Brevet FR2747427A1 — publié le 19971017

STABILISATEUR RECOMPACTEUR POUR LE FORAGE DE PUITS PETROLIER OBJET DE L'INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIOUE La présente invention se rapporte à un stabilisateur de train de tiges, utilisé lors des forage de puits pétroliers. Les stabilisateurs 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 leur mise en rotation. Un stabilisateur comprend un corps équipé de lames de forme helicoïdale, disposées autour du corps, dont l'enveloppe extérieure correspond au diamètre du puits Le train de tiges, les stabilisateurs et l'outil de forage en fond de puits, constituent la garniture de forage. On rencontre souvent, lors des forages, des couches argileuses qui présentent un comportement plastique en paroi du trou. Par comportement plastique on entend une déformation permanente de la paroi, qui peut être de grande amplitude de l'ordre de quelques pour cent du diamètre du puits. Ce comportement plastique entraîne une convergence du trou, c'est-à-dire un rétrécissement du diamètre par déplacement radial de la paroi. Cette convergence survient déjà au front de taille et continue à se développer dans une zone située derrière le front de taille. Elle doit donc être reforée au niveau des premiers stabilisateurs du train de tiges. En effet, au cours de l'avance de l'outil et de l'ensemble de la garniture, les stabilisateurs proposés jusqu'alors reforent cette convergence, que ce soit longitudinalement et/ou tangentiellement (par rotation), du fait des formes anguleuses des lames hélicoïdales du stabilisateur et de leurs raccords disposés dans les parties coniques supérieures ou inférieures des stabilisateurs classiques. Ce reforage n'est normalement pas décelable sur le couple de rotation en forage. Lors d'une remontée de l'outil, si la convergence s'est manifestée lors d'une sollicitation imposée au puits (thermique, pistonnage) ou s'il s'agit d'un comportement différé des terrains traversés, le stabilisateur peut venir en butée sur la convergence, et provoquer un coincement de la garniture dans le puits. Les coincements d'outil ont pour conséquence des journées d'appareil de forage perdues pour essayer de libérer les outils de forage, ce qui entraîne des surcoûts de plusieurs millions de francs. Dans ces cas, lors de la remontée du train de tiges, la technique habituelle consiste à réaléser tant bien que mal les parois du puits par les stabilisateurs classiques possèdant des lames avec des angles vifs et un revêtement abrasif, ci-après appelés agressifs. Mais les stabilisateurs agressifs classiques présentent l'inconvénient de détruire ou d'arracher la couronne de terrain qui a converge. Jusqu'à présent, en roche tendre, les observations sur les forages ont montré que, d'une part, le reforage n'améliore pas de façon durable la tenue du puits, et que, d'autre part, le moyen le plus efficace pour dégager la garniture, consiste à essayer de repousser la paroi et recompacter les terrains par des mouvements lents du train de tiges. En effet,si en roche dure, la destruction par réalésage des restrictions de diamètre est une solution, la situation est différente en roches argileuses tendres car le réalésage, dans ce cas, détruit une couronne de la paroi qui a "travaillé" et qui a atteint un équilibre physique, mécanique et hydraulique protecteur de la roche vierge située derrière. La présente invention se rapporte donc à un stabilisateur de train de tiges, qui a pour but de traverser les formations de type argileuses, montrant des comportements plastiques, sans endommager la paroi du puits. Pour ce faire, l'invention propose un stabilisateur recompacteur, comprenant un corps généralement cylindrique muni d'au moins une lame hélicoïdale enroulée en périphérie du corps, dont l'enveloppe extérieure correspond au diamètre du puits, caractérisé en ce que les extrémités et la partie centrale de chaque lame présentent une forme arrondie telle que l'angle d'attaque de la lame en mouvement, engendre, sur la paroi du puits, une force radiale permettant de recompacter une zone du puits de diamètre réduit traversée par le stabilisateur. Le stabilisateur, selon l'invention, disposant de lames aux formes non angulaires et ne comportant pas de surface abrasive,présente des avantages car il permet: -d'éviter le rabotage ou l'endommagement de la paroi du puits -de favoriser le recompactage des terrains. Ce stabilisateur est mis en oeuvre selon un mode de travail très différent de celui dévolu habituellement aux stabilisateurs car les fonctions de préservation et de recompactage des terrains, attribués au stabilisateur, objet de l'invention, n'ont jamais été envisagées jusqu'à présent. DESCRIPTION DE 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 présente la vue en coupe longitudinale d'un puits pétrolier, - les figures 2A et 2B présentent la coupe longitudinale d'un puits avec deux types de stabilisateurs: le stabilisateur classique et le stabilisateur objet de l'invention, - la figure 3A est une vue en perspective du stabilisateur, objet de l'invention. - la figure 3B est une vue en coupe selon la ligne AA' du stabilisateur, objet de l'invention. - la figure 3C est une vue en déroulé de la surface externe du stabilisateur, objet de l'invention. - la figure 3D est une vue en coupe longitudinale selon l'axe BB' du stabilisateur, objet de l'invention. - les figures 4A et 4B sont des vues en coupe schématiques du stabilisateur, expliquant l'action des lames sur les parois du puits. La figure 1 présente la vue en coupe longitudinale d'un puits pétrolier(l), dans lequel s'étend un train de tiges de forage(2) muni de stabilisateurs(3), qui servent à centrer les tiges entre les parois du puits(4), et d'un outil de forage(5) situé à l'extrémité inférieure du train de tiges. L'ensemble du train de tiges, des stabilisateurs et de l'outil de forage, appelé encore garniture, est entraîné en rotation par un moteur (non représenté) localisé dans un derrick(6). De la boue(7) 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 La boue a plusieurs fonctions : assurer la remontée des déblais, contrebalancer la pression du gisement par la pression statique due au poids de la colonne de boue, refroidir l'outil de forage et servir de moyen permettant de transmettre des informations utiles au foreur sur le forage et sur le puits. 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 présente une coupe d'un puits avec une zone argileuse(6) qui a convergé, formant une zone ayant un diamètre D' inférieur à celui, D, du puits, ce qui entraîne un coincement(7) du stabilisateur de construction classique(3) lors de la remontée du train de tiges. La figure 2B présente une situation analogue avec un stabilisateur(8) selon l'invention qui sera décrit plus en détail en se référant aux figures 3A et 3B. Comme représenté sur ces figures 3A et 3B, le stabilisateur comprend un corps(10) supportant des lames(11) à section arrondie(l2). De plus les extrémités(13),(15) des lames présentent une forme généralement semi-conique avec un profil allongé, arrondi et sans angle vif. La partie centrale(14) est de forme cylindrique. Les lames hélicoïdales peuvent s'enrouler aussi bien à droite qu'à gauche. La figure 3C représente une vue en déroulé de la surface externe du stabilisateur où on peut distinguer les extrémités effilées(22) des lames. Un stabilisateur peut comprendre entre une et quatre lames et de préférence, en comprend deux. La figure 3D est une vue en coupe longitudinale selon l'axe BB' qui montre le profil ovalisé(23) d'une lame avec une partie conique de raccordement supérieure(13), une partie droite (14) et une partie conique de raccordement inférieure(15). La surface externe des extrémités(13),(15) des lames se rapprochent du corps(10) sous un angle réduit avec une forme finale présentant une courbure tangente au cylindre du corps. La courbe des extrémités de la lame illustrée par le profil longitudinal(fig 3D) est créée par une série d'arcs de cercle à grands rayons par rapport au rayon du stabilisateur. Les bords d'attaque n'ont pas d'angle vif mais une forme arrondie. Enfin, la surface(24) des lames est lisse sans aspérité agressive. Le rayon extérieur(20) du stabilisateur qui correspond au rayon du puits varie en fonction de la taille du puits, de 10 cm à 50 cm. Sa longueur totale(21) est généralement comprise entre 40 cm et 1 mètre. Le fontionnement du stabilisateur, selon l'invention, sera décrit en référence aux figures 4A et 4B. Lors d'un déplacement axial vers le haut ou vers le bas du train de tiges dans le puits, dans le sens de la flèche(30), c'est à dire lors des opérations de remontée de la garniture sans rotation, l'effort de traction sur le train de tiges, se transforme, au niveau de la restriction des parois D', en force de contact, exercée par les lames(11) sur la paroi, force dont la composante radiale, représentée par une flèche(31), est plus importante que la composante axiale, représentée par une flèche(32) comme indiqué sur la figure 4A, ce qui permet de recompacter les terrains et d'éviter le rabotage ou l'endommagement de la paroi du puits. De plus, les extrémités effilées des lames permettent d'éviter la destruction du terrain lors de la translation vers le haut de la garniture. Lors de la rotation de la garniture, le couple exercé sur le train de tiges, se transforme, au niveau de la restriction des parois D', en force de contact, exercée par les lames(11) sur la paroi, force dont la composante radiale, représentée par une flèche(33), est plus importante que la composante tangentielle, représentée par une flèche(34) comme indiqué sur la figure 4B, de façon à ne pas raboter tangentiellement la paroi du puits. Sous l'action de ces forces la paroi du puits est repoussée et le terrain recompacté. REVENDICATIONS 1 - Stabilisateur recompacteur(10) destiné à être monté sur un train de tiges de forage(2) s'étendant dans un puits pétrolier(l), comprenant un corps(l0) généralement cylindrique muni d'au moins une lame(11) hélicoïdale enroulée en périphérie du corps, comportant deux extrémités(22) et une partie centrale(23), et dont l'enveloppe extérieure correspond au diamètre du puits, caractérisé en ce que les extrémités(22) et la partie centrale(23) de chaque lame présentent une forme arrondie telle que l'angle d'attaque de la lame en mouvement, engendre, sur la paroi du puits, une force radiale permettant de recompacter une zone du puits de diamètre réduit D', traversée par le stabilisateur. 2- Stabilisateur recompacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque lame(11) présente des extrémités effilées(22), un profil longitudinal ovalisé(23) et une section arrondie(12). 3- Stabilisateur recompacteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que les extrémités effilées(22) et le profil longitudinal ovalisé(23) des lames(11), sont agencés afin que, lors d'un déplacement axial vers le haut ou vers le bas du train de tiges dans le puits, l'effort de traction exercé sur le train de tiges, se transforme, au niveau de la restriction des parois D', en force de contact à composante radiale(31) plus importante que la composante axiale(32). 4 - Stabilisateur recompacteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la section arrondie(12) des lames(11) est agencée afin que, lors de la rotation du train de tiges, le couple exercé sur le train de tiges, se transforme, au niveau de la restriction des parois D', en force de contact à composante radiale(33) plus importante que la composante tangentielle(34) 5 - Stabilisateur recompacteur selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les lames(ll) hélicoïdales peuvent s'enrouler sur le corps(l0), aussi bien à droite qu'à gauche. 6 - Stabilisateur recompacteur selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la surface(24) des lames(ll) est généralement lisse.