Brevet FR2649751A1 — publié le 19910118

L'invention concerne d'une manière générale des outils de fond de puits de pétrole, a savoir mis en fonctionnement sur un train de tiges, des outils de fond de puits de pétrole du type à impact ou battage, et plus particulièrement un outil de battage actionné par fluide à utiliser dans des puits de forage, qui exécute un battage vers le haut et vers le bas, l'outil comportant un trépan ou une extrémité de travail qui tourne lorsque le trépan n'est pas soumis au poids du train de tiges afin d'empêcher la formation d'empreintes sur la surface de forage. Dans des opérations effectuées en fond de puits, on a besoin de dispositifs de battage ou d'impact. Par exemple, dans des opérations de reconditionnement utilisant un train de tiges tel qu'une colonne hélicoidale ou un équipement de forage sous pression, il est nécessaire de produire un impact de battage vers le bas à l'extrémité inférieure du train pour permettre à celui-ci de franchir des obstacles ou d'entrer autrement dans le puits. Durant des opérations de repêchage ou d'autres opérations, telles que le raclage de la paraffine, il est parfois nécessaire d'appliquer des forces de battage ou d'impact vers le haut à l'extrémité inférieure du train si l'outil de repêchage ou autre se trouve bloqué. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 946 819 décrit un outil de puits commandé par fluide,. conçu pour délivrer des forces de battage vers le bas lorsque cet outil rencontre des obstacles. L'outil du brevet précité comprend d'une façon générale un corps et un élément de tige tubulaire logé télescopiquement dans le corps pour effectuer un mouvement alternatif relatif entre une première position terminale et une seconde position terminale en réponse à la pression d'un fluide dans le corps. La partie inférieure du corps est formée de façon à définir un marteau tourné vers le bas et l'élément de tige comprend une enclume tournée vers le haut, qui est disposée de façon à être frappée par le marteau. L'outil comporte un ensemble à soupape qui, en réponse à un mouvement prédéter- miné de l'élément de tige vers la seconde position terminale, relâche la pression du fluide et permet à l'élément de tige de revenir vers la première position terminale. Lorsque l'ensemble à soupape relâche la pression du fluide, le marteau vient en contact brusque de frappe avec l'enclume. L'outil du brevet N 3 946 819 précité est efficace pour appliquer des coups répétitifs vers le bas. Il ne produit pas de coups dirigés vers le haut. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 462 471 propose un appareil de battage bidirectionnel commandé par fluide, qui produit des forces de battage vers le haut ou vers le bas. L'appareil de battage est utilisé pour produire des forces d'impact vers le haut ou vers le bas, comme souhaité, en fond de puits, sans que l'outil soit retiré du puits de forage pour être modifié. Le dispositif produit des forces de battage vers le bas lorsque l'outil est en compression, par exemple lorsque le poids des tiges est appliqué vers le bas sur l'outil, et produit de grandes forces vers le haut lorsqu'il est en traction, par exemple lorsque l'outil est tiré vers le haut. Le brevet N 4 462 471 précité décrit un mécanisme de battage ou de forage qui peut être adapté pour appliquer des coups vers le haut et vers le bas. Ce mécanisme comprend un corps à l'intérieur duquel sont montées de façon coulissante, entre les surfaces d'enclume, des surfaces opposées de marteau, espacées axialement. Un ressort est prévu pour rappeler le marteau vers le haut. Lorsque l'on souhaite utiliser ce mécanisme pour effectuer un battage, une soupape comprenant un ressort de fermeture de compression est descendue dans le train de tiges jusqu'au mécanisme. En genéral, le mecanisme du brevet N 4 462 471 précité fonctionne par l'action d'une pression de fluide sur la soupape et le marteau pour pousser axialement vers le bas la soupape et le marteau jusqu'à ce que le mouvement de descente de la soupape soit réglé, de préférence par la compression complète du ressort de soupape. Lorsque le mouvement de descente de la soupape s'arrête, l'étanchéité réalisée entre la soupape et le marteau est rompue et la soupape se déplace axialement vers le haut. Le sens du battage du mécanisme du brevet N 4 462 471 précité est déterminé par la relation entre la pression du fluide et la force du ressort qui rappelle le marteau vers le haut. Normalement, le mécanisme est conçu pour un battage vers le haut. Lorsque la soupape s'ouvre, le marteau monte pour heurter la surface d'enclume, tournée vers le bas, présentée par le corps. Le mécanisme peut être réalisé de façon à délivrer des coups vers le bas et vers le haut par une élévation de la pression du fluide et une diminution de la force du ressort qui rappelle le marteau vers le haut. Lorsque le mécanisme est ainsi agencé, la force vive vers le bas du marteau est augmentée de sorte que le marteau frappe l'enclume tournée vers le haut, présenté par le corps, avant d'être rappelé vers le haut pour frapper la surface d'enclume tournée vers le bas. Le mécanisme du brevet N 4 462 471 précité peut être adapté pour ne produire que des forces orientées vers le bas, soit en raccourcissant la longueur du ressort de la soupape, soit en allongeant la soupape afin qu'elle se referme avant que le marteau atteigne la surface d'enclume tournée vers le bas lors de la course de montée. L'un des problèmes posés par ces dispositifs de l'art antérieur est que, durant un forage par impact, la formation d'empreintes peut apparaître dans la surface de forage, réduisant ou empêchant la pénétration. La présente invention fait tourner l'extrémité de travail, par exemple un trépan de forage, durant un forage par impact. Avec l'invention, en faisant tourner le trépan lorsqu'il n'est pas soumis au poids du train de tiges, on a besoin de très peu d'énergie. En comparaison avec une rotation du trépan lorsqu'il est soumis au poids, cette rotation "sans poids" ralentit l'usure du trépan. Par conséquent, on peut effectuer un forage par impact avec un mouvement constant ou une rotation constante du trépan pour empêcher la formation d'empreintes sur la surface de forage. L'invention propose un outil de puits perfec- tionné à utiliser avec un train de tiges allongé qui peut charger l'outil - en lui transmettant un impact. L'outil comprend un corps pouvant être raccordé à l'extrémité inférieure d'un train de tiges et mis en communication de fluide avec cette extrémité inférieure, et à l'intérieur duquel au moins une chambre à fluide est définie. Une tige tubulaire parcourue par un canal d'écoulement est reçue télescopiquement dans le corps pour effectuer un mouvement alternatif par rapport à lui et établir un contact d'étanchéité avec lui entre une première position "sous pression" non en charge et une seconde position "d'impact" en charge. Un élément de travail, destiné à recevoir un impact, est relié à une extrémité de la tige afin d'effec- tuer un mouvement relatif avec elle entre les première et seconde positions, afin qu'un impact soit transmis à l'élément de travail dans la seconde position d'impact. Une soupape portée par le corps peut être manoeuvrée par la pression d'un fluide transmise par le train de tiges et, en réponse à un mouvement prédéterminé de la tige par rapport au corps, elle relâche la pression de fluide dans le corps de l'outil, permettant le retour de la tige et du corps vers la première position "sous pression". Des ressorts de rappel disposés dans la chambre rappellent l'élément de tige et le corps vers la première position et rappelle le moyen à soupape vers une position fermée lorsque l'élément de tige et le corps sont dans la première position "sous pression". Une interface entre le corps et la tige fait tourner l'élément de travail durant un mouvement relatif du corps et de la tige. Dans la forme préférée de réalisation, l'interface comprend un ensemble d'accouplement destiné à faire tourner l'élément de travail dans un sens de rotation et à empêcher toute rotation de l'élément de travail dans le sens opposé. Dans la forme préférée de réalisation, l'interface comprend un ensemble d'accouplement comportant un manchon disposé concentriquement entre le corps et la tige pour faire tourner l'élément de travail lorsque le corps et la tige se déplacent l'un par rapport à l'autre. Dans la forme préférée de réalisation, l'ensemble d'accouplement comprend un élément tubulaire présentant une ou plusieurs fentes s'étendant en hélice et longitudinalement, qui définissent une piste, et un nombre correspondant de broches, reliant le corps et la tige tubulaire. Dans la forme préférée de réalisation, l'interface fait tourner l'élément de travail au moins partiellement lorsque cet élément de travail n'est pas en charge. Dans la forme préférée de réalisation, l'élément de travail est tourné avant d'être mis en charge avec le train de tiges. Dans la forme préférée de réalisation, la tige tubulaire est logée dans le corps et le manchon d'interface est disposé concentriquement entre le corps et la tige. Dans la forme préférée de réalisation, l'interface comprend un élément tubulaire ayant une extrémité inférieure élargie qui s'enclenche avec le corps à la suite d'un impact transmis au trépan. Dans la forme préférée de réalisation, le moyen à soupape comprend un élément de soupape tubulaire traversé par un orifice à fluide, une partie extrême communiquant avec la chambre à fluide et l'autre partie extrême placée pour former un joint étanche au fluide avec la tige tubulaire afin d'arrêter l'écoulement du fluide dans celle- ci vers l'élément de travail. Dans la forme préférée de réalisation, la tige tubulaire est une tige allongée, globalement cylindrique, parcourue par un canal ou une lumière centrale d'écoulement qui est en communication de fluide avec la chambre de travail. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments: - la figure 1 est une élévation avec coupe partielle de la forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention durant un impact; - la figure 2 est une élévation avec coupe partielle de la forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention, illustrant l'outil dans une position non chargée et la soupape fermée; - la figure 3 est une vue en élévation avec coupe partielle de la forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention, illustrant l'outil dans une position non chargée, la soupape étant ouverte; - la figure 4 est une vue en élévation avec csoupe partielle de la forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention dans la position d'impact, la soupape étant ouverte; - la figure 5 est une coupe suivant la ligne 5- 5 de la figure 4; - les figures 5A et 5B sont des vues en coupe partielle illustrant la partie à came de blocage de l'élément d'accouplement. - la figure 6 est une coupe suivant la ligne 6- 6 de la figure 4; et Les figures 1 à 4 illustrent la forme préférée de réalisation de l'appareil selon l'invention, désigné globalement par la référence numérique 10. Sur les figures 1 a 4, on peut voir des vues successives en élévation avec coupe partielle montrant le fonctionnement de l'outil qui commence dans la position occupée après un impact (im- médiatement avant la mise sous pression), montrée sur la figure 1, et s'achève dans la position d'impact de l'outil, montrée sur la figure 4. Autrement, les pièces et la construction de l'appareil 10 peuvent être vues par une observation des figures 1 à 4 ensemble. L'appareil 10 comprend un corps 11 ayant des parties extrêmes supérieure 11A et inférieure llB. Le corps présente, à la partie extrême supérieure 11A, un orifice 12 s'étendant longitudinalement. La partie extrême supérieure llA du corps 11 de l'outil peut être reliée, par exemple, à un raccord de descente et de remontée (non représenté) qui est lui-même relié à un train de tiges tel que, par exemple, une rame de colonne hélicoïdale. Le raccordement de l'outil 10 à une colonne hélicoïdale au moyen d'un raccord de pose et de remontée est décrit d'une façon générale dans les brevets N 3 946 819 et 4 462 471 précités. La partie extrême inférieure llB du corps 11l de l'outil porte un élément de travail tel qu'un trépan de forage 14. Une partie centrale tubulaire 13 du corps 11, comportant une paroi annulaire 15, définit une chambre intérieure 16 à fluide. La chambre 16 communique avec l'orifice 12 en 17 afin qu'un fluide transmis à l'outil 11 par l'intermédiaire du train de tiges de la colonne hélicoidale puisse être utilisé pour "mettre sous pression" l'outil en menant le fluide sous pression jusqu'à la chambre d'outil 16 par l'intermédiaire de l'orifice 12. La chambre à fluide 16 porte un élément d'obturation 20, à savoir un élément de soupape s'étendant longitudinalement ayant une section transversale de forme globalement en X, tel que l'élément d'obturation montré sur la figure 6 du brevet N 3 946 819 précité. L'élément de soupape 20 comprend des parties extrêmes supérieure 21 et inférieure 22. La partie extrême inférieure 22 peut former un joint étanche au fluide en un siège 23 avec la partie extrême supérieure 26 d'une tige tubulaire 25. Un ressort hélicoidal 24 rappelle l'élément de soupape 20 vers le haut lorsque l'obturation réalisée au siège 23 entre la partie extrême inférieure 22 de la soupape 20 et la partie extrême supérieure 26 de la tige 25 est rompue. Ainsi, la référence numérique 23 désigne un siège de soupape destiné à obturer de façon étanche la lumière longidutinale 27 d'écoulement de la tige 25. La partie extrême plus basse 28 de la tige 25 porte l'élément de travail 14, tel qu'un trépan de forage. La lumière longitudinale centrale 27 de l'élément de la tige s'étend donc sur toute la longueur de la tige 25, communiquant avec une lumière 29 de l'élément de travail 14. Lorsqu'un fluide s'écoule vers le bas dans l'outil 10 et plus particulièrement à travers la chambre 16 et dans la lumière 27 de la tige 25, l'écoulement peut également communiquer avec la lumière 29 de l'élément de travail 14 et s'écouler dans cette lumière 29, l'écoulement sortant du trépan ou de l'élément de travail 14 en entraînant à l'écart des débris de coupe produits pendant le forage ou d'opérations analogues. La position de l'outil 10 sur la figure 1 illustre la position d'impact dans laquelle le corps 11 repose sur le trépan 14, l'épaulement annulaire 11C du corps 11 reposant sur l'épaulement annulaire 32 d'un accouplement 35. La partie extrême la plus basse de l'élément d'accouplement 35 est élargie au-dessous de l'épaulement 32. L'accouplement 35 ne permet au trépan 14 de tourner que dans le sens des aiguilles d'une montre durant le fonction- nement, comme vu depuis le dessus. Cette rotation serre également tous les assemblages filetés de l'appareil à outil 10. La figure 2 représente une position "sous pression". Un fluide sous pression entre dans la chambre 13 par l'intermédiaire de l'orifice 12 (voir flèches 40 sur la figure 2) et oblige le corps 11 à s'élever par rapport à la tige 25 et au trépan 14. Lorsque l'élément 11 commence son mouvement vers le haut, le poids du train de tiges est supporté par le corps 11, par l'intermédiaire de la tige 25 et du trépan 14, jusqu'à la surface de forage. Durant cette course de montée, l'élément 35 est déchargé et l'accouple- ment permet à l'élément 35 de tourner dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre autour de l'élément de tige 25, au moyen de fentes hélicoidales 50 et de broches 60. L'épaulement inférieur 11C du corps 11 est à présent espacé de l'épaulement annulaire supérieur 32 de l'accouplement 35. Dans la position de la figure 2, le ressort hélicoidal 24 est complètement comprimé et l'élément à soupape 20 ne peut pas se déplacer davantage dans le sens de la flèche 41 par rapport au corps 11 car le ressort hélicoïdal 24 est totalement comprimé, sur le dessus, par l'épaulement 42 de l'élément à soupape 20, et sur le dessous, par l'épaulement annulaire 43 de la partie tubulaire 13. Du fait de la présence du fluide sous pression à l'intérieur de la chambre à fluide 16, le corps ll continue de monter, entraînant avec lui l'élément à soupape 20, et il s'écarte de la tige 25 jusqu'à ce que l'obturation réalisée au siege 23 soit rompue. La soupape se déplace avec le manchon 11 et l'extrémité inférieure 22 de la soupape 20 se soulève de l'élément supérieure 26 de la tige 25, rompant l'obturation étanche réalisée en 23 afin que le fluide contenu a l'intérieur de la chambre 16 puisse à présent être déchargé librement en passant par la lumière longitudinale d'écoulement 27 de la tige (fi- gure 3). La fente diagonale ou hélicoïdale 50 du manchon 35A de l'accouplement a tourné sur la broche 60 qui est reliée à la partie tubulaire 13 du corps 11 et qui, plus particulièrement, fait saillie de sa partie de paroi annulaire 15. Le fluide sous pression contenu dans la chambre 16 sort de l'outil 10 en passant par la lumière longitudinale 27 de la tige et la lumière 29 de l'élément de travail 14. Cette sortie du fluide sous pression aide à évacuer les débris de coupe de la zone de forage. Lorsque la pression à l'intérieur de la chambre 16 de l'outil s'équilibre avec la pression extérieure, rien n'empêche le poids complet du train de tiges de pousser le corps 11 vers le bas. Pendant que le corps 11 descend comme indiqué par les flèches 44 sur la figure 3, le goujon 60 se déplace dans la fente hélicoïdale 50 du manchon 35A, ce qui fait tourner le trépan ou élément de travail 14. L'accouplement 35 est un accouplement à un seul sens de rotation, qui ne permet au trépan 14 de tourner que dans le sens des aiguilles d'une montre. L'accouplement 35 (figure 5) utilise plusieurs petits éléments de came rapprochés C. Ces éléments de came C de l'accouplement unidirectionnel sont disponibles dans le commerce. Les cames C présentent des surfaces plates supérieure et inférieure, et se logent dans un évidement 35B. Chaque came C présente une surface verticale 71 s'étendant radialement, qui est plus grande que sa surface radiale verticale opposée 70. Chaque came présente une surface verticale arrondie, intérieure, plus petite 72 et une surface verticale arrondie extérieure plus grande 73. La surface arrondie extérieure comporte donc un bec de blocage 74 qui se bloque contre la surface de l'évidement 35B lors d'une rotation dans un sens. Cependant, lors d'une rotation dans le sens opposé, le bec de blocage 74 tourne vers la tige , de sorte, que le blocage cesse et qu'une rotation est permise. Une particularité de l'invention est qu'une rotation du trépan a donc lieu avant la mise en charge du trépan par le corps et le train de tiges. On notera sur la figure 3 que, pendant que le goujon 60 descend le long de la fente hélicoïdale 50, une rotation du trépan a lieu. Ce n'est que lorsque l'épaulement annulaire inférieur llC du corps 11 frappe l'épaulement annulaire supérieur 32 de l'accouplement 35 que l'impact est transmis du corps 1l et du train de tiges directement à l'élément de travail 14 (voir figure 4). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'outil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Outil de puits à utiliser avec un train de tiges allongé qui peut charger l'outil lui transmettant un impact, et avec une lumière d'écoulement destinée à transmettre la pression d'un fluide à l'outil, ce dernier étant caractérisé en ce qu'il comporte: a) un corps (11) ayant des moyens pour raccorder l'outil en communication de fluide avec l'ex- trémité inférieure d'un train de tiges et définissant au moins une chambre à fluide (16) destinée à recevoir la pression d'un fluide transmise à celui-ci par le train de tiges; b) un moyen à tige tubulaire (25) parcouru par un canal d'écoulement (27) communiquant avec la chambre à fluide, la tige étant reçue télescopiquement dans le corps afin d'exécuter un mouvement alternatif par rapport à lui et de venir en contact d'obturation avec lui, entre une première position "sous pression" non en charge et une seconde position "d'impact" en charge; c) un élément de travail (14), recevant des impacts, relié à une extrémité (28) du moyen à tige afin d'exécuter ledit mouvement relatif avec lui entre les première et seconde positions, un impact étant transmis à cet élément de travail dans la seconde position d'impact; d) un moyen à soupape (20) porté par le corps afin de commander la pression de fluide dans la chambre à fluide durant un mouvement alternatif entre les première et seconde positions, le moyen à soupape pouvant intervenir pour relâcher la pression de fluide en réponse à un mouvement prédéterminé du moyen à tige par rapport au corps, permettant un mouvement relatif du moyen à tige et du corps jusque dans la seconde position "d'impact"; e) un moyen de rappel (24) disposé dans la chambre et rappelant le moyen à soupape vers une position fermée lorsque l'élément à tige et le corps sont dans la première position non en charge; et f) un moyen (35) réalisant une interface entre le corps et le moyen à tige pour faire tourner l'élément de travail durant le mouvement relatif du corps et du moyen à tige, au moins entre la première position "sous pression" et la seconde position "d'impact". 2. Outil de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'interface comprend un accouplement (35) destiné à faire tourner l'élément de travail dans un sens. 3. Outil de puits selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen à interface comprend un accouplement (35) disposé concentriquement entre le corps et le moyen à tige pour faire tourner l'élément de travail lorsque le corps et le moyen à tige se déplacent l'un par rapport à l'autre. 4. Outil de puits selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'accouplement comprend un élément tubulaire (35A) présentant une ou plusieurs fentes héli- coïdales (50), s'étendant longitudinalement, qui définis- sent un chemin pour un nombre correspondant de broches (60) reliant chacune le corps à la tige tubulaire. 5. Outil de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'interface fait tourner l'élément de travail lorsque ce dernier n'est pas en charge. 6. Outil de puits selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de travail est mis en rotation avant d'être mis en charge avec le train de tiges. 7. Outil de puits selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen à tige tubulaire est logé à l'intérieur du corps et le moyen d'interface est disposé concentriquement entre le corps et le moyen à tiges. 8. Outil de puits selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen d'interface comprend un accouplement tubulaire ayant une extrémité inférieure élargie (32) qui s'enclenche avec le corps à la suite d'un impact transmis à l'élément de travail. 9. Outil de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à soupape comprend un élément de soupape tubulaire (20) parcouru par un orifice longitudinal à fluide, une partie extrême communiquant avec la chambre à fluide et une seconde partie extrême (22) placée de façon à former une obturation étanche au fluide avec le moyen à tige tubulaire pour arrêter l'écoulement d'un fluide dans ce dernier. 10. Outil de puits selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen à tige tubulaire est une tige allongée, globalement cylindrique, parcourue par un canal central (27) d'écoulement qui est en communication de fluide avec l'élément de travail. 11. Outil de puits commandé, à impact, à utiliser avec un train de tiges tubulaires allongées présentant une lumière centrale d'écoulement pour canaliser un fluide sous pression vers l'outil, ce dernier étant caractérisé en ce qu'il comporte: a) un corps d'outil allongé (11), s'étendant longitudinalement, muni de moyens pour être raccordé au train de tiges; b) une chambre à fluide (16) dans le corps d'outil, en communication de fluide avec la lumière du train de tiges; c) une tige (25) pouvant effectuer un mouvement alternatif à l'intérieur du corps de façon télescopique, la tige ayant une partie extrême inférieure (28) destinée à porter un élément de travail (14) tel qu'un trépan de forage; d) un moyen à soupape (20) sensible à la pression destiné à commander le mouvement relatif de la tige et du corps; et e) un moyen d'accouplement (35) destiné à faire tourner l'élément de travail durant un mouvement relatif de la tige et du corps. 12. Outil de puits selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen d'accouplement comprend un manchon (35A) présentant une ou plusieurs fentes (50), un nombre correspondant de broches (60) étant alignées avec les fentes. 13. Outil de puits selon la revendication 12, caractérisé en ce que les fentes sont des fentes hélicoida- les, s'étendant longitudinalement. 14. Outil de puits selon la revendication 11, caractérisé en ce que la tige présente une lumière longitudinale (27). 15. Outil de puits selon la revendication 14, caractérisé en ce que le moyen à soupape est mobile entre des positions sous pression et d'impact, le moyen à soupape arrêtant l'écoulement de fluide vers l'élément de travail dans la position sous pression et permettant l'écoulement d'un fluide vers l'élément de travail, par l'intermédiaire de la lumière de la tige, dans la position d'impact.