Brevet FR2758158A1 — publié le 19980710

ORTS.TNE nz T.' TNVENTTON ET éTAT T)TE T.: TRCHNTQTJTR La présente invention se rapporte à une masse-tige utilisée pour le forage de puits pétroliers. Pour le forage d'un puits en général et d'un puits pétrolier en particulier, on utilise un train de tiges de forage muni de stabilisateurs, qui servent à centrer les tiges entre les parois du puits, et d'un outil de forage situé à l'extrémité inférieure du train de tiges. Les dernières tiges supportant l'outil de forage sont appelées masses-tiges car elles sont plus lourdes que les autres. Elle ont pour but d'apporter du poids sur l'outil et de servir de volant d'inertie à l'outil. Les masses-tiges sont généralement équilibrées. L'ensemble du train de tiges, des stabilisateurs des masse-tige et de l'outil, qu'on appelle garniture de forage, est entraîné en rotation par un moteur localisé dans un derrick. Il existe des masses-tiges déséquilibrées constituées par des masses-tiges classiques, percée de trous borgnes, tout le long d'une génératrice afin de créer un balourd sur la génératrice opposée. Ces masses-tiges déséquilibrées, connues depuis les années 1970, sont utilisées pour résoudre des problèmes directionnels ou pour forer des sections verticales dans des terrains difficiles non homogènes avec des valeurs élevées du poids sur l'outil de forage et donc des performances que les autres types de garnitures ne permettent pas. Lorsqu'en forage, à une vitesse de rotation quelconque, cette masse-tige tourne au fond, la vitesse angulaire crée une force centrifuge qui a tendance à déplacer le centre de la masse-tige vers la paroi du trou. Nous avons donc création d'une contrainte de flexion, au niveau de la masse-tige déséquilibrée, qui augmente proportionnellement à la vitesse de rotation. Ce déséquilibre radial peut exciter les modes propres latéraux de la partie inférieure de la garniture, créant ainsi la possibilité d'apparition de vibrations latérales. Si la vitesse de rotation est suffisamment élevée, la flexion peut provoquer le contact entre la masse-tige et la paroi du puits avec apparition d'une force latérale d'appui. La contrainte de flexion créée par le balourd se combine avec le poids sur l'outil et peut générer du flambage au niveau de la tige. On se retrouve alors dans une situation favorable à l'apparition du phénomène de précession inverse. La précession est un mouvement circulaire de l'axe de la tige autour de l'axe du puits, lorsque la tige est mise elle-même en rotation autour de son axe longitudinal. En forage normal la tige tourne sur elle-même, entraînée par la table de rotation. Lorsque la précession apparaît, la tige tourne simultanément sur elle-même et autour de l'axe du puits. Dans la précession directe, le mouvement circulaire autour de l'axe du puits a le même sens que le sens de rotation de la tige sur elle même. Dans la précession inverse, le mouvement a le sens opposé au sens de rotation de la tige. La masse-tige soumise aux contraintes normales de torsion due à la rotation, de compression due au poids sur l'outil, de flexion due au balourd, supporte également les battements provoqués par la précession inverse. Toutes ces contraintes engendrent de la fatigue dans le métal qui conduit le plus souvent à la rupture des masses-tiges. Ce type d'incident a comme conséquence l'arrêt du forage pendant plusieurs jours pour remonter la garniture, récupérer la tige cassée et redescendre la garniture. La masse-tige asymétrique, objet de l'invention, destinée à être montée à l'extrémité inférieure d'une garniture de forage dans un puits pétrolier, comprenant un corps sensiblement cylindrique, et possédant une asymétrie, par rapport à son axe de rotation, est caractérisée en ce que l'asymétrie est créée par la présence d'évidements(24) aménagés dans le corps, lesquels évidements sont de tailles différentes, disposés sur la surface externe de la masse tige et s'étendant en grande partie le long de la massetige. Cette masse-tige réduit notablement le risque de rupture car elle permet de retarder ou d'éviter l'apparition du phénomène de précession. DTE.SCRTPTTON nz T.' L'INVENTION Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un puits de forage muni d'une garniture classique. Les figures 2A, 2B, 2C sont chacune une vue en coupe d'une garniture de forage classique avec une masse-tige déséquilibrée selon l'art antérieur. La figure 3A est une vue en coupe longitudinale d'une masse-tige asymétrique selon l'invention. La figure 3B est une vue en coupe transversale d'une masse-tige asymétrique prise selon la ligne AA' de la figure 3A. La figure 1 présente une vue en coupe longitudinale d'un puits pétrolier(l), dans lequel s'étend une garniture de forage(10) comprenant des tiges de forage(2), des stabilisateurs(3), des masses-tiges(6) et un outil de forage(5) situé à l'extrémité inférieure du train de tiges. La garniture de forage est entraîné en rotation par un moteur (non représenté) localisé dans un derrick(8). De la boue circule dans le puits en descendant à l'intérieur des tiges de forage puis en remontant par l'espace annulaire entre les tiges et la paroi du puits en passant entre les lames du stabilisateur comme représenté par la flèche(7). Les stabilisateurs(3) sont des appareils, vissés entre deux tiges, de même diamètre que l'outil de forage et servant à centrer les tiges dans le puits pour empêcher les battements de celles-ci lors de la rotation de la garniture de forage. La figure 2A représente une garniture de forage sans stabilisateurs et avec une masse-tige déséquilibrée(ll) selon l'art antérieur, qui n'est en fait qu'une masse-tige conventionnelle percée de trous borgnes(12) le long d'une génératrice pour créer un certain balourd. La figure 2B est une coupe transversale de cette masse-tige, elle montre un trou (12) dans la tige. Lors de la rotation de la garniture, la massetige(11) se déforme sous l'action des contraintes décrites plus haut. Ces déformations sont schématisées par les pointillés sur la figure 2C. Les figures 3A et 3B représentent les coupes longitudinales et transversales de la masse-tige, objet de l'invention. Le but recherché est de retarder au maximum l'apparition du phénomène dynamique de précession inverse tout en travaillant avec une masse-tige faiblement fléchie. Pour ce faire, on crée de fortes disparités des sections longitudinales rendant très difficile une rotation de la masse-tige en flexion alternée. La section longitudinale BB' ( fig 3A ) montre une asymétrie par rapport à l'axe vertical de la tige L'asymétrie est créée par des évidements(24) aménagés dans le corps(20) cylindrique de la tige, lesquels évidements sont de tailles différentes, disposés sur la surface externe de la masse tige et s'étendant en grande partie le long de la masse-tige c'est à dire sur au moins la moitié de sa longueur. Les évidements apparaissent clairement sur les sections transversale AA' et longitudinale BB' de la tige (fig 3B). Les sections transversales peuvent présenter des géométries différentes suivant le niveau de la section le long de la tige. Ces évidements s'apparentent à des segments de cercle dont les hauteurs H1, H2, H3 et H4 sont calculées pour que les moments d'inertie engendrent des forces centrifuges, aux vitesses de rotation normales de la tige, qui soient suffisantes pour déporter la masse-tige vers la paroi du puits avec un fléchissement acceptable. Cette force centrifuge ne doit pas, cependant, être excessive ni entraîner de résonance entre l'excitation provenant de l'outil de forage et les modes propres latéraux de vibration des tiges, car, dans les deux cas, le phénomène de flambage apparaîtrait, ayant pour conséquence le risque de rupture mentionné précédemment. Les valeurs admissibles des moments d'inertie apparaissent dans les tableaux ci-après. Les évidements(24) s'étendent le long de la tige comme représenté sur la section longitudinale. La section transversale a une forme circulaire inscrite dans un cercle(23) ayant pour diamètre le diamètre nominal de la tige. Le nombre de segments de cercle est compris entre 2 et 6, de préférence 4 et la hauteur de chaque segment est comprise entre 1/20ème et 1/8éme du diamètre nominal de la tige. Les cordes(21) de certains segments de cercle peuvent être parallèles. Les masses-tiges d'origine, à partir desquelles sont formées les masses-tiges selon l'invention ont les caractéristiques suivantes - diamètre externe 9,50 pouces(soit 24,13 cm) pour un forage de diamètre égal à 12,25 pouces - diamètre externe 6,75 pouces(soit 17,15 cm) pour un forage de diamètre égal à 8,50 pouces La modélisation du comportement dynamique de la tige permet d'optimiser les valeurs de chaque hauteur. Les tableaux qui suivent présentent, pour ces deux types de masse-tige, les résultats des calculs ainsi que des exemples de valeurs recommandées pour H1, H2, H3 et H4. La masse-tige, selon l'invention, présente les avantages suivants - la réalisation aisée à partir du matériel standard (fraisage simple d'une tige lisse ou spiralée), - la minimisation de la surface de contact entre la masse-tige et la paroi pour éviter les problèmes de collage par pression différentielle. Cas Diam. Diam. H1 H2 H3 Longueur vitesse du Ext. ou de de forage tige H4 l'évidement rotation pouce pouce cm cm cm m tr/min 1 12,25 9,50 2,5 0,75 2,0 8 80 2 12,25 9,50 2,5 0,75 2,0 8 120 3 12,25 9,50 3,0 0,5 1,8 8 80 4 12,25 9,50 3,0 0,5 1,8 8 120 5 8,50 6,75 1,8 0,5 1,2 8 80 6 8,50 6,75 1,8 0,5 1,2 8 120 7 8,50 6,75 1,9 0,5 0,8 8 80 8 8 50 6 75 1,9 0,5 0,8 8 120 8- 8,50 6,75 ,..9 p 5 Q,8 8 .8. .120.. cas Moment Déflexion Force sur la Longueur d'inertie maxi paroi de contact cm4 cm daN/m m 1 760 1,49 194 1,0 2 760 1,49 437 3,9 3 532 1,59 235 1,7 4 532 1,59 525 4,2 5 167 1,02 65 3,7 6 167 1,02 146 5,3 7 150 1,42 58 3,0 8 150 1,42 131 4,9 Le contact permanent d'une partie des génératrices en appui sur la paroi génère obligatoirement de l'usure. Pour éviter l'accroissement excessif et inévitable de cette surface de contact dans le temps, des plots(25) de carbure ou tout autre artifice anti-usure sont positionnés sur ces génératrices de la partie centrale jusqu'au droit du filetage supérieur(22) de la masse-tige. L'association d'une telle masse-tige aux outils monoblocs qui sont générateurs de précession inverse est une perspective attrayante et innovante. Les quatre utilisations majeures que l'on entrevoit pour la masse-tige selon l'invention sont les suivantes - le forage des sections verticales dans les piémonts où l'usage des stabilisateurs peut s'avérer très problématique de même que la longévité des outils monobloc (forts pendages, indurations contrastées, stabilité des parois précaires, contrôle directionnel très coûteux, exemple du Flysh Aquitain ). - le forage vertical allégé : le flambage quasi systématique des garnitures spécifiques plaide pour l'usage d'une masse-tige à balourd approprié qui doit améliorer les performances dans les diamètres les plus critiques. - le forage vertical avec fluide peu visqueux (air, mousse ou eau) où les phénomènes de rupture sont exacerbés par le manque d'amortissement fluide. - le forage vertical avec outil monobloc dans des niveaux difficiles sur le plan forabilité qui provoquent la détérioration rapide des structures de coupe. REVESICATTON.R 1 - Masse-tige(6), destinée à être montée à l'extrémité inférieure d'une garniture de forage(10) dans un puits(1), comprenant un corps(20) sensiblement cylindrique possédant une asymétrie, par rapport à son axe de rotation, caractérisée en ce que l'asymétrie est créée par la présence d'évidements(24) aménagés dans le corps(20), lesquels évidements sont de tailles différentes, disposés sur la surface externe de la masse tige et s'étendant en grande partie le long de la masse-tige. 2 - Masse-tige selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section transversale des évidements(24) de la masse-tige, s'apparentent à des segments de cercle. 3 - Masse-tige selon la revendication 2 caractérisée en ce que la section transversale a une forme circulaire inscrite dans un cercle(23) ayant pour diamètre le diamètre nominal de la tige. 4- Masse-tige selon la revendication 2 caractérisée en ce que le nombre de segments de cercle est compris entre 2 et 6, de préférence 4. 5 - Masse-tige selon la revendication 2 caractérisée en ce que la hauteur de chaque segment est comprise entre 1/20ème et 1/8éme du diamètre nominal de la tige. 6 - Masse-tige selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte, de plus, des plots(25) de carbure anti-usure sur certaines génératrices de la tige.