Brevet FR2743843A1 — publié le 19970725

La présente invention a pour objet un outil de forage, notamment pour la réalisation de forages pétroliers, présentant, au moins sur sa face frontale, des moyens de coupe. Les puits de forage, notamment de forages pétroliers, ont été, pendant fort longtemps, uniquement verticaux, d'où l'inconvénient qu'ils ne traversaient la couche pétrolifère que sur une courte distance correspondant à l'épaisseur de ladite couche. C'est la raison pour laquelle on réalise de plus en plus des puits horizontaux, voire obliques, qui ont l'avantage de cheminer dans la couche pétrolifère sur des distances très supérieures à l'épaisseur de celle-ci, ce qui améliore d'autant le rendement du puits. Il est cependant nécessaire, dans ce cas, d'opérer une déviation de la direction de forage, au départ verticale, pour amener le forage dans la direction finale désirée. Les outils de forages connus conviennent mal à de telles déviations, en particulier du fait que leur face latérale de guidage, ou de stabilisation, laquelle est cylindrique, a tendance à forcer dans le forage courbe, ce qui produit un fort freinage de l'outil. Il en résulte que, lors des forages directionnels, en déviation, l'usure de l'outil augmente alors que la vitesse d'avancement chute considérablement, jusqu'à plus de 50%. On a tenté de résoudre ce problème en réduisant la hauteur de la face cylindrique de guidage de l'outil, ce qui s' est révélé n'être qu'un palliatif. On a aussi tenté de rendre la surface de guidage cylindrique plus agressive, ce qui présente des inconvénients, notamment lors des forages droits où l'outil est alors moins bien "tenu" que ce n'est le cas lorsque la surface de guidage est lisse. Le but de la présente invention est de fournir un outil de forage qui soit particulièrement bien adapté à la réalisation de forages courbes permettant de passer d'un forage vertical à un forage oblique ou horizontal. Ce but est atteint grâce aux moyens définis dans la description qui suit. Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention. La figure 1 est une coupe d'un terrain dans lequel a été pratiqué un forage vertical suivi d'une partie courbe et qui se termine par un tronçon horizontal. La figure 2 représente un outil de forage et son moteur hydraulique d'entraînement. La figure 3 est une vue en perspective d'un outil de forage particulièrement adapté à la réalisation de forages tels que celui représenté à la figure 1, et La figure 4 est une vue schématique, en élévation, de l'outil de forage de la figure 3. Le terrain représenté schématiquement à la figure 1, comprend une couche supérieure 1, le plus généralement sédimentaire, sous laquelle se situe une couche pétrolifère 2, formée, le plus souvent de roche poreuse ou faillée. Un forage 3 est ménagé dans ce terrain. Ce forage comprend un premier tronçon 3a vertical, un tronçon courbe 3b et un tronçon horizontal 3c situé dans l'épaisseur de la couche pétrolifère 2. Grâce à cette configuration du forage, la partie de celui-ci cheminant dans la couche pétrolifère est d'une longueur très supérieure à l'épaisseur de ladite couche pétrolifère de sorte que le forage draîne beaucoup plus de pétrole et beaucoup plus rapidement que si le puits n'était que vertical, ce qui améliore d'autant son rendement. De tels forages "dirigés" sont connus en soi. Ils sont réalisés à l'aide d'agencements tels que celui illustré à la figure 2, connu en soi également, qui représente un moteur hydraulique longiforme 4 entraînant un outil de forage 5 par l'intermédiaire d'un joint orientable, du genre cardan, disposé au voisinage d'un élément de guidage 6, et qui permet d'incliner l'axe de l'outil, désigné par 7, par rapport à l'axe du moteur 4, désigné par 8. Le moteur 4 est situé à l'extrémité d'une tige de forage 9 avec interposition d'un élément de guidage 10. Lors d'un forage droit, ou rectiligne, soit l'outil 5 est placé dans l'axe du moteur, soit, si son axe est légè- rement incliné par rapport à celui du moteur, par exemple de l'angle a représenté à la figure 2, l'outil est soumis à une double rotation, l'une autour de son axe 7, entraîné par le moteur 4, l'autre autour de l'axe 8 du moteur, entraîné par la tige de forage 9 qui tourne elle aussi. L'outil travaille donc, dans ce cas, excentriquement, selon un mouvement planétaire, réalisant un forage dont le diamètre est légèrement supérieur à son propre diamètre. Si une déviation du forage est désirée, pour la réalisation d'un tronçon courbe tel le tronçon 3b de la figure 1, l'axe 7 de l'outil est légèrement incliné par rapport à l'axe 8 du moteur, mais l'outil n'est alors soumis qu'à un seul mouvement rotatif, autour de son axe 7, commandé par le moteur 4, la tige de forage 9 étant fixe en rotation et n'effectuant qu'un mouvement longitudinal d'avance, au fur et à mesure de l'avancement du forage. L'outil représenté aux figures 3 et 4, désigné d'une façon générale par 11, comprend, sur sa face antérieure, et partiellement sur sa face latérale, des protubérances de coupe 12 qui pourront être constituées par des plaquettes en carbure de tungstène, par exemple, revêtues d'une couche diamantée ou de tout autre matière dure. La face latérale, de guidage, de l'outil, indiquée en 13, que présente chacune des nervures désignées par pila, de ce dernier, qui portent les plaquettes de coupe 12, est une surface de révolution convexe. La génératrice de cette surface, indiquée en 14 à la figure 4, est un arc de cercle ayant son centre C situé sur l'axe longitudinal de l'outil, désigné par 15, de sorte que la surface 13 est formée d'un manteau de sphère.Le rayon R de la génératrice 14 sera au plus égal au rayon de coupe de l'outil, c'està-dire au rayon de sa partie de plus grand diamètre, déter miné par les plaquettes de coupe désignées par 12a, dont une seule a été représentée à la figure 4, qui sont les plus distantes de l'axe 15 de l'outil. Le centre C de la génératrice pourrait ne pas se trouver sur l'axe 15 de l'outil. I1 est à remarquer que la figure 4 est très schématique, les plaquettes de coupe 12, par exemple, ayant été représentées sur une seule nervure lia, sous une forme symbolique. La surface sphérique 13 de l'outil est formée de secteurs séparés les uns des autres par des couloirs de dégagement des débris du terrain, désignés par 16, situés entre les nervures lia. La hauteur de la surface convexe 13 correspond à la hauteur de la surface latérale de guidage cylindrique des outils conventionnels. Chaque nervure lla porte, située au centre de sa partie convexe 13, une pastille diamantée 17, ou revêtue de tout autre matériau dur, dont une seule a été représentee à la figure 4, servant à renforcer la partie de l'outil qui est en contact avec la paroi du forage. Grâce à la configuration convexe de la face latérale 13 de guidage de l'outil, le contact de cette face avec la paroi du forage, même dans les forages directionnels, courbes, ne produit aucun effet de freinage sur l'outil, de sorte que la vitesse de forage en courbe, ou déviation, n'est guère moins élevée qu'en forage droit, sa réduction n'étant que de l'ordre de 10%. La zone de la surface sphérique de l'outil en contact avec la paroi du forage varie en fonction de la courbure du tronçon courbe du forage, c'est-à-dire avec l'angle a mentionné ci-dessus. Avec les outils conventionnels à surface de guidage cylindrique, non adaptée à la courbure du forage, le risque est grand que l'outil se coince dans le forage. I1 en est de même lors du retrait de l'outil qui s'effectue beaucoup plus aisément avec l'outil selon l'invention qu'avec les outils ordinaires dont l'arête circulaire de la surface de guidage s'accroche facilement à la paroi du forage, non seulement dans les courbes, mais également dans les forages horizontaux dans lesquels, de par son propre poids, l'outil a tendance à racler contre ladite paroi. De plus, si l'outil ne reste pas parfaitement dans l'axe du forage, rectiligne ou courbe, mais oscille légèrement, en particulier en raison des vibrations auxquelles il peut être soumis, son contact avec la paroi du forage s'effectue toujours, grâce à la convexité de sa surface de guidage 13, le long d'une ligne circonférencielle et aucun coincement de l'outil ne risque de se produire. La présente invention a également une influence satisfaisante sur l'usure de l'outil qui est bien moindre, lors des forages en déviation, qu'elle ne l'est avec des outils conventionnels dont la surface de guidage est cylindrique. On pourra, le cas échéant, et sans sortir du cadre de l'invention, prévoir que la surface de guidage sphérique de l'outil présente une courte interruption centrale, par exemple à l'équateur, où elle sera alors cylindrique, ce qui ne nuira aucunement à l'effet recherché, pour autant que cette partie cylindrique n'ait pas une hauteur dépassant quelques 20 à 25mm. I1 est à remarquer que si les performances de l'outil sont grandement améliorées lors des forages courbes, l'outil suivant l'invention ne présente aucun inconvénient par rapport aux outils conventionnels lors des forages rectilignes. En effet, l'expérience montre, contre toute attente, qu'il n'est aucunement nécessaire que l'outil soit guidé par une surface cylindrique et qu'il est parfaitement "tenu" en ne prenant appui sur la paroi du forage que par une ligne circonférencielle de sa surface convexe. L'invention s'appliquera à tous les types d'outils de forage, en gradins ou paraboliques, que les protubérances de coupe soient des plaquettes en carbure de tungstène revêtues d'une couche diamantée, comme dans l'exemple représenté, qu'elles soient constituées par des diamants synthétiques ou naturels thermostables sertis, ou encore qu'il s'agisse d'outils imprégnés, c'est-à-dire à poussière de diamant mélangée à une matrice métallique. I1 convient encore de relever que l'outil suivant l'invention n'est pas destiné exclusivement au forage de puits dans le terrain. On pourra également l'utiliser pour le reperçage de tubes d'acier gainant les puits pétroliers ou de toutes autres canalisations ayant tendance à s'obstruer sous l'effet des dépôts qui s'accumulent sur leur paroi. Revendications 1 - Outil de forage, notamment pour la réalisation de forages petroliers, présentant, au moins sur sa face frontale, des moyens de coupe, caractérisé par le fait que sa face latérale, de guidage, est constituée par une surface de révolution convexe. 2 - Outil suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la génératrice de ladite surface de revolu- tion est constituée par un arc de cercle, ladite surface étant ainsi constituée par un segment de sphère. 3 - Outil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le rayon de l'arc de cercle constituant la génératrice de ladite surface de révolution est au plus égal au rayon de coupe de l'outil. 4 - Outil suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le centre de l'arc de cercle constituant la génératrice de ladite surface de révolution est situé sur l'axe longitudinal de l'outil.