Brevet FR2649154A1 — publié le 19910104

La présente invention a pour objet des carters de moteur coudés pour forage de fond de trou, destinés à être utilisés pour réaliser un forage suivant une courbe. Il est bien connu, dans le domaine des forages directionnels, de réaliser un forage suivant une courbe en utilisant un moteur à boue, pourvu d'un carter coudé pour le décalage angulaire de l'axe de rotation de l'outil de forage par rapport à l'axe longitudinal de la tige de forage, de façon à provoquer l'engagement de l'outil de forage sur la paroi du forage d'un côté et de réaliser ainsi un forage en suivant une courbe dont la configuration est déterminée par le décalage angulaire du coude du carter. Toutefois, l'angle du coude du carter est habituellement limité à environ 1,5 par l'arbre articulé du moteur qui se prolonge à travers le carter jusqu'à l'outil de forage. En outre, les méthodes modernes de forage imposent des exigences sévères concernant le forage directionnel, qui ne peuvent être satisfaites par les moteurs à boue classiques à carter coudé. Par exemple, pour réaliser une section incurvée dans un forage afin de dévier la direction du forage de la verticale (c'est-à-dire d'une inclinaison 0 ) à l'hori- zontale (c'est-à-dire d'une inclinaison de 900), il peut être nécessaire d'augmenter l'inclinaison du forage de 12 , par exemple, tous les 300 mètres à forer. Ce degré de courbure ne peut être atteint en utilisant un moteur à boue classique à carter coudé. L'invention a pour objet de réaliser un carter de moteur coudé pour forage de fond de trou, permettant un forage directionnel selon une courbure accrue. La présente invention fournit un moteur de carter coudé pour forage de fond de trou, destiné à être utilisé pour réaliser un forage selon une courbe, ce carter étant oblong et présentant une extrémité supérieure par laquelle il peut être connecté à l'extrémité d'une tige de forage à l'intérieur du trou de forage, une extrémité inférieure sur laquelle doit être monté l'outil de forage pour réaliser le trou de forage, un coude entre les extrémités supérieure et inférieure, destiné à décaler angulairement l'axe de rotation de l'outil de forage par rapport à l'axe longitudinal de la tige de forage afin de provoquer l'engagement de l'outil de forage sur la paroi du trou de forage d'un côté, et un alésage longitudinal s'étendant de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du carter et prévu pour le passage d'un arbre moteur, le carter présentant une zone de sépara- tion au voisinage du coude et destinée à venir porter contre la paroi du trou de forage du côté opposé à celui sur lequel s'engage l'outil de forage de façon à faire que l'ange d'inclinaison de l'axe de rotation de l'outil de forage par rapport à l'axe du trou de forage soit supérieur à l'angle du coude du carter. Le fait de prévoir la zone de séparation permet d'accroître l'angle d'inclinaison de l'axe de rotation de l'outil de forage par rapport à l'axe du trou de forage de façon qu'il soit supérieur à l'angle d'inclinaison suscepti- ble d'être obtenu en utilisant un carter de type courant de moteur pour forage de fond de trou, présentant un coude du même décalage angulaire. Ceci augmente l'interférence entre l'outil de forage et le côté du trou de forage, de même que cela accroît la force latérale exercée par l'outil de forage sur la formation géologique qui est forée, en permettant ainsi d'obtenir une courbure plus importante pendant le forage. Dans une forme de réalisation préférée de l'inven- tion, l'alésage comprend un premier passage rectiligne s'étendant à travers une zone supérieure du carter et un second passage rectiligne s'étendant à travers une zone inférieure du carter, les deux passages se rencontrant au niveau du coude selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude, et le fait de prévoir une zone de séparation portant contre la paroi du trou de forage se traduit par le fait que le premier passage est légèrement incliné par rapport à l'axe du trou de forage, en utilisa- tion. En outre, il est préférable que le carter comporte une zone de carter supérieure cylindrique et une zone de carter inférieure cylindrique, les deux zones se rencontrant au niveau du coude selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude, et que les premier et second passages se prolongent respectivement à travers les zones supérieure et inférieure du carter et soient co-axiales avec celui-ci au moins au voisinage des extrémités supérieure et inférieure du carter. Avantageusement, chacune des zones supérieure et inférieure du carter comporte une section concentrique de carter éloignée du coude et dans laquelle le passage associé est co-axialement disposé et une section excentrique de carter, adjacente au coude, dans laquelle le passage est disposé excentriquement de façon à réaliser une région épaissie de la paroi de carter, constitutive de ladite partie de séparation, du côté o le carter porte contre la paroi du trou de forage. L'excentricité du passage dans la section excentri- que du carter de chacune des zones supérieure et inférieur du carter est de préférence réglée de façon que l'épaisseur de la paroi du carter soit maximale sur le côté o le carter porte contre le mur de trou de forage et minimale sur le côté diamètriquement opposé, tandis que la section concentrique de carter de chacune des zones supérieure et inférieure du carter présente une épaisseur de paroi qui est inférieure à l'épaisseur minimale de paroi de la section excentrique de carter associée. Un tel agencement procure une rigidité améliorée au niveau du coude. Il est également préférable que le carter soit constitué par usinage à partir d'un élément unique en métal. Ceci accroît également la rigidité structurelle. Selon un perfectionnement de l'invention, la zone inférieure du carter est montée à pivotement par rapport à la zone supérieure du carter afin de modifier le décalage angulaire, par exemple au moyen d'un agencement tel que décrit dans le brevet britannique n 1.494.273. L'invention concerne également un moteur à boue pour forage de fond de trou, comportant un carter de moteur de ce type. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation préférée de carter coudé pour moteur selon l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La Figure 1 représente de façon schématique le carter de moteur en utilisation dans un trou de forage; et Les Figures 2 et 3 représentent des vues en coupe transversale schématique sur une plus grande échelle, selon les lignes II-II et III-III de la Figure 1. Si l'on se réfère à la Figure 1, on voit qu'est adapté sur le carter coudé de moteur 1 un arbre d'entraîne- ment 2 s'étendant à travers un alésage longitudinal 2A à l'intérieur du carter, et qu'un outil de forage 3 est fixé à l'arbre d'entraînement 2 au voisinage d'une extrémité inférieure du carter et est amené, du fait du coude dans le carter, à attaquer un côté d'un trou de forage 4 qui s'étend à travers une formation géologique 12, afin de forer selon une courbe de façon habituellement connue. Bien que cela ne soit pas représenté sur les dessins, l'extrémité supérieure du carter est connectée à l'extrémité d'une tige de forage à l'intérieur du trou de forage 4 et entoure le rotor du moteur qui est couplé à l'outil de forage 3 par l'arbre d'entraîne- ment 2. L'arbre d'entraînement 2 est articulé afin qu'il puisse s'adapter au coude du carter. En outre, l'arbre d'entraînement 2 est supporté par des paliers de butée et de type radial au voisinage de l'extrémité inférieure du carter, de façon connue. Le carter 1 comporte une zone supérieure cylindrique 1A et une zone cylindrique inférieure lB, les deux zones 1A, lB se rencontrant au niveau du coude 9 du carter selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude 9. En outre, l'alésage 2A comprend un premier passage rectiligne 2B qui s'étend à travers la zone supérieure de carter 1A et un second passage rectiligne 2C qui s'étend à travers la zone inférieure de carter lB, les deux passages 2B, 2C se rencon- trant au niveau du coude 9 selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude 9. En outre, la zone supérieure de carter lA comprend une section concentrique 5, conçue de façon classique et une section excentrique 7, et la zone inférieure de carter 1B comprend une section concentrique 6 conçue de façon classi- que, et une section excentrique 8. Comme représenté en coupe transversale sur la Figure 2, le passage 2B est disposé co- axialement par rapport à la section de carter 5, et, de façon similaire, le passage 2C est disposé co-axialement par rapport à la section de carter 6. Toutefois, comme représenté par la coupe transversale de la Figure 3, le passage 2B est disposé de façon excentrique par rapport à la section de carter 7, et, de façon similaire, le passage 2C est disposé de façon excentrique par rapport à la section de carter 8. On se rendra compte que les sections excentriques de carter 7 et 8 présentent un diamètre externe plus important que les sections concentriques de carter 5 et 6, et, en outre, que l'excentricité E du passage 2B ou du passage 2C à l'intérieur des sections de carter 7 ou 8, respectivement, se traduit par le fait que l'épaisseur de la paroi de carter 7 ou 8 est à T., (maximum) du côté o le carter porte contre la paroi du trou de forage et à T, (minimum) du côté diamètri- quement opposé. L'épaisseur de paroi t des sections de carter concentriques 5 ou 6, respectivement, est constante et inférieure à l'épaisseur de paroi minimale T, de la section excentrique de carter associée 7 ou 8. Ainsi, la zone épaissie de la paroi de carter du côté o le carter porte contre la paroi du trou de forage 4 constitue une zone de séparation 10 donnant naissance à un décalage latéral L à l'intérieur du passage 2B, qui est légèrement incliné par rapport à l'axe du trou de forage 4 de façon à augmenter l'angle d'inclinaison 8 de l'axe de rotation 11 de l'outil de forage 3 par rapport à l'axe du trou de forage 4 sans accroître l'angle du coude 9 du carter. Ainsi, on peut se rendre compte que, si l'on utilise le carter coudé de moteur 1 décrit ci-dessus à la place d'un carter coudé classique pour moteur, présentant une longueur égale et un décalage angulaire égal, le fait de prévoir la zone de séparation 10 aura les effets suivants: 1. Accroissement de l'interférence I entre l'outil de forage 3 et le côté du trou de forage 4; 2. Accroissement de la force latérale F exercée par l'outil de forage sur le côté du trou de forage 4; et 3. Accroissement de l'angle d'inclinaison 8 de l'outil de forage 3. Ces trois effets signifient qu'il est possible d'augmenter le degré de courbure du trou de forage à réaliser jusqu'à, par exemple, 12 ou même 15 , tous les 300 mètres à forer. En outre, étant donné que les sections de carter 7 et 8 sont d'un plus grand diamètre que les sections de carter et 6 et d'une plus grande épaisseur de paroi, il existe un accroissement associé de la rigidité du carter 1 au voisinage du coude 9, assurant ainsi que le couple de flexion accrue, généré au voisinage du coude 9 par un accroissement de la force latérale F ne se traduit pas par une diminution du décalage angulaire du coude, résultant de l'effet de courbure inverse. Ceci est important du fait que l'arbre d'entraîne- ment 2 peut être endommagé au voisinage de sa zone articulée si une courbure inverse se produit au-delà des tolérances permises. De façon typique, la rigidité en flexion du coude peut être plus élevée de 50 % que dans un carter coudé classique pour moteur. On appréciera que le carter 1 est constitué d'un élément unique en métal par usinage à la fois des surfaces interne et externe de façon à former les sections de carter à 8, le coude 9 et la zone de séparation 10. La rigidité accrue au niveau du coude est également avantageuse en ce qu'elle permet de mettre en oeuvre une technique de commande connue, dans laquelle une partie droite du trou de forage est forée par rotation du moteur à boue à carter coudé pendant le forage sans soumettre le carter coudé à des contraintes considérables qui provoqueraient une diminution notable de sa vie en fonctionnement. Les forces latérales notables auxquelles l'outil de forage est soumis dans une telle technique sont compensées de façon appropriée par la rigidité en flexion du carter coudé. Cette technique évite les pertes de temps et le prix de revient qui pourrait par ailleurs se produire en modifiant le carter du moteur à boue lorsqu'il est nécessaire de forer une zone droite du trou de forage immédiatement après le forage d'une zone incurvée. REVENDICATIONS 1. Carter coudé pour forage de fond de trou, destiné à être utilisé pour réaliser un forage selon une courbe, ce carter (1) étant oblong et présentant une extrémité supé- rieure (5) par laquelle il peut être connecté à l'extrémité d'une tige de forage à l'intérieur du trou de forage (4), une extrémité inférieure (6) sur laquelle doit être monté l'outil de forage (3) pour réaliser le trou de forage (4), un coude (9) entre les extrémités supérieure et inférieure, destiné à décaler angulairement l'axe de rotation (11) de l'outil de forage (3) par rapport à l'axe longitudinal de la tige de forage afin de provoquer l'engagement de l'outil de forage (3) sur la paroi du trou de forage (4) d'un côté, et un alésage longitudinal (2A) s'étendant de l'extrémité supé- rieure (5) à l'extrémité inférieure (6) du carter et prévu pour le passage d'un arbre moteur (2), caractérisé en ce que le carter (1) présentant une zone de séparation (10) au voisinage du coude (9), destinée à venir porter contre la paroi du trou de forage (4) du côté opposé à celui sur lequel s'engage l'outil de forage (3) de façon à faire que l'angle d'inclinaison (6) de l'axe de rotation (11) de l'outil de forage (3) par rapport à l'axe du trou de forage (4) soit supérieur à l'angle du coude (9) du carter. 2. Carter coudé pour moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alésage (2A) comprend un premier passage rectiligne (2B) s'étendant à travers une zone supérieure (1A) du carter et un second passage rectiligne (2C) s'étendant à travers une zone inférieure (lB) du carter, les deux passages (2B, 2C) se rencontrant au niveau du coude (9) selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude (9), et en ce que le fait que la zone de séparation (10) porte contre la paroi du trou de forage (4) résulte du fait que le premier passage (2b) est légèrement incliné par rapport à l'axe du trou de forage (4), en utilisation. 3. Carter coudé pour moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le carter (1) comporte une zone supérieure cylindrique (1A) et une zone inférieure cylindri- que (lB), les deux zones (1A, lB) se rencontrant au niveau du coude (9) selon un angle correspondant au décalage angulaire du coude, et que les premier et second passages (2B, 2C) se prolongent respectivement à travers les zones supérieure et inférieure (lA, lB) du carter et sont co-axiaux avec celui- ci au moins au voisinage des extrémités supérieure et inférieure (5, 6) du carter. 4. Carter coudé pour moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des zones supérieure et inférieure (lA, lB) du carter comporte une section concentri- que (5 ou 6) éloignée du coude (9) et dans lequel le passage associé (2B ou 2C) est disposé co-axialement et une section excentrique (7 ou 8), adjacente au coude (9), dans laquelle le passage (2B, 2C) est disposé excentriquement de façon à réaliser une région épaissie de la paroi de carter, consti- tutive de ladite partie de séparation (10), du côté o le carter (1) porte contre la paroi du trou de forage (4). 5. Carter coudé pour moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'excentricité du passage (2B ou 2C) dans la section excentrique de carter (7 ou 8) de chacune des zones supérieure et inférieure (1A, lB), est telle que l'épaisseur de la paroi du carter est à un maximum du côté o le carter (1) porte contre la paroi du trou de forage (4) et à un minimum du côté diamètriquement opposé. 6. Carter coudé pour moteur selon la revendication , caractérisé en ce que la section concentrique (5 ou 6) de chacune des parties supérieure et inférieure du carter (lA, lB> présente une épaisseur de paroi qui est inférieure à l'épaisseur minimale de la paroi de la section excentrique de carter associée (7 ou 8). 7. Carter coudé de moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carter (1) est formé par usinage à partir d'un élément unique de métal. 8. Carter coudé de moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une zone inférieure de carter (lB) qui est susceptible de pivoter par rapport à une zone supérieure de carter (1A) pour modifier le décalage angulaire. 9. Moteur à boue pour forage de fond de trou, caractérisé en ce qu'il comporte un carter coudé pour moteur (1) selon l'une des revendications précédentes.