Brevet FR2720507A1 — publié le 19951201

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. I1 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 où 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. De la demande de brevet français FR 94-03692 déposé le 29 Mars 1994, on connaît 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 et comportant un sabot de mesure libre 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, et dans lequel le capteur est monté à l'intérieur du sabot. Malgré ses avantages évidents, ce dispositif présente des inconvénients dans la mesure où la pression du fluide étudié, s'appliquant sur les colleretttes radiales qui serrent le cylindre en rotation, tend à déformer cellesci, ce qui a pour résultat d'empêcher le cylindre de tourner. 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 une rotation libre du cylindre. 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, et comportant un sabot de mesure situé à l'intérieur d'un cylindre libre 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, le capteur étant monté à l'intérieur du sabot, caractérisé en ce que il comporte une arrivée de fluide au niveau des deux surfaces annulaires situées entre le cylindre et les collerettes radiales. 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 le document FR 94-03692 - la figure 2 est une vue de détail, analogue à celle de la figure 1, d'un dispositif d'analyse selon l'invention. 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. Un cylindre 15 situé dans l'enceinte 14 est monté entre une bride inférieure 16 et une bride supérieure 18. Cette bride supérieure 18 est montée fixe sur la bride inférieure 16 par des colonnes 20 disposées symétriquement autour de l'enceinte 14. Le cylindre 15 est libre en rotation entre deux collerettes radiales 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 la bride inférieure 16 et la bride supérieure 18. Le cylindre 15 est destiné à être déplacé, 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 40, 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. Une pression importante exercée par le fluide au contact entre la collerette radiale 22 et la bride supérieure 18 entraîne par réaction un contact entre cette collerette radiale 22 et le cylindre 15, ce qui gène, et va jusqu'à bloquer, la rotation de ce cylindre. Il est impossible de diminuer la pression entre deux mesures successives car cela pourrait endommager le dépôt de boue qui doit être produit et maintenu en pression. Sur la figure 2 est représenté en détail, un dispositif d'évaluation selon l'invention, qui inclue des dispositifs d'arrivée de fluide, 100 et 110 percés dans les collerettes respectives 22 et 24. Des espaces annulaires 120 et 125 séparent le cylindre 15 des collerettes radiales 22 et 24. L'écoulement du fluide à analyser s'effectue à haute température, près de 1500C, et haute pression, environ 100 bars, de l'entrée 52, par l'intérieur de la chambre de mesure 12, vers la sortie 58. Cette pression s'applique au niveau des surfaces 130 et 140 des collerettes radiales respectives 22 et 24, et serre par déformation ces collerettes sur le cylindre 15. Selon l'invention, afin d'éviter cette déformation, on fait parvenir, à travers les conduits 100 et 110, du fluide sous pression jusqu'à des surfaces 150 et 160 formées respectivement dans les collerettes radiales 22 et 24, afin de créer une force s'opposant à celle s'appliquant sur les surfaces 130 et 140 des collerettes 22 et 24. 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 du cylindre 15, sous l'effet du vérin 32, entre les surfaces planes 28, 30. Afin d'assurer ce libre coulissement, les surfaces planes 28 et 30 sont munies de joints composites 26 en viton, très peu compressibles, qui, dans des dispositifs de petites dimensions peuvent posséder une mousse de liège assurant l'étanchéité. La mise en pression par les conduits 100 et 110 assure l'étanchéité du système au niveau des surfaces 28 et 30. Des joints 27, qui possèdent une partie torique ayant un rôle de ressort et une partie assurant l'étanchéité, sont utilisés entre les collerettes 22/24 et le cylindre 15 pour des raisons d'étanchéïté avec l'extérieur et pour éviter que les deux fluides arrivant par 100/110 et 52 ne se mélangent. Les jeu formés par les espaces annulaires 120 et 125, situés entre les collerettes 22/24 et le cylindre 15, au niveau des surfaces 150 et 160, est variable et dépend du volume de fluide à injecter, sa viscosité et de la variation de température et du coefficient de dilatation. De préférence, le fluide introduit par les conduits 100 et 110 est identique et à la même pression que le fluide étudié, car les surfaces d'application des forces entre le cylindre 15 et les collerettes radiales 22/24 sont de même dimension. Le fluide introduit dans les espaces annulaires 120 et 125 peut être différent de celui étudié puisque les joints 27 empêchent les fluides de communiquer. Les deux fluides différents peuvent avantageusement être reliés par un ensemble piston/cylindre dont le cylindre sépare, de manière étanche, les deux fluides. Cet agencement permet d'avoir le deuxième fluide à la même pression que le premier. On pourrait également effectuer un piquage unique dans le cylindre 15 qui communiquerait avec les surfaces 150 et 160 par des conduits longitudinaux. Un tuyau flexible permettrait de relier le piquage unique à la source de fluide sous pression. On peut envisager de faire varier les surfaces relatives 150 sur 130 et 160 sur 140 afin que la pression exercée par le fluide introduit dans les conduits 100 et 110 contre-balance, au moins en partie le poids des collerettes radiales, poids qui peut s'avérer important. 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, et comportant un sabot de mesure (40) situé à l'intérieur d'un cylindre (15) libre 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, le capteur étant monté à l'intérieur du sabot, caractérisé en ce que il comporte une arrivée de fluide au niveau des deux surfaces annulaires situées entre le cylindre et les collerettes radiales. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arrivée de fluide comprend un piquage (100, 110) par collerette radiale (22, 24). 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arrivée de fluide comprend un piquage unique à travers le cylindre (15). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'arrivée de fluide est en communication hydraulique avec la source de boue a analyser.