Brevet FR2780753A1 — publié le 20000107

! La présente invention concerne un dispositif pour contrôler la trajectoire d'un puits foré dans le sol. En particulier, elle peut être appliquée à des puits de production pétroliers dont la position dans les couches géologiques réservoirs doit être relativement précisément définie. Pour cela, il faut pouvoir contrôler l'inclinaison du forage par rapport à la verticale ainsi que son azimut. On connaît de nombreux systèmes qui permettent de contrôler l'inclinaison, par exemple l'utilisation de stabilisateur à diamètre variable télécommandé. Pour la correction d'azimut, la profession utilise depuis longtemps un moteur de fond incorporé à la garniture de forage et couplé avec un raccord coudé dont l'action de correction de direction se fait selon l'orientation dans l'espace du plan du raccord coudé. Il est clair que cette technique impose que la partie de la garniture située au-dessus du moteur soit immobile dans le trou. Ce mode de correction est appelé "sliding" dans la mesure o l'avancement du forage se fait en "glissant". Ce mode présente de nombreux inconvénients, notamment le fait que l'ensemble de la garniture de forage n'est pas entraîné en rotation. Aussi, des moyens de forage directionnels pouvant fonctionner en mode rotary ont été développés. Parmi les outils proposés, certains exercent un effort latéral contrôlé, permanent ou périodique, sur la paroi du puits, dans une direction opposée à celle souhaitée, d'autres impriment une flexion orientée à la partie des tiges située immédiatement au-dessus de l'outil, tout en autorisant leur rotation. Dans tous les cas, la nécessité du maintien de la rotation des tiges combinée avec celle du contrôle d'une orientation fixe dans l'espace conduit à des options mécaniques, hydrauliques et électroniques, sophistiquées et chères. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif pour le contrôle de la direction de la trajectoire d'un puits foré, comportant un arbre entraîné en rotation, un outil de forage solidaire de l'arbre, un corps sensiblement cylindrique coaxial avec ledit arbre et libre en rotation par rapport à l'arbre, un ou plusieurs patins portés par le corps pouvant se déplacer de façon radiale, des moyens de déplacement des patins. Dans le dispositif, les moyens de déplacement comportent individuellement pour chaque patin au moins un poussoir dont le déplacement longitudinal par rapport à l'axe du dispositif provoque l'extension du patin. Le poussoir est déplacé par des moyens d'activation mus par l'énergie hydraulique apportée par le fluide de forage circulant dans l'arbre et les moyens d'activation comprennent un système de sélection de l'absence de déplacement d'au moins un patin pendant que les autres, s'il y en a, sont déplacés. Le corps peut comporter des moyens d'orientation par rotation autour de l'axe dudit arbre. Les moyens d'orientation du corps peuvent comprendre un lest fixé le long d'une génératrice dudit corps. Les moyens d'activation peuvent comporter un piston annulaire qui se déplace longitudinalement dans ledit corps sous l'effet de la pression différentielle entre l'espace intérieur de l'arbre et l'intérieur du puits. Le piston annulaire peut déplacer longitudinalement une pièce cylindrique en forme de barillet et comportant une fente selon la direction d'une génératrice du cylindre, la fente ayant une largeur et une longueur correspondante à la forme d'au moins un poussoir d'un patin. La fente peut être orientée par rapport au puits par l'orientation du corps. Le système de sélection peut comporter un ensemble de gorges et au moins un doigt lié audit corps. L'ensemble de gorges peut être porté par ledit barillet, la fente du barillet étant orientée par rapport au corps par la coopération du doigt et de l'ensemble de gorges. Dans le dispositif, en absence de débit de fluide de forage, l'ensemble de gorges peut être tel que le barillet prend toujours la même position relative audit corps. L'invention concerne également une méthode pour contrôler la trajectoire d'un puits foré dans laquelle on effectue les étapes suivantes: À on dispose le dispositif décrit ci-dessus à l'extrémité de tiges de forage, e on entraîne en rotation l'outil de forage par rotation de l'arbre du dispositif et on injecte un fluide de forage à un débit Df, on effectue des séquences de circulation entre un débit nul et un débit Da inférieur à Df, de façon à orienter le barillet dans le corps du dispositif et à actionner au moins un patin lorsque le débit est Df. 1 5 Dans la présente méthode, on peut mesurer la direction de la trajectoire et on peut modifier l'orientation du barillet si la trajectoire n'est pas correcte. Le présent dispositif assure, soit une fonction de centrage, soit une fonction de déviation, suivant sa configuration, et est mû et contrôlé essentiellement par le débit du fluide de forage. Cet outil est ainsi compatible avec les outillages et procédures couramment utilisés en forage. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description de l'exemple de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - La figure 1 montre en coupe longitudinale un schéma du dispositif, -Les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e et 2f montrent plusieurs coupes transversales en fonction de l'état de réglage du dispositif, - Les figures 3 et 4 montrent schématiquement un exemple de moyens de sélection d'une position déterminée, Un arbre i est relié à la base de la garniture de forage (non représentée) par la connexion 18. Cet arbre porte sur son extrémité inférieure un outil de forage 11. L'arbre 1 est mobile en rotation à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire 2 équipée d'un certain nombre de patins 3 régulièrement répartis sur sa circonférence. Ces patins peuvent être déployés pour entrer en contact avec la paroi du puits 4 et y exercer un effort radial de déviation. L'enveloppe ou corps 2 assure la fonction de palier de rotation pour l'arbre 1 au moyen de roulements 5 à aiguilles, à rouleaux ou à billes. Le corps 2 sert également de guide actif dans le trou en déviation, compte tenu de l'orientation des patins s'appuyant à la paroi du puits. Chacun des patins 3 est actionné par un système mécanique ou hydraulique indépendant les uns des autres. Ce système indépendant peut être, par exemple un circuit hydraulique comportant un cylindre 6 dans lequel un piston 7 peut se déplacer en refoulant de l'huile par le canal 19 vers les pistons 20 servant de poussoir au patin 3. Le système d'actionnement des patins peut également comporter un ensemble mécanique de type poussoir/bielle ou poussoir/came, ou tout autre système adapté à convertir un effort ou un déplacement longitudinal parallèle à l'axe du dispositif en un effort ou un déplacement radial permettant le déploiement du patin jusqu'à la paroi du puits foré et son application sur cette paroi avec un effort suffisant pour modifier la trajectoire du forage. En l'absence d'activation des moyens d'actionnement des patins, des systèmes de rappel, par exemple à ressorts (non représentés) maintiennent chaque patin rétracté et donc sans aucun contact avec la paroi du puits. Le déplacement, ou l'effort parallèle à l'axe du dispositif, nécessaire au déplacement des pistons 7, est procuré par une pièce en forme de barillet tubulaire 8, lui-même propulsé par un vérin annulaire 9 mû par la différence de pression existant entre l'intérieur de la garniture de forage (tiges) et l'espace annulaire situé entre le terrain et les tiges. La pression intérieure des tiges est transmise à la face supérieure du vérin annulaire par des ouvertures 10 pratiquées dans la partie tournante centrale i du dispositif et par d'autres ouvertures dans la partie non tournante en regard. L'orifice 21 fait une communication entre l'espace dans lequel se trouve le barillet 8 et l'espace extérieur. Ainsi, le piston 9 comporte des joints d'étanchéité (non représentés) entre l'intérieur du piston 9 et l'arbre 1, et entre l'extérieur du piston 9 et le corps 2, comme cela est connu dans la profession. Cette différence de pression est typiquement obtenue par la 1o circulation forcée du fluide de forage de l'intérieur des tiges vers l'extérieur, à travers l'outil de forage 11 situé à l'extrémité de l'arbre i et muni de duses. Cette pression interne est retenue pendant la rotation du train de tiges au moyen de joints d'étanchéité tournants 12. En l'absence de circulation de fluide, le vérin et le barillet sont maintenus dans une position de repos par un ou plusieurs ressorts de rappel 13 agissant à l'opposé de la différence de pression précitée. Dans le schéma de la figure 1, le ressort 13 est étiré lorsque le barillet est déplacé par la pression et se raccourcit, en rappel, par absence de pression. Bien entendu, une autre disposition, par exemple en travail en compression peut être utilisée. La course complète du barillet est obtenue par l'effort correspondant à un débit de fluide de forage inférieur ou égal au débit nominal de forage prévu. Il sera possible de réaliser une course partielle au moyen d'un débit partiel de fluide de forage, la position de l'ensemble vérin 9 et barillet 8 résultera alors de l'équilibre entre la force engendrée par la différence de pression agissant sur le vérin et la force du ou des ressorts de rappel 13. Le barillet tubulaire 8 présente à son extrémité basse un profil particulier, comme par exemple une encoche 14 dont la profondeur permet d'éviter d'actionner un des patins. En effet, le ou les pistons 7 qui se trouvent en face cette encoche ne sont pas déplacés lorsque le barillet est poussé par la pression du fluide. Le ou les patins correspondants à ce ou ces pistons 7 resteront ainsi rétractés alors que les autres seront déployés pour exercer un effort radial à la paroi du puits. Dans le cas (préférentiel) d'une réalisation avec quatre patins, le dispositif permet de faire sortir trois patins pour ainsi exercer sur la paroi du puits trois contacts ou efforts: deux opposés qui assureront un centrage dans un plan et un perpendiculaire à ce plan. La direction de la déviation de la trajectoire se trouve dans la direction du patin rétracté. On pourra également choisir le profil de l'extrémité basse du barillet, ce est-à-dire la largeur de l'encoche 14, pour n'actionner qu'un seul patin ou qu'un groupe de patins dans une o0 direction choisie. Le choix du patin à ne pas déployer nécessite le repérage préalable de ce patin, ou groupe de patins, et l'orientation correcte du barillet par rapport à l'axe du puits, avant que le barillet réalise sa course longitudinale pour déplacer les patins. On réalise l'orientation des patins relativement à la verticale au moyen d'un lest 15 suffisant et disposé par exemple le long d'une génératrice de l'enveloppe extérieure dans le prolongement de l'un des patins 3. Lors d'un arrêt de la circulation du fluide de forage, tous les patins sont repliés grâce à leurs systèmes de rappel. L'ensemble barillet 8 et vérin annulaire 9 est en position de repos par le moyen du système de rappel par ressort 13. Dans le cas o le puits est incliné, grâce à la force de gravité, le lest viendra en position basse par rapport au trou foré. Les frottements des joints d'étanchéité et des paliers de roulements doivent être suffisamment réduits pour que la rotation du corps 2 puisse se faire autour de l'arbre 1 sous l'action du lest. Ainsi, deux patins sont orientés dans un plan vertical et les deux autres dans un plan incliné perpendiculaire à ce plan vertical. Les patins étant ainsi positionnés par rapport à la verticale, la position du barillet, par rapport au corps 2, est obtenue par exemple au moyen d'un ou de plusieurs doigts 16, fixes par rapport au corps extérieur et engagés dans des rainures 17 fraisées à la surface de ce même barillet. Ces doigts 16 sont montés dans des perçages radiaux au corps 2 sur des ressorts de façon à être télescopiques et à suivre la profondeur variable des gorges. Le dessin et la profondeur des rainures sont tels qu'un cycle de débits partiels et d'arrêts de circulation du fluide de forage provoque la rotation du barillet jusqu'à une position prédéterminée relativement aux actionneurs en forme de piston 7 des patins 3. Après orientation, le débit nominal de forage prévu est alors réalisé et provoque la course complète du barillet qui actionne les patins désirés dans les directions souhaitées. Les figures 2a à 2f montrent en coupe, les différents réglages du Io dispositif en fonction de la position du barillet. La figure 2a montre une coupe transversale du dispositif au niveau du barillet 8. La section du barillet est comprise entre l'arbre 1 creux et le corps 2. La référence 14 désigne la section de la fente. Le lest 15 oriente le corps 2 et le barillet 8, lequel est orienté de façon que la fente 14 soit à 45 à gauche de la verticale. Sur la figure 2a, la circulation du fluide de forage est stoppée, donc aucun des patins 3 ne sont sortis. On remarque que, tel qu'orienté, le barillet recouvre tous les pistons d'actionnement des patins, puisque la fente se situe entre deux pistons consécutifs. La figure 2b montre le réglage du dispositif tel que disposé selon la figure 2a, mais lorsque le débit de forage est rétabli. Les quatre patins sont alors sortis pour effectuer un centrage de l'arbre 1 dans le trou foré. Ce réglage du dispositif est destiné à forer rectiligne. Les coupes selon les figures 2c, 2d, 2e, et 2f montrent respectivement les quatre autres réglages: forage en montant, en descendant, à droite et à gauche, selon la direction du patin rétracté. Par rapport à la position de repos ou de forage droit (figure 2a et 2b), le barillet prend différentes positions en rotation dans le corps 2. Sur la figure 2c, le barillet a effectué une rotation à droite de 45 pour que la fente 14 vienne se situer en face des pistons d'actionnement du patin supérieur, celui-ci ne sera donc pas expansé en forage. Sur la figure 2d, le barillet a effectué une rotation de 90 , le patin de droite restera rétracté en forage. Les deux autres positions (figure 2e et 2f) correspondent à deux rotations successives du barillet de . Les figures 3 et 4 montrent une réalisation des moyens de réglage du barillet dans le corps. Bien entendu, cette réalisation décrite en exemple n'est pas la seule qui permet la mise en oeuvre de l'invention. En effet, on peut disposer d'une énergie suffisante pour équiper le barillet d'un moteur (hydraulique ou électrique) afin d'en effectuer la rotation. On pourra commander les rotations de réglage à partir de la surface, par exemple par 0o les appareils MWD connus dans le métier. Toujours dans le cas d'une réalisation avec quatre patins, le dessin du développé des gorges sur le barillet (figures 3 et 4) permet les procédures suivantes: 1. Centrage sans déviation: à l'arrêt de circulation (par exemple pour un ajout de tige), le doigt à ressort 16 se trouve dans la position NO. La mise en route de la circulation de fluide de forage jusqu'au débit nominal sans autre intervention amène le doigt dans la position F0 o les quatre patins sont déployés. L'application du poids sur l'outil et la mise en rotation des tiges permet alors de forer sans dévier, les patins empêchant la rotation du corps 2 dans le puits grâce à la résistance de frottement sur la paroi du puits. L'arrêt de la circulation ramène le doigt à la position NO via le circuit fléché. La gorge B est plus profonde que la gorge H de façon que le doigt suive obligatoirement le chemin fléché au retour et non pas le chemin aller de NO à FO. Cette technique d'indexation est bien connue de l'homme du métier. 2. Déviation vers le haut: la circulation de fluide et la rotation des tiges étant arrêtées, le doigt se trouve dans la position NO. Les patins 3 étant rétractés, le lest 15 positionne l'enveloppe tubulaire 2 par rapport à la verticale. Un débit partiel de fluide de forage crée une force sur le piston 9 qui déplace le barillet partiellement et amène le doigt à la position P0. L'arrêt de la circulation provoque le retour du barillet par rappel et, par le jeu des différentes profondeurs de gorge, le doigt se trouve forcé vers la position Ni o le barillet a effectué une rotation de 45 degrés (selon la figure 2c). La mise en route de la circulation de fluide de forage jusqu'au débit nominal amène le doigt dans la position F1 o seuls les trois patins inférieurs sont déployés. La résultante des efforts, ou des réactions sur la paroi, exercés par les patins est dirigée vers le haut. L'enveloppe tubulaire 2 étant bloquée en rotation par les contacts des patins à la paroi, l'orientation de la résultante des efforts exercés par les patins sera maintenue. L'application du poids sur l'outil et la mise en rotation des tiges permet alors de forer en déviant vers le haut, jusqu'au prochain arrêt de circulation qui ramènera le doigt à la position NO via le circuit fléché. 3. Déviation vers la droite, le bas, ou la gauche: elles seront l s obtenues par la répétition des débits partiels suivis d'un arrêt respectivement vers N2, N3, et N4. On notera que le barillet effectuera alors des incréments de rotation de 90 degrés. Il est important de noter que tout arrêt de circulation de fluide après réalisation du débit nominal ramènera systématiquement le doigt 16 dans la position NO des gorges du barillet, grâce au jeu des profondeurs et des angles des gorges. Les différents réglages sont donc obtenus par séquences successives de débit partiel, quatre pour arriver en N4, trois pour N3, deux pour N2 et une pour Ni. Il est clair que le présent dispositif ne se limite pas à quatre positions. Il est vraisemblable que l'avancement du forage sera facilité par la présence sur les patins de dispositifs de roulement comme des galets ou des roues limitant le frottement longitudinal tout en freinant la rotation du corps 2. O10 Le dispositif n'est pas limité à comporter quatre patins, on peut clairement appliquer la présente invention à un dispositif à un, deux, trois patins, ou plus de quatre. L'appareil ainsi décrit sera avantageusement utilisé en complément d'un appareil de mesure de la déviation pendant le forage (MWVD), qui permettra à l'opérateur de décider du moment et de la durée d'une correction de trajectoire, et également d'en vérifier l'efficacité. REVENDICATIONS 1.Dispositif pour le contrôle de la direction de la trajectoire d'un puits foré, comportant un arbre (1) entraîné en rotation, un outil de forage (11) solidaire de l'arbre, un corps (2) sensiblement cylindrique coaxial avec ledit arbre et libre en rotation par rapport audit arbre, au moins un patin (3) porté par ledit corps pouvant se déplacer de façon radiale, des moyens de déplacement desdits patins, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comportent individuellement pour chaque patin au moins un l 0 poussoir (7) dont le déplacement longitudinal par rapport à l'axe du dispositif provoque l'extension dudit patin, en ce que ledit poussoir est déplacé par des moyens d'activation (9) mus par l'énergie hydraulique apportée par le fluide de forage circulant dans l'arbre, en ce que lesdits moyens d'activation comprennent un système de sélection (8) de l'absence de déplacement d'au moins un patin. 2.Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit corps comporte des moyens d'orientation (15) par rotation autour de l'axe dudit arbre. 3.Dispositif selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens d'orientation du corps comprend un lest fixé le long d'une génératrice dudit corps. 4.Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens d'activation comporte un piston annulaire (9) qui se déplace longitudinalement dans ledit corps sous l'effet de la pression différentielle entre l'espace intérieur de l'arbre et l'intérieur du puits. 5.Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit piston annulaire déplace longitudinalement une pièce cylindrique en forme de barillet (8) et comportant une fente (14) selon la direction d'une génératrice du cylindre, ladite fente ayant une largeur et une longueur correspondante à la forme d'au moins un poussoir (7) d'un patin. 6.Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ladite fente est orientée par rapport au puits par l'orientation du corps. 7.Dispositif selon l'un des revendications précédentes, dans lequel ledit système de sélection comporte un ensemble de gorges (17) et au moins un doigt (16) lié audit corps. 8.Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ledit ensemble de gorges est porté par ledit barillet, la fente dudit barillet étant orientée par rapport au corps par la coopération du doigt et de l'ensemble de gorges. 9.Dispositif selon la revendication 8, dans lequel en absence de débit de fluide de forage, l'ensemble de gorges est tel que le barillet prend toujours la même position relative audit corps. 1O.Méthode pour le contrôle de la trajectoire d'un puits foré dans laquelle on effectue les étapes suivantes: son dispose le dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 à l'extrémité de tiges de forage, -on entraîne en rotation l'outil de forage par rotation de l'arbre du dispositif et on injecte un fluide de forage à un débit Df, *on effectue des séquences de circulation entre un débit nul et un débit Da inférieur à Df, de façon à orienter le barillet dans le corps du dispositif et à actionner au moins un patin lorsque le débit est Df. 11.Méthode selon la revendication 10, dans laquelle on mesure la direction de la trajectoire et on modifie l'orientation du barillet si la trajectoire n'est pas correcte.