d'autre part la profondeur absolue ou relative à laquelle se situe le système. La mesure du poids exercé sur l'outil revient, pour une géométrie de réservoir donnée, à connattre le poids d'eau contenue dans ce réservoir. Si l'on suppose le réservoir 2 de section constante S, le point d'eau Q est égal à la différence de pression ils P entre le fond du réservoir (eau) et le sommet du réservoir (air) multipliée par la section, c'est-à-dire: Q = S .b p Q étant à une constante près égal à la force exercée sur l'outil, il suffit de connaltre ii P avec la même précision que celle que l'on souhaite pour la force exercée, par exemple 1 Z, ce qui ne présente pas de difficulté. La différence de pression 9 P est mesurée à l'aide de deux capteurs de pression non représentés. L'effort exercé sur Outil pourrait d'ailleurs être également mesuré par la hauteur d'eau dans le réservoir ou par tout autre dispositif approprié. En ce qui concerne la profondeur de forage, une simple mesure de pression à l'extérieur du ballast donne la hauteur d'eau et par conséquent, la profondeur. Par exemple, par 300 m d'eau avec une précision de 0,25 Z, la cote est déterminée à 75 cm près ce qui est suffisant en profondeur absolue. Par contre, si l'on souhaite une meilleure connaissance de la variation de profondeur entre deux instants, et donc une approximation de la vitesse de forage instantanée, il est possible d'effectuer les deux mesures suivantes D'une part, on mesure en continu la pression différentielle /\ Ph entre deux points distants d'une hauteur prédéterminée h. Par ailleurs, on mesure la pression différentielleiNP à un niveau donné entre l'extérieur et une contrepression donnée. La figure 2 montre comment la première de ces mesures peut être réalisée. La référence 13 désigne la paroi extérieure de la machine de forage immergée dans un fluide se déplaçant par rapport à cette dernière comme représenté par la flèche F1. Une conduite 14 relie entre eux deux orifices dans la paroi 13 distants verticalement d'une hauteur h et obturés chacun par une membrane souple 15. Un capteur de pression différentielle 16 mesure la différence de pression entre les deux orifices. Si g w est le poids volumique du fluide dans lequel la machine est immergée, cette différence de pression est /\ P - k . h + h. gW = K. h w en supposant les pertes de charge à l'extérieur du système proportionnelles à h. La deuxième mesure est réalisée à l'aide du dispositif de la figure 3. Ce dispositif comprend une enceinte 17 en forme de cloche divisée en une partie supérieure 17a et une partie inférieure 17b séparées par un capteur de pression différentielle 18. La partie inférieure 17b est séparée éventuellement de l'extérieur par une membrane souple 19 et la partie supérieure 17a est reliée à l'extérieur par une conduite 21 sur laquelle est montée une vanne 22. La pression différentielle mesurée par le capteur 18 est la différence de pression entre l'extérieur et la contrepression dans la zone 17a. Si à un instant t - t0, alors que le dispositif est à la profondeur zO, la vanne 22 est ouverte, la pression P1 dans la partie 17a de l'enceinte est égale à la pression P2 dans la partie 17b . Le capteur 18 mesure alors une pression différentielle nulle. La vanne 22 est aussitôt refermée. Si, à l'instant t - t0 + ii t0 , la machine se trouve à la profondeur z0 4 + #z avec la vanne toujours fermée, la pression P1 n'a pas changé, alors que la pression P2 a été modifiée, de sorte que le capteur 18 mesure une valeurs P non nulle et ss -P La première mesure donne par conséquent un coefficient de proportionnalité entre /\ Ph et h, fonction de 6 w et des pertes de charges dans l'espace annulaire compris entre le réservoir et les parois du forage. La deuxième mesure étant prise dans le même environnement, la proportionnalité entre la différence de pression et la hauteur d'eau est identique. Par conséquent, pour une mesure S P sur le capteur 18, on déduit un accroissement de profondeur /\ z depuis la dernière remise à zéro de ! P tel que A z ~ P h Ph Quand P devient voisin de la pleine échelle du capteur 18, on remet la contrepression égale à la pression extérieure en ouvrant de nouveau la vanne 22 et on recommence les mêmes opérations. On peut ainsi obtenir une valeur du déplacement entre deux remise à zéro de /\ P avec une précision de l'ordre de 5 cm, ce qui permet d'estimer la vitesse instantanée. La profondeur z est en outre connue en absolu en sommant les valeurs maximales calculées pour fS z à chaque remise à zéro de la pression différentielle. Une variante du dispositif représenté à la figure 1 consiste à mettre la partie supérieure du réservoir en communication avec la surface à l'aide d'un tuyau flexible sur lequel est montée une vanne. Ce tuyau est connecté en surface à un compresseur. On peut ainsi gonfler et dégonfler régulièrement le réservoir tout en le laissant en équipression avec l'extérieur, ce qui permet de contrôler très simplement la force exercée sur l'outil. Toutefois, les variations de poids étant liées au pompage de volumes d'air importants peuvent être lentes, de sorte que l'on peut prévoir une enceinte contenant de l'air à pression élevée reliée au réservoir par une vanne. En ouvrant cette vanne, on obtient une diminution rapide de la force exercée sur l'outil. Enfin, ces différentes solutions peuvent être combinées ave celle de la figure 1, comme cela est représenté à la figure 4. Dans ce cas, la partie supérieure 2b du réservoir 2 est divisée en deux zones 2'b et 2"b par une cloison 22 sur laquelle est montée une vanne 23. La zone inférieure 2"b est en contact avec l'eau contenue dans le réservoir alors que la zone supérieure 2'b est reliée à la surface par un tuyau flexible 24 sur lequel est montée une vanne 25. Comme précédemment, le fond du réservoir est relié à l'extérieur par une conduite 5 sur laquelle peut être monté un ensemble 26 du type de celui décrit à la figure 1, références 6 à 12. La vanne 23 étant fermée, la zone 2'b contient de l'air sous pression élevée. S'il est nécessaire d'alléger rapidement le dispositif, la vanne 23 est ouverte, ce qui met brutalement en communication la son. 2'b avec la zone 2"b dans laquelle la pression augmente. ce qui a pour effet d'améliorer le rendement de l'ensemble 26. Une telle opération n'étant nécessaire qu'occasionnellement, il est ensuite possible d'isoler A nouveau la zone 2'b pour la remettre en pression depuis la surface. Diverses variantes et modifications peuvent bien entendu être apportées à la description qui précède sans sortir pour autant du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Système de forage comprenant un outil de forage, des moyens d'entrarnement de l'outil, et un dispositif de commande de la force exercée sur l'outil, caractérisé par le fait que ledit dispositif de commande comprend au moins un réservoir (2) rigidement relié à l'outil de forage et agencé pour contenir de l'eau dans sa partie inférieure et de l'air dans sa partie supérieure, et des moyens (5,12 ; 23,26) pour faire varier la quantité d'eau contenue dans ledit réservoir. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens de mesure de la quantité d'eau contenue dans le réservoir. 3 - Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure de la quantité d'eau comprennent des moyens pour mesurer la différence de pression entre le fond du réservoir et sa partie supérieure. 4 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour mesurer la profondeur à laquelle il se situe. 5 - Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour mesurer la profondeur comprennent au moins un capteur de pression à l'intérieur du réservoir. 6 - Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (16) pour mesurer en continu la pression différentielle entre deux points séparés d'une hauteur prédéterminée, et des moyens (17,22) pour mesurer la pression différentielle à un niveau donné entre l'extérieur et une contrepression déterminée. 7 - Système selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour mesurer la pression différentielle à un niveau donné entre l'intérieur et une contrepression déterminée, comprennent une enceinte (17a) reliée à l'extérieur par une vanne, et un capteur de pression différentielle (18) entre l'extérieur et l'intérieur de ladite enceinte. 8 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour faire varier la quantité d'eau contenue dans le réservoir comprennent au moins une pompe (6) placée sur une conduite (5) reliant l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. 9 - Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ladite conduite comprend une dérivation (7) branchée d'une part du côté extérieur de l'enceinte et d'autre part de côté intérieur de l'enceinte, de part et d'autre de la pompe, une première vanne (8) étant disposée sur ladite dérivation, une deuxième vanne (9) étant disposée sur la conduite principale entre la pompe et le point de dérivation côté extérieur de l'enceinte, une troisième vanne (10) étant disposée sur la conduite principale entre l'intérieur de l'enceinte et le point de dérivation côté intérieur de l'enceinte, et une quatrième vanne (12) étant disposée entre l'intérieur de l'enceinte et la conduite principale entre la deuxième vanne et la pompe. iD - Systame selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. caractérisé par le fait que lesdits moyens pour faire varier la quantité d'eau contenue dans le réservoir comprennent une deuxième conduite (24) faisant comouniquer la partie supérieure du réservoir à l'air libre, des moyens (25) pour pressuriser le réservoir par l'intermédiaire de ladite deuxième conduite, et des moyens (5) pour faire communiquer la partie inférieure du réservoir avec l'extérieur du réservoir. 11 - Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la partie supérieure du réservoir est divisée en deux zones par une cloison étanche (22), une vanne (23) étant disposée sur ladite cloison pour mettre sélectivement en communication deux zones de la partie supérieure du réservoir.