Brevet FR2711727A1 — publié le 19950505

La présente invention concerne un outil à piston rotatif destiné à être utilisé dans un puits de forage pour actionner d'autres composants du puits, tels que des outils d'orientation, des garnitures d'étanchéité et des manchons coulissants. Dans son utilisation en tant qu'outil d'orienta- tion, la présente invention est particulièrement utile dans un tubage enroulé pour l'orientation d'un ensemble inférieur évidé placé au fond, qui est constitué par un élément coudé, un moteur d'orientation et un trépan raccordé à la partie inférieure du tubage enroulé. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un outil mécanisé rotatif utilisable dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il comporte un corps circulaire allongé comportant un logement intérieur traversant le corps dans la direction longitudinale, une plaque fixe qui s'étend radialement entre le logement et le corps, un piston rotatif aligné horizontalement avec la plaque et qui s'étend entre le logement et le corps et peut tourner autour du logement, et une canalisation de commande hydraulique qui s'étend dans la direction longitudinale à l'intérieur du corps, jusqu'à une position située entre la plaque et le piston, de manière à faire tourner le piston autour du logement longitudinal. Selon une autre caractéristique de la présente invention, il est prévu des moyens pour réactiver le pis- ton. De préférence, ces moyens de réactivation incluent des moyens formés par un ressort de torsion. Selon une autre caractéristique de la présente invention, il est prévu des moyens en forme de soupapes placés dans la canalisation de commande hydraulique pour l'admission d'un fluide servant à actionner le piston et pour l'évacuation du fluide à partir du piston, pour un réarmement facile de ce dernier. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu des moyens contrôlant la position en rotation du piston, afin de commander son fonctionnement. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un corps allongé circulaire possédant un logement intérieur traversant longitudinalement le corps, un mandrin pouvant tourner dans le corps et s'étendant hors de ce dernier pour entraîner en rotation un outil destiné à être utilisé dans le puits de forage, une plaque fixe qui s'étend radialement entre le logement et le corps, un piston rotatif qui s'étend entre le logement et le corps et peut tourner autour de l'alésage délimité par le logement, ledit piston étant raccordé au mandrin, ce qui a pour effet que le mouvement de rotation du piston fait tourner le mandrin, et une canalisation de commande hydraulique qui s'étend longitudinalement à l'intérieur du corps jusqu'à une position située entre la plaque et le piston, pour faire tourner le piston. L'outil comprend des moyens pour armer le piston et de préférence comprend des moyens en forme de soupapes pour admettre et évacuer le fluide à partir de la canalisation de commande hydraulique en direction et à partir du piston. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'outil d'orientation comprend des premiers moyens à cli- quet permettant la réactivation du piston, et des seconds moyens à cliquet raccordés aux premiers moyens à cliquets et au mandrin de manière à maintenir le mandrin dans sa position en rotation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures lA, lB, 1C, lD, 1E sont les parties d'une même figure, qui se succèdent entre elles et en formant une vue en élévation, en coupe partielle, montrant un outil d'orientation mettant en oeuvre la présente invention; - la figure 2 représente une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 2-2 sur la figure lA; - la figure 3 représente une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 3-3 sur la figure lB; - la figure 4 représente une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 4-4 sur la figure lB; - la figure 5 est une vue prise suivant la ligne -5 sur la figure 2; - la figure 6 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 6-6 sur la figure lB; - la figure 7 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 7-7 sur la figure lC; - la figure 8 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 8-8 sur la figure lD; - la figure 9 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 9-9 sur la figure lD; - la figure 10 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 10-10 sur la figure lD; - la figure 11 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 11- 11 sur la figure lE; - la figure 12 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 12-12 sur la figure lE; - la figure 13 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 13-13 sur la figure lE; - la figure 14 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 14-14 sur la figure lE; - la figure 15 est une vue de bout en plan du piston rotatif selon la présente invention; - la figure 16 est une vue en élévation latérale du piston de la figure 15; et - la figure 17 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 17- 17 sur la figure lB et représentant une soupape facultative destinée à être utilisée dans certaines applications. On notera que certaines caractéristiques des dessins sont représentées dans une position décalée par rapport à leur position réelle, pour conserver la clarté du dessin. Bien que l'outil à piston rotatif selon la présente invention, destiné à être utilisé dans un puits de forage, puisse être utilisé pour actionner différents types d'outils destinés à être utilisés dans un puits de forage, comme par exemple des garnitures d'étanchéité et des manchons coulissants, la présente invention peut être décrite, uniquement à titre d'illustration, comme étant utilisée dans un outil d'orientation. En se référant maintenant aux dessins et en particulier aux figures lA-lE, le chiffre de référence 10 désigne d'une manière générale un outil d'orientation qui utilise le piston rotatif selon la présente invention. L'outil d'orientation 10 est particulièrement utile pour être fixé à un tube ou tubage enroulé (non représenté) de manière à être actionné en tant que système pousseur dans un puits de forage comme cela est décrit dans la demande de brevet américain numéro de série 07/963864 déposé le 20 Octobre 1992 et qui est incorporé ici en référence, pour réaliser le forage d'un puits de forage dévié. L'outil d'orientation 10 comprend un corps cylin- drique allongé 12 possédant un perçage fermé 14 de passage du fluide, qui traverse longitudinalement le corps 12. Le perçage 14 est entouré par le logement 16 et sert au passage de fluides utilisés dans le puits de forage, comme par exemple des fluides de forage. L'outil d'orientation 10 peut également comporter un mandrin 18 apte à tourner dans le corps 12 et ressortant à la partie inférieure du corps 12 de manière à entraîner en rotation un outil destiné à être utilisé à l'intérieur du puits, comme par exemple un dispositif pousseur de puits (non représenté) de manière à orienter un ensemble classique travaillant au fond, qui comprend, comme cela est usuel, un élément coudé, un moteur fluidique et un trépan. En se référant maintenant aux figures 1C, lD, 7, 8, 15 et 16, on voit qu'un piston hydraulique rotatif 20 est positionné, de manière à pouvoir tourner, dans le corps 12 entre le logement 16 de circulation du fluide et l'intérieur du corps 12. Comme cela est mieux visible sur les figures 15 et 16, le piston annulaire peut être constitué de préférence, pour des questions d'installa- tions, de deux parties 20a et 20b, qui sont réunies l'une à l'autre par une pluralité d'éléments de fixation, tels que des boulons 22. Une plaque ou paroi fixe 24 s'étend radialement entre le perçage ou logement 16 et le corps 12. Des moyens d'étanchéité de piston 26 établissent une étan- chéité de piston entre le logement 16 et le corps 12. Comme cela est mieux visible sur la figure 8, le p iston possède, comme cela est représenté, une course maximale de déplace- ment en rotation de 125'. Le piston tourne sous l'effet de l'application d'une pression hydraulique délivrée par une canalisation à commande hydraulique 78, comme cela sera décrit plus loin d'une manière plus détaillée et s'étend jusqu'à une position située entre le premier côté 21 du piston 20 et la plaque fixe 24. De préférence, la face du premier côté 21 du piston 20 comprend un renfoncement 28 servant à ménager un espace entre le piston 20 et la plaque fixe 24. Le piston rotatif selon la présente invention est utile pour d'autres types d'outils utilisables dans des puits de forage, étant donné qu'il présente plusieurs avantages par rapport à des pistons d'outils destinés à être utilisés dans un puits de forage, qui sont actionnés longitudinalement. Tout d'abord, la surface effective d'un piston déplaçable longitudinalement est limitée par le diamètre du corps 12. Cependant, le piston rotatif 20 selon la présente invention peut être réalisé avec une longueur quelconque souhaitable et par conséquent avec n'importe quelle surface souhaitable de manière à produire une force de sortie supérieure avec une pression hydraulique réglée. En second lieu, le frottement du piston rotatif 20 est minimum étant donné que le frottement de ce piston est celui du joint d'étanchéité 26 et que par conséquent son couple de sortie peut être garanti d'une manière plus précise. En troisième lieu, le piston rotatif 20, bien qu'exécutant déjà un mouvement de rotation, ne requiert aucun composant additionnel ni aucun composant produisant un frottement pour transformer un déplacement longitudinal en un déplacement rotatif comme dans d'autres outils utilisables dans des puits de forage. Le piston rotatif particulier 20 tel que représenté s'étend angulairement sur environ 180', ce qui permet d'obtenir une action de support plus importante. Cependant, on peut également utiliser d'autres dimensions dans le sens circonférentiel. Pour convertir le mouvement de rotation du piston 20 en un entraînement de rotation pour le mandrin 18, le piston 20 comporte un raccordement arrière 30 (figures 1D et 16) servant à entraîner en rotation une cage 32 (figures 1D et 9) qui porte une pluralité de clavettes à cliquet 34, qui peuvent être repoussées élastiquement en contact avec une roue à rochet 36, au moyen de ressorts 37. De ce fait, comme cela est mieux visible sur la figure 9, une rotation de la gorge 32 dans le sens des aiguilles d'une montre entraîne les clavettes à cliquet 34, ce qui fait tourner la roue à rochet 36. La roue à rochet 36 est raccordée à une seconde roue à rochet 38 (figures 1D et 10), qui à son tour est raccordée au mandrin 18 au moyen de cannelures 40 et de renfoncements 41. Cependant, comme cela a été indiqué précédemment, le piston rotatif 20 selon la présente invention ne tourne pas sur un angle complet de 360' et dans l'exemple donné, tourne seulement sur 125'. C'est pourquoi, comme cela est mieux visible sur les figures 1D et 9, il est prévu un ressort de torsion 42 dont une extrémité est raccordée au corps 12 et dont la seconde extrémité 46 est raccordée au piston 20 pour réactiver ce dernier. C'est-à-dire qu'un fluide hydraulique est appliqué au piston 20 de manière à l'entraîner en rotation, ainsi que pour vaincre l'action du ressort 42, jusqu'à ce que le piston ait tourné sur sa plage complète de rotation, ici 125 C. L'application du fluide hydraulique au piston 20 est alors interrompue et ce fluide est de préférence évacué, comme cela sera décrit plus loin de façon plus complète, ce qui permet le réarmement du ressort 42 pour permettre des mouvements de rotation additionnels. De même, tous les fluides du puits de forage contenus dans le corps 12 agissent sur la seconde face 23 du piston 20 en contribuant à ramener ce dernier dans sa position initiale. Une rotation du piston 20, de la cage 32 et des clavettes à cliquet 34 dans un mode de réactivation permet aux clavettes 34 de se déplacer en sens inverse des aiguilles d'une montre comme cela est visible sur la figure 9 de manière à circuler par-dessus la première roue à rochet 36 sans modifier la position en rotation de cette première roue à rochet 36, ni de la seconde roue à rochet 38. De préférence, la roue à rochet 38 est retenue dans sa direction d'avance ou dans le sens des aiguilles d'une montre, comme cela est mieux visible sur la figure 10, par un bloc 48 repoussé par un ressort 49 de manière à engrener avec la roue à rochet 38. Par consé- quent, le piston 20 peut être réactivé chaque fois qu'il atteint l'extrémité de sa course de déplacement en rotation, tandis que le mandrin 18 est retenu en position et attend un mouvement de rotation supplémentaire, si cela est requis, de la part du piston 20. En se référant maintenant aux figures 1C et 7, on voit que la position en rotation du piston 20 peut être assurée par n'importe quel dispositif approprié de mesure de rotation, comme par exemple un capteur magnétique 50, qui détecte des segments magnétiques 51 positionnés sur la partie supérieure du piston 20. En se référant maintenant à la figure lA, on y voit d'une meilleure façon la partie supérieure du corps d'orientation 12, qui peut comporter un raccord 26 pour la fixation classique à l'extrémité inférieure d'un tube enroulé classique. En outre, il est prévu une canalisation de commande hydraulique 60 et un câble électrique 62, du type s'étendant par exemple à l'intérieur du tube enroulé. La canalisation de commande hydraulique 60 fournit le fluide hydraulique pour actionner l'outil d'orientation 10, à un dispositif de poussée (non représenté) situé dans le puits. Le câble électrique 62 comprend une ou plusieurs lignes électriques dont l'une, la ligne 64, traverse l'outil d'orientation 10 et différents outils supplémentaires situés au fond du trou, pour envoyer une information à la surface. De même, l'une des lignes électriques 66 peut être raccordée à une cellule de charge 68 pour contrôler le flambement. Une autre des lignes électriques 65 est raccordée à et actionne un moteur électrique 63 (figure 5). La canalisation hydraulique 60 envoie un fluide hydraulique à une soupape 74 pour permettre la transmission du fluide hydraulique par une canalisation hydraulique 76 à un dispositif de poussée ins- tallé dans le puits ou, sinon, à une canalisation hydrau- lique 78 de manière à envoyer un fluide au piston hydrau- lique annulaire 20 situé dans l'outil d'orientation 10. En se référant aux figures 1E et 13, on y voit représenté un contact électrique rotatif situé dans la ligne électrique 64 et qui est établi lorsque le corps d'orientation 12 tourne. C'est-à-dire que la ligne électrique 66 comprend une bague 80 qui s'étend sur 360' et un contact 82 chargé par un ressort et qui s'applique contre la bague 80. En se référant maintenant à la figure 17, on peut utiliser une soupape 110 dans la canalisation 17-17 de la figure lB pour envoyer ou évacuer un fluide hydraulique à partir de la canalisation hydraulique 60, qui réalise une alimentation en fluide hydraulique par l'intermédiaire de 78, qui agit contre une première face 21 du piston 20. C'est-à-dire que si le fluide de forage descend dans le perçage 14 de l'outil d'orientation 20 en appliquant une pression hydrostatique supérieure à la pression hydrostatique du fluide de commande hydraulique situé dans la canalisation 18, on peut supprimer la soupape 110. C'est-à-dire que, étant donné que le fluide hydraulique agit sur une seconde face 23 du piston 20, ce dernier sera rétracté lorsque la pression du fluide hydraulique appliquée à la première face 21 du piston 20 diminuera. Cependant, dans le cas o le fluide de forage est de l'air, l'air ne présente pas une pression hydrostatique suffisante pour amener le piston rotatif 20 dans une position de départ et pour vaincre la pression hydrostatique du fluide de commande hydraulique présent dans les canalisations 60 et 78 et agissant sur la première face 21 du piston 20. Dans un tel cas, la soupape 110 est en communication avec la canalisation hydraulique 60 et comprend un premier ressort 112 repoussant une tige 114 vers le bas de manière à écarter un élément de soupape 116 par rapport à un siège de soupape 118. La soupape 110 comporte également un second ressort 120 agissant contre un élément de soupape à bille 122 en amenant cette dernière contre un siège 124 de manière à fermer un passage 126. Lorsqu'une quantité suffisante du fluide de commande hydraulique est présente dans la canalisation 60, la soupape à bille 122 s'écarte du siège 124 et l'élément de soupape 116 s'applique contre le siège 118 et le fluide de commande hydraulique circule dans une canalisation 130 jusqu'au piston 20. Cependant, lorsque l'envoi du fluide hydraulique est interrompu dans la canalisation 60, les ressorts 112 et 120 sont suffisamment robustes pour vaincre la pression hydrostatique présente dans la canalisation 60 et obturer le passage 126 en direction du piston 20 et également aérer la première face 21 du piston 20, par l'intermédiaire du siège de soupape 118, en direction de l'extérieur du corps 12. De ce fait, l'aération du fluide hydraulique dans la canalisation de commande à partir du piston 20 permet au ressort de rappel 142 de réactiver le piston 20 en dépit d'une pression hydrostatique existant dans la canalisation de commande hydraulique. Par conséquent, la présente invention est bien adaptée pour atteindre les objectifs indiqués et fournir les avantages mentionnés précédemment. Bien que l'on ait décrit la forme de réalisation actuellement préférée de l'invention dans le cadre de la description, on peut apporter de nombreux changements et modifications aux détails de construction et d'agencement sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Outil mécanisé rotatif utilisable dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il comporte un corps cylindrique allongé (12) comportant un logement intérieur (16) traversant le corps dans la direction longitudinale, une plaque fixe (24) qui s'étend radialement entre le logement (16) et le corps (12), un piston rotatif (20) aligné horizontalement avec la plaque et qui s'étend entre le logement (16) et le corps (12) et peut tourner autour du logement (16), et une canalisation de commande hydraulique (60) qui s'étend longitudinalement à l'intérieur du corps (12), jusqu'à une position située entre la plaque et le piston (20), de manière à faire tourner le piston autour du logement longitudinal (16). 2. Outil utilisable dans un puits de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (42;142) pour réactiver le piston. 3. Outil destiné à être utilisé dans un puits de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de réactivation comprennent des moyens formant ressort (42). 4. Outil destiné à être utilisé dans un puits de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens en forme de soupape (74;110) situés dans la canalisation de commande hydraulique (60) pour admettre et évacuer un fluide à partir du piston (20). 5. Outil destiné à être utilisé dans un puits de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour contrôler la position en rotation du piston (20). 6. Outil destiné à être utilisé dans un puits de forage pour réaliser l'orientation en rotation (10) d'un outil destiné à être utilisé dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il comporte un corps allongé cylindrique (12) possédant un logement (16) intérieur traversant longitudinalement le corps, un mandrin (18) pouvant tourner dans le corps (12) et s'étendant hors de ce dernier pour entraîner en rotation un outil destiné à être utilisé dans le puits de forage, une plaque fixe (24) qui s'étend radialement entre le logement (16) et le corps (12), un piston rotatif (20) qui s'étend entre le logement (16) et le corps (12) et peut tourner autour du perçage (14) délimité par le logement, ledit piston étant raccordé au mandrin (18), ce qui a pour effet que le mouvement de rotation du piston (20) fait tourner le mandrin, et une canalisation de commande hydraulique (60) qui s'étend longitudinalement à l'intérieur du corps jusqu'à une position située entre la plaque (24) et le piston (20). 7. Outil d'orientation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (42;142) pour réactiver le piston. 8. Outil d'orientation selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de réactivation compren- nent un ressort de torsion (42). 9. Outil d'orientation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens en forme de soupape (74;110) situés dans la canalisation de commande hydraulique (60) pour l'admission et l'évacuation d'un fluide à partir du piston (20). 10. Outil d'orientation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour contrôler la position du piston (20). 11. Outil d'orientation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens à cliquet (36) permettant la réactivation du piston, et des seconds moyens à cliquet (38) raccordés aux premiers moyens à cliquet (34) et au mandrin (18) de manière à maintenir le mandrin (18) dans sa position en rotation.