Brevet FR2718241A1 — publié le 19951006

La présente invention se rapporte à un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage. Lors d'un forage pétrolier, de la boue sous pression est envoyée de la surface au fond du puits par l'intérieur de la garniture de forage, puis la boue remonte à la surface par l'espace annulaire défini entre la garniture et la paroi du puits. La boue de forage est destinée à lubrifier et à refroidir l'outil de forage qui est mis en rotation au fond du puits. Elle sert également à remonter à la surface les déblais. Enfin, la boue a pour fonction de tenir le puits en pression afin d'éviter des venues intempestives de divers éléments susceptibles d'être présents sous pression dans le puits. Les boues de forage peuvent être à base d'huile ou d'eau. Cependant, on a tendance à remplacer les boues à huile, qui présentaient l'avantage d'avoir un haut pouvoir lubrifiant, par des boues à base d'eau pour des raisons d'environnement. Il convient, donc, d'améliorer le caractère lubrifiant d'une boue à eau en ajoutant des additifs. Afin de pouvoir sélectionner les additifs les plus aptes à améliorer les caractéristiques d'une boue à eau, il est nécessaire de connaître son comportement dans les conditions de haute pression et haute température qui règnent au fond d'un puits de forage. La roche qui entoure un puits de forage est généralement poreuse, ce qui a pour résultat que les constituants liquides de la boue tendent à pénétrer dans la roche, laissant les particules solides former un dépôt sur la paroi du puits. La présence de ce dépôt de boue peut être nuisible pour l'avancement du forage pour deux raisons. Lors du forage, il arrive que la garniture de forage, et plus particulièrement les masses tiges qui sont de diamètre supérieur, viennent frotter contre la paroi du puits o la présence du dépôt de boue tend à freiner la rotation de la garniture. Ceci a pour résultat une abrasion et un échauffement de la garniture de forage et une consommation d'énergie plus importante pour maintenir la garniture en rotation. En outre, lorsque la garniture cesse de tourner pendant une durée prolongée, il peut arriver qu'un phénomène de coincement d'une partie de la garniture se produise dans ce dépôt de boue. Afin de libérer la garniture, il est nécessaire de lui appliquer un certain effort de traction et un couple. Un appareil d'analyse des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage doit permettre de tenir compte, voire même de reproduire ces divers phénomènes. On connaît un appareil destiné à mesurer l'effort nécessaire pour libérer une tige précédemment coincée dans un dépôt de boue créé sur une surface intérieure de l'appareil. La tige est appliquée sur le dépôt avec une force, et pendant une durée, prédéterminées, puis la force nécessaire pour libérer la tige est mesurée. Cependant, les capteurs de mesure étant disposés sur la tige en dehors de l'enceinte de l'appareil, le frottement engendré sur la tige par les joints d'étanchéité a un effet important sur les mesures prises. La présente invention a, donc, pour objet un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage qui autorise une précision de mesure accrue tout en permettant de recréer les conditions de température et de pression existant en fond des puits. Pour ce faire, l'invention propose un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage comprenant une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour une boue à analyser, un sabot de mesure monté à l'intérieur de l'enceinte et destiné à être mis en rotation, et au moins un capteur de mesure apte à mesurer les contraintes générées lors d'un contact entre le sabot et une surface intérieure de l'enceinte, caractérisé en ce que le capteur est monté à l'intérieur du sabot. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue générale, partiellement en coupe longitudinale, d'un dispositif d'analyse selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des vues de détail de la figure 1. Sur la figure 1 est représenté généralement en 10 un dispositif d'évaluation qui comprend une chambre de mesure 12 formée à l'intérieur d'une enceinte 14. L'enceinte 14 est montée entre une bride inférieure 16 et une bride supérieure 18 monté fixe sur la bride inférieure 16 par des colonnes 20 disposées symétriquement autour de l'enceinte 14. L'enceinte 14 est munie, à chaque extrémité d'une collerette radiale 22, 24, chacune comportant des joints 26 d'étanchéité. Ces joints 26 assurent l'étanchéité de la chambre de mesure 12 en venant en contact intime avec deux surfaces planes 28, 30 disposées respectivement sur le support inférieur 16 et le support supérieur 18 (voir la figure 2). L'enceinte 14 est destinée à être déplacée, tout en maintenant l'étanchéité de la chambre 12, entre la bride inférieure 16 et la bride supérieure 18, sous l'effet d'un vérin 32. A l'intérieur de l'enceinte 14 est monté un tube 34 en matériau poreux qui, de préférence, est un matériau fritté. La surface extérieure du tube 34 communique avec une sortie 38. Un sabot de mesure 40 est monté dans la chambre 12 sur un arbre 42 qui traverse la bride inférieure 16 de façon étanche. L'arbre 42 est destiné à être mis en rotation par un moteur 47 muni d'un engrenage 48 par l'intermédiaire d'un manchon 49 dans lequel l'arbre 42 est libre de coulisser selon son axe longitudinal. Le sabot de mesure 40 comprend un cylindre en acier monté de manière symétrique sur l'arbre 42. L'arbre 42 est muni, à son extrémité inférieure, d'un vérin 50, décalé par rapport à l'axe de l'arbre 42, et destiné à déplacer l'arbre 42, et ainsi le sabot de mesure , selon l'axe longitudinal de l'arbre 42. La bride supérieure comprend une entrée 52 de boue à analyser, définie dans un élément de fermeture 53 amovible, qui communique avec un orifice 54, de section conique, agencé pour créer un écoulement laminaire de boue autour du sabot de mesure 40 et parallèle à l'axe de l'arbre 42, vers un orifice 56 disposé dans la bride inférieure 16 qui est en communication avec des sorties 58. L'élément de fermeture 53 amovible permet un nettoyage rapide de l'appareil. Selon l'invention, le ou les capteurs destinés à fournir des mesures fonction du comportement du sabot 40 lors des expériences d'analyse sont disposés à l'intérieur du sabot 40. Les capteurs sont montés sur la surface interne du sabot 40 et sont reliés dans l'exemple illustré à un centre de mesures par un câble électrique disposé à l'intérieur de l'extrémité supérieure (en regardant les dessins) de l'arbre 42 et par l'intermédiaire d'un ensemble collecteur tournant/balai (non représentés). D'autres moyens peuvent être utilisés pour relier les capteurs à un centre de mesures, par exemple un câble fibre optique ou un ensemble émetteur-récepteur radio. Parmi les capteurs se trouvent avantageusement un capteur de l'effort radial appliqué sur le sabot 40 et un capteur de couple résistant. Le dispositif objet de l'invention est destiné à être utilisé dans les conditions de température et de pression qui règnent au fond d'un puits pétrolier o la température s'élève à environ 150 C. La présence de fluide à une telle température à l'intérieur de la chambre 12 crée un gradient de température important à travers l'enceinte 14 et les collerettes 22, 24, ce qui peut entraîner une déformation physique de celles-ci. Cette déformation aurait pour résultat d'empêcher le coulissement de l'enceinte, sous l'effet du vérin, entre les surfaces planes 28, 30. Afin d'assurer le libre coulissement de l'enceinte 14 entre les surfaces planes 28,30, celles-ci sont munies de joints composites qui, dans l'exemple illustré, sont en composite liège/élastomère. Ce type de joint permet d'absorber la dilatation thermique des pièces, ainsi que les écarts éventuels de fabrication des pièces. Comme représenté sur la figure 3, et selon un deuxième aspect de l'invention, les colonnes 20 sont adaptées pour maintenir parallèles les deux surfaces planes 28, 30 et comprennent chacune à cet effet un élément chauffant 60. Chaque élément chauffant 60 comprend une résistance électrique qui est reliée à une source de courant par l'intermédiaire d'un rhéostat (non représentés). Ainsi, en variant le courant électrique envoyé à la résistance, on peut commander la température des colonnes afin de faire varier thermiquement la longueur des colonnes. Les colonnes 20 étant disposées autour de la périphérie des surfaces planes 28, 30, on peut maintenir parallèles ces surfaces en faisant varier la longueur des colonnes afin d'assurer un libre coulissement de l'enceinte 14. La mise en oeuvre du dispositif d'analyse sera maintenant décrite. Lors de l'écoulement de la boue de forage à haute température et pression de l'entrée 52, par l'intérieur de la chambre, vers la sortie 58, une partie des constituants liquides de la boue passe à travers le tube poreux 34, sous l'effet de la pression différentielle. Les particules solides de cette partie de la boue se disposent sur la surface du tube 34. Ayant créé ce dépôt de boue à partir de la boue à analyser, on peut procéder aux expériences d'analyse. Le premier type d'expérience consiste à évaluer le frottement dynamique entre le sabot et le dépôt de boue. En présence de la boue, le sabot 40 est mis en rotation. Ensuite le vérin 32 est actionné afin de déplacer le tube poreux 14 et amener le tube poreux 34, muni du dépôt de boue, vers le sabot 40. Le début de la pénétration du sabot dans le dépôt de boue est détecté en mesurant l'effort radial, puis le sabot est enfoncé - au-delà de ce point dans le dépôt de boue. A partir de ce moment, on procède à des mesures du couple résistant et de l'effort radial. L'expérience est répétée en déplaçant l'enceinte 14 par le vérin 32 afin de faire venir une autre zone du dépôt de boue en contact avec le sabot 40. Le deuxième type d'expérience consiste à évaluer l'effort et le couple nécessaires pour libérer le sabot 40 une fois que celui-ci est coincé dans le dépôt de boue. Pour ce faire, en présence de la boue dont la circulation a été arrêtée, l'enceinte 14 est déplacée par le vérin 32 pour faire venir le tube poreux 34, muni de son dépôt de boue, en contact avec le sabot 40. Comme dans l'expérience précédente, le début de la pénétration du sabot 40 dans le dépôt de boue est détecté à partir des mesures de l'effort radial, puis le sabot est enfoncé au-delà de ce point dans le dépôt de boue. La rotation du sabot est ensuite arrêtée afin de provoquer un coincement de celui-ci dans le dépôt de boue sous l'effet de la pression différentielle qui s'applique sur ce dépôt. A partir de ce moment, on peut procéder à la mesure de l'effort nécessaire pour libérer le sabot en appliquant soit un couple, soit en déplaçant le sabot selon son axe longitudinal en actionnant le vérin 50. Ces expériences sont répétées en présence d'un tensioactif, puis, comme dans l'exemple précédent, on recommence la série de mesures en provoquant un contact entre la surface opposée du tube poreux et le sabot. Les dimensions du dispositif d'évaluation sont choisies afin de correspondre à celles d'un puits de forage. Ainsi le diamètre interne du tube poreux est 15,25 cm et le diamètre externe du sabot est soit 8,9 cm soit 12 cm. La longueur axiale du tube poreux est avantageusement 30 cm. Lors des expériences, la boue circule à une température de 1500C et sous une pression d'environ 100 bars. Le sabot est mis en rotation à une vitesse analogue à celle d'une garniture de forage, c'est-à-dire de 0 à 150 tours/minute. Comme représentée sur la figure 1, l'enceinte 14 a une forme sensiblement tubulaire, le sabot 40 ayant une forme sensiblement cylindrique s'étend à l'intérieur de l'enceinte 14 de façon que son axe longitudinal soit sensiblement parallèle à celui de l'enceinte. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage comprenant une enceinte (14) munie d'une entrée (52) et d'une sortie (58) pour une boue à analyser, un sabot de mesure (40) monté à l'intérieur de l'enceinte (14) et destiné à être mis en rotation, et au moins un capteur de mesure apte à mesurer les contraintes générées lors d'un contact entre le sabot et une surface intérieure de l'enceinte, caractérisé en ce que le capteur est monté à l'intérieur du sabot. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (32) destinés à déplacer l'enceinte (14) par rapport au sabot (40) afin de provoquer un contact entre ces derniers. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la surface intérieure de l'enceinte (14) est formée sur un tube poreux (34) disposé à l'intérieur de l'enceinte (14). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'enceinte (14) a une forme sensiblement tubulaire, le sabot (40) a une forme sensiblement cylindrique et s'étendant à l'intérieur de l'enceinte (14) de façon que son axe longitudinal soit sensiblement parallèle à celui de l'enceinte, l'enceinte (14) étant monté à coulissement étanche entre une bride inférieure (16) et une bride supérieure (18) solidaires du dispositif, le sabot (40) étant monté en rotation dans le support inférieur et le couvercle. - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens (32) pour déplacer l'enceinte (14) par rapport au sabot (40) afin de pouvoir provoquer un contact entre le sabot (40) et la surface intérieure de l'enceinte. 6 - Dispositif selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (20) pour varier l'écartement entre la bride inférieure (16) et la bride supérieure (18) afin d'assurer le libre coulissement de l'enceinte (14). 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens (20) comprennent des colonnes (20) reliant le couvercle (18) au support inférieur (16) et comportant des moyens (60) pour faire varier la longueur des colonnes. 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que les moyens (60) pour faire varier la longueur des colonnes (20) comprennent un élément chauffant (60). 9 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8 caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens (50) pour déplacer le sabot selon son axe longitudinal par rapport à l'enceinte (14).