Brevet FR2751372A1 — publié le 19980123

OUTIL DE FORAGE EN RELAXATION La présente invention concerne un outil de forage particulièrement adapté pour le forage de formations à très faible porosité qui, comme on le sait, ont un comportement plastique, élastique ou plastique-élastique dans les conditions de haute pression qui règnent dans les couches souterraines et qui sont de ce fait très difficiles à forer. De nombreux perfectionnements ont été apportés par le passé aux outils de forage classiques en vue de permettre le forage de ces formations, mais les améliorations obtenues sont très faibles. Ces outils comprennent généralement un front de taille et une garde sensiblement cylindrique, de même axe que l'outil et de diamètre égal au diamètre extérieur du front de taille. La difficulté à forer ces formations avec les outils connus provient du fait que la pression que le front de taille et la garde de l'outil exercent sur la formation crée une friction importante qui a deux effets nuisibles : d'une part, une compression de la formation à la hauteur de la garde qui ralentit la vitesse de rotation de l'outil et d'autre part, une relaxation de la formation après le passage de la garde, qui se traduit par un rétrécissement permanent du diamètre du puits du fait que la déformation n'est pas contenue par la pression hydrostatique. Il est alors nécessaire d'effectuer un forage en sens inverse au moment du retrait du train de tiges. Il est évident que plus la garde de l'outil est longue, plus le phénomène de friction est important. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et propose un outil de forage à géométrie nouvelle, permettant de forer des formations à haute plasticité ou élasticité avec une friction réduite et sans nécessité de reforage arrière. L'outil de forage selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend - un front de taille muni d'une couronne extérieure d'éléments de coupe ayant un diamètre extérieur prédéterminé correspondant au diamètre nominal du puits à forer, - une paroi latérale cylindrique de même axe que l'outil, située au-dessus de la couronne d'éléments de coupe et ayant un diamètre inférieur au diamètre de la couronne d'éléments de coupe, - et au moins une structure de coupe périphérique latérale de même diamètre extérieur que celui de la couronne d'éléments de coupe et formée au-dessus de ladite paroi latérale cylindrique, à une distance prédéterminée de ladite couronne. L'avantage de l'outil selon l'invention est qu'il ne comporte pas de garde et que celle-ci a été remplacée par ladite paroi latérale cylindrique de diamètre réduit. I1 en résulte que si après le passage de ladite couronne, il se produit une déformation plastique, élastique ou plastiqueélastique de la formation vers l'intérieur du puits au niveau de la paroi latérale cylindrique, cette déformation n'entrera pratiquement pas en contact avec ladite paroi puisque celle-ci a un diamètre réduit. La vitesse de rotation de l'outil ne sera donc pas ralentie. De plus, à mesure que l'outil progresse dans le puits, la structure de coupe latérale qui est située au dessus de la paroi latérale cylindrique arrive au niveau de la zone déformée et elle la rase jusqu'au diamètre nominal du puits. Le train de tiges pourra donc être retiré du puits sans encombre. La distance séparant la couronne d'éléments de coupe et la structure de coupe latérale est variable selon le type de formation plastique à forer. Plus le phénomène de relaxation est lent, plus cette distance doit être grande. Pour les formations dans lesquelles le phénomène de relaxation est particulièrement lent, on peut prévoir sur l'outil au moins une seconde structure de coupe latérale, de même diamètre que la première structure de coupe et séparée d'elle par une seconde paroi latérale de diamètre plus faible que celui desdites structures de coupe latérales. Les structures de coupe latérales peuvent être réalisées en diamant polycristallin, en diamant naturel ou en diamant polycristallin appelé TSP. L'outil selon l'invention peut être réalisé soit par la technique de la matrice infiltrée à base de carbure de tungstène, soit par la technique acier lorsqu'il s'agit des outils à diamant polycristallin ou des outils à rouleaux coniques. L'invention sera décrite à présent en regard des dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente une demi-coupe partielle d'un outil de forage classique la figure 2 est une demi-coupe partielle d'un outil de forage à relaxation selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et la figure 3 est une demi-coupe partielle de l'outil de forage selon un second mode de réalisation de l'invention. On rappellera ci-après, sur un exemple d'outil connu représenté sur la figure 1, les problèmes qui se posent lors du forage de formations plastiques. L'outil 10 comprend un corps 12 se terminant par une tête de forage 14. Celle-ci est pourvue à son extrémité d'un front de taille creux 16, à profil conique peu profond qui se raccorde à une garde 20 sensiblement cylindrique, de même axe x-x que l'outil et ayant un diamètre égal au diamètre extérieur du front de taille. Le front de taille est muni d'éléments de coupe frontaux 18 en diamant naturel ou en diamant polycristallin. L'outil est représenté pendant le forage d'un puits 22 dans une formation plastique 24. Il exerce sur la formation une pression régulière au niveau du front de taille 16 et de la garde 20, ce qui crée une friction importante. Après le passage de la garde, la formation a tendance à se déformer vers l'intérieur du puits en raison de sa plasticité. Ce phénomène est illustré sur la figure 1 par la déformation 26 qui rétrécit le diamètre du puits. On a déjà exposé ci-dessus les inconvénients qui résultent de cette déformation. La figure 2 représente un outil de forage selon l'invention. Pour la commodité de la description, on a choisi un outil du même type que celui de la figure 1, c'est-à-dire avec un front de taille creux conique, mais il va de soi que l'invention s'applique à tout autre type d'outil de forage. Le front de taille est muni d'éléments de coupe frontaux 18 dont les plus extérieurs forment une couronne 28 de diamètre égal au diamètre nominal du puits à creuser. Audessus de cette couronne est formée une paroi latérale cylindrique 30 de même axe x-x que l'outil et de diamètre inférieur à celui de la couronne. Au-dessus de la paroi latérale 30 est formée, à une distance prédéterminée de la couronne 28, une structure de coupe latérale 32 de même diamètre extérieur que la couronne et qui est munie d'éléments de coupe latéraux 34, tels que des diamants naturels ou polycristallins. La distance entre la couronne 28 et la structure de coupe latérale 32 varie entre 2,5 et 25 cm suivant le type de formation plastique, étant entendu qu'elle est d'autant plus grande que le phénomène de relaxation de la formation est lent. La réduction du diamètre du corps de l'outil après la couronne d'éléments de coupe 28 est au moins égale à 1 mm. Cette réduction du diamètre doit être réalisée jusqu'à la structure de coupe latérale 32 afin d'éviter tout phénomène de friction latéral ultérieur. La structure de coupe latérale 32 doit avoir une profondeur telle qu'elle peut détruire la formation depuis le diamètre nominal de forage jusqu'au diamètre de forage nominal moins 20 mm. A mesure que l'outil progresse dans le puits dans le sens de la flèche f, la structure de coupe latérale 32 rase la partie de la déformation 26 faisant saillie par rapport au diamètre nominal du puits, de sorte qu'après le passage de ladite structure de coupe, le diamètre du puits 22 est ramené à sa valeur nominale, comme le montre la figure 2 audessus de la structure de coupe. L'outil représenté sur la figure 3 est pourvu de deux structures de coupe latérales 32 et 38 de même diamètre extérieur et séparées par une paroi latérale 40 sensiblement de même diamètre que la première paroi 30. Cet outil à deux structures de coupe latérales convient particulièrement pour le forage des formations dans lesquelles le phénomène de relaxation est particulièrement lent. Si, éventuellement, une nouvelle déformation 42 se forme après le passage de la première structure de coupe 32, elle sera ramenée au diamètre nominal par l'action de la seconde structure de coupe 38. Selon une variante de réalisation de l'invention, l'outil comporte, après la seconde structure de coupe latérale, une garde de longueur correspondant aux normes de forage classique. REVENDICATIONS 1. Outil de forage en relaxation, caractérisé en ce qu'il comprend - un front de taille (16) muni d'éléments de coupe intérieurs (18) et d'une couronne extérieure d'éléments de coupe (28) ayant un diamètre extérieur égal au diamètre nominal du puits à forer (22), - une paroi latérale cylindrique (30) s'étendant sensiblement selon l'axe (x-x) de l'outil, au-dessus de la couronne d'éléments de coupe et ayant un diamètre inférieur au diamètre de la couronne, - et au moins une structure de coupe périphérique latérale (32) formée au-dessus ladite paroi latérale à une distance prédéterminée de ladite couronne d'éléments de coupe et ayant un diamètre extérieur égal à celui de la couronne. 2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance séparant la couronne d'éléments de coupe (28) et la structure de coupe latérale (32) est variable selon le type de formation plastique à forer et varie entre 2,5 et 25 cm. 3. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction du diamètre de l'outil après la couronne d'éléments de coupe (28) est variable selon les différents types de formations et est d'au moins 1 mm. 4. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur de la structure de coupe latérale (32) est telle que celle-ci peut détruire la formation entre le diamètre nominal de forage (22) et le diamètre nominal de forage moins 20 mm. 5. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend sur ladite paroi latérale au moins une seconde structure de coupe latérale (38) espacée de la première structure de coupe latérale (32) d'une distance prédéterminée et ayant sensiblement le même diamètre extérieur que la première structure de coupe latérale. 6. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après la seconde structure de coupe latérale (38), l'outil comporte une garde de longueur correspondant aux normes de forage classique.