Brevet FR2817905A1 — publié le 20020614

La présente invention concerne le domaine du forage dirigé, par exemple pour le forage de puits d'exploration ou d'exploitation pétrolière, onshore ou offshore, d'exploitation minière ou de sources géothermiques. En particulier, le dispositif de la présente invention s'applique au forage rotary, c'est à dire à la technique qui consiste à faire tourner l'outil destructeur de la roche par l'intermédiaire de la garniture de tiges de forage et d'un moyen de mise en rotation situé sur l'appareil de forage en surface, par exemple table de rotation ou tête d'injection motorisée ( power swivel ). Cependant, l'invention n'exclut pas l'usage d'un moteur de fond (turbine ou moteur volumétrique) placé dans la garniture de forage. On connaît, dans la profession de foreur, des techniques pour contrôler la trajectoire d'un puits foré. Une première technique est d'utiliser un moteur de fond qui entraîne en rotation l'outil de forage grâce à l'énergie prélevée sur le fluide de forage en circulation. Ainsi, le forage peut progresser sans nécessiter de rotation de l'ensemble des tiges de forage, mais par glissement longitudinal (sliding) en fonction de la vitesse d'avancement. Dans le voisinage de l'outil de forage, un raccord coudé (bent sub), pouvant également être intégré au moteur de fond (bent housing), décale l'axe de rotation de l'outil par rapport à l'axe principal longitudinal de la garniture de forage, en particulier celui des masses-tiges (drill collar). Ce décalage fait effectuer une trajectoire déviée au forage. L'orientation du raccord coudé dans l'espace permet de contrôler la direction. Mais une telle technique présente des inconvénients pour l'opération de forage elle même, notamment en ce qu'elle impose l'arrêt de la rotation de la garniture de forage, ce qui est préjudiciable pour la vitesse d'exécution, la qualité et la sécurité du puits, en particulier dans le cas de forage fortement dévié, ou horizontal. On connaît aussi, notamment par le document EP-0209318 Bl, des moyens de forages déviés opérationnels en forage rotary. Ce document, ici cité en référence, utilise le principe d'un élément tubulaire situé proche de l'outil de forage, concentrique extérieurement à la garniture de forage au bout de laquelle est fixé l'outil destructeur de la roche. Ledit élément tubulaire est libre en rotation autour de la garniture grâce à des paliers de roulement et peut être maintenu sensiblement fixe en rotation par rapport au terrain, par exemple par des lames de ressort. Entre l'arbre rotatif interne et l'intérieur de l'élément tubulaire, on place des moyens de flexion de l'arbre rotatif constitués par des coussins gonflés par un fluide sous pression. La présente invention a pour objet de décrire un autre dispositif de flexion de l'arbre rotatif, présentant d'autres avantages, par exemple de facilité de construction, de meilleure tenue à la température, de miniaturisation, etc... Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de forage directionnel comportant un arbre entraîné en rotation, un outil de forage entraîné en rotation par ledit arbre, un corps tubulaire coaxial audit arbre, au moins deux paliers de roulement qui coopèrent entre le corps et l'arbre, des moyens de flexion de l'arbre placés entre lesdits paliers. Selon l'invention, les moyens de flexion comportent au moins une chambre étanche constituée par au moins deux glissières pouvant se déplacer dans des fentes ménagées dans un mandrin disposé dans l'espace annulaire compris entre l'arbre et le corps. Le mandrin peut être un cylindre coaxial à l'arbre et le mandrin cylindrique peut comporter au moins trois fentes longitudinales sur sa surface externe. Le mandrin cylindrique peut être lié à l'arbre par des paliers de roulements. Le mandrin cylindrique peut être solidaire de l'arbre de façon à tourner avec lui. Le mandrin cylindrique peut être solidaire du corps et comporter au moins trois fentes longitudinales sur sa surface interne. Des plaques latérales peuvent effectuer des étanchéités hydrauliques entre les extrémités des glissières, le mandrin et le corps. Des moyens de distribution d'un fluide sous pression peuvent envoyer le fluide sous pression dans au moins une chambre déterminée. Le fluide sous pression peut être obtenu par une pompe entraînée par la rotation de l'arbre. Le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens électroniques qui localisent le dispositif dans l'espace, repèrent la position du corps relativement à l'axe longitudinal, des moyens de commandes qui envoient un signal pour mettre sous pression au moins une chambre. Le dispositif peut aussi comprendre des moyens de transmission et de réception d'un signal entre la surface du sol et le dispositif, le signal représentant les données de localisation du dispositif, une commande de flexion, ou une mesure liée à un paramètre de forage. Les moyens de transmission et de réception peuvent communiquer avec des moyens électroniques locaux disposés dans ledit corps. Le palier de roulement proche de l'outil de forage peut être une rotule, l'autre palier procurant un guidage axial. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : la figure 1 montre schématiquement le principe du dispositif selon l'invention, les figures 2A et 2B montrent schématiquement une coupe transversale de moyens de flexion du dispositif selon l'invention, la figure 2C montrent une autre réalisation de moyens de flexion, la figure 3 montre une coupe schématique longitudinale des moyens de flexion, la figure 4 schématise les moyens de distribution du fluide hydraulique, - la figure 5 montre une autre variante de la présente invention. La figure 1 montre en coupe un dispositif 1 de contrôle de la déviation d'un forage. Ce dispositif 1 est fixé à l'extrémité d'une garniture de forage 2, constituée de tiges et de masses-tiges. Un outil de forage 3 est vissé au bout d'un arbre 5 solidairement lié à la garniture de forage 2 par le moyen de connexion 6. L'outil 3 fore par rotation un puits 4, laquelle rotation lui est transmise par l'arbre 5 du dispositif 1 et la rotation de l'ensemble de la garniture de forage 2. Le dispositif de déviation 1 comporte un corps extérieur 7 coopérant avec l'arbre 5 par des moyens de liaisons et de roulements 8 et 9 à ses deux extrémités. Les paliers 8 sont de type rotule pour permettre le désaxage de l'outil de forage. Le palier 9 peut être également une rotule, mais est de préférence non rotulant, ce qui est favorable pour obtenir une conception la plus miniaturisée possible. Des lames 10 jouent le rôle d'éléments anti- rotation, de façon que le corps 7 soit sensiblement fixe en rotation par rapport au puits. D'autres moyens équivalents peuvent utilisés, patins télescopiques qui s'ancrent sur la paroi, par exemple. Le dispositif de déviation 1 comporte des moyens 11 de flexion de l'arbre tournant 5. Ces moyens coopèrent avec l'intérieur du corps 7 et l'extérieur de l'arbre tournant 5 pour appliquer une force transversale sur l'arbre 5 de façon à le déformer (illustré par la représentation en point tillés de la figure 1) en flexion. La conséquence de cette déformée de l'arbre est que l'axe de l'outil 3 est décalé d'un angle ex par rapport à la direction principale 12 du puits. Selon l'orientation du plan de flexion par rapport à l'espace fixe, la trajectoire du puits peut être dirigée. Un ensemble de capteurs de localisation permet d'obtenir en temps réel les coordonnées du puits, ce qui autorise l'envoi d'une commande correspondante pour obtenir une flexion ou non de l'arbre, ainsi que l'orientation du plan de flexion éventuel. Ces capteurs sont de préférence installés dans un corps non rotatif comme le corps 7. La figure 2A représente une coupe transversale au niveau des moyens de flexion 11. L'arbre rotatif 5 est traversé longitudinalement par un conduit 13 permettant la circulation du fluide de forage. Un mandrin 14, concentrique à l'arbre rotatif, comporte des fentes 15 réparties régulièrement sur la circonférence dudit mandrin. Ici, six fentes ont été représentées espacées de 60 degrés. Des palettes ou glissières 16 sont placées dans les fentes 15. Cette disposition aménage six chambres 17a à 17f. Des plaques transversales (non représentées sur ces figures) ferment ces chambres aux deux extrémités du mandrin 14. Bien entendu, des moyens d'étanchéités, selon des techniques connues de l'homme du métier, rendent closes ces chambres par l'étanchéité des glissières ou palettes 16 sur la surface interne 18 du corps 7, des glissières ou palettes 16 dans les fentes 15, les deux extrémités des palettes ou glissières 16 avec les plaques transversales de fermeture en bout de mandrin. Le principe de l'invention est donc apparent sur les figures 2A et 2B où l'on a représenté la présence d'un fluide sous pression dans une chambre, par exemple 17A, ce qui procure une force radiale résultante sur l'arbre 5 et donc un effort de flexion correspondant à la déflexion d figurée sur la figure 2B. La figure 2B illustre le déplacement du mandrin 14 lié à celui de l'arbre 5. Le mouvement des fentes 15 entraîne donc également celui des palettes ou glissières 16 dans lesdites fentes de façon que les glissières 16 restent au contact de la surface intérieure 18. La profondeur des fentes 15 est telle qu'elle autorise le jeu radial des palettes ou glissières 16 en fonction du déplacement d. Des moyens de rappel 50 sont disposés au fond des fentes pour appliquer les glissières contre la paroi 18. La figure 2C montre une autre forme des glissières. Dans le cas où le déplacement de l'arbre 5 est faible dans le corps 7, il est envisageable d'utiliser des glissières de section cylindrique 51. Le principe de construction et de fonctionnement est exactement le même que celui décrit à partir des figures 2A et 2B. La figure 3 montre schématiquement les moyens de flexion 11 en coupe longitudinale. Les plaques 20 d'extrémités réalisent les étanchéités avec les deux flancs des palettes ou glissières 16, la surface 18, et les extrémités du mandrin 14. Dans un exemple de réalisation, ces plaques en forme de disque, présentent un perçage central de façon à permettre un jeu 21 avec l'arbre 5 qui doit se déplacer sous l'effet de la pression hydraulique dans au moins une des chambres 17a-17f. La référence p représente le profondeur des fentes 15. On peut faire le parallèle avec la construction des pompes à palettes à débit variable qui sont également constituées par la coopération de palettes, d'un mandrin et de fentes pour ménager des chambres hydrauliques de volumes variables en fonction de l'excentration du mandrin porte-palettes. Ces pompes fonctionnent en acceptant un certain débit de fuite entre les chambres haute et basse pression. La régulation hydraulique du présent dispositif comprend également des moyens de drainage et de régulation de la pression. La figure 4 représente la distribution hydraulique aux moyens de flexion 11 schématisés sur cette figure par un ensemble de chambres 30 auxquelles sont reliées un ensemble de conduits d'arrivée d'huile 31 et un ensemble de conduits d'échappement 32. Les références 33 et 34 représentent les moyens de distribution d'huile permettant d'envoyer la haute pression dans une chambre, ou un premier ensemble de chambres, et de purger la chambre, ou l'ensemble de chambres, diamétralement opposés au premier ensemble. Les moyens de distribution sont connectés à une pompe 35 aspirant l'huile dans un réservoir 36 dans lequel les purges 37 et 38 collectent l'huile à basse pression. Un régulateur de débit 39 peut être adjoint au circuit. Avantageusement, la pompe hydraulique 35 est mue par la rotation de l'arbre 5 relativement à la partie extérieure 7. On pourra aussi utiliser, directement ou indirectement l'énergie du fluide de forage en circulation dans l'arbre 5. Il existe plusieurs variantes de réalisation de la présente invention, selon que les moyens de flexion 11 sont liés avec la rotation de l'arbre tournant 5 ou sont liés au corps extérieur 7. Dans la variante où le mandrin 14 ne tourne pas avec l'arbre 5, des paliers de roulement doivent être intercalés entre le mandrin 14 et l'arbre 5. Ainsi, l'ensemble mandrin, palettes ou glissières est sensiblement fixe par rapport au corps 7. Il n'y a pas dans cette variante de glissement important des palettes vis à vis de la surface intérieure 18, le seul déplacement étant la conséquence du déplacement radial de l'axe du mandrin qui entraîne le coulissement des palettes dans les fentes, ainsi qu'un faible déplacement latéral. Dans cette variante, les plaques de fermeture 20 (figure 3) sont pratiquement immobiles par rapport aux chambres 17a-17f, donc les conduits d'alimentation et de purge du fluide hydraulique peuvent être directement percés dans les plaques 20 en face de chacune des chambres. La présente variante est illustrée par la figure 3 où des paliers de roulement ont été représentés et référencés 40. Dans cette variante, on peut avoir un autre mode de réalisation (selon la représentation de la figure 5) : le mandrin 14 est solidaire du corps 7 (ils peuvent également être, en principe, une seule et même pièce), les palettes ou glissières 16 s'appuyant directement sur l'arbre tournant 5. Cette construction simplifie théoriquement le mécanisme puisque l'on a pas besoin de roulement entre les moyens de flexion et l'arbre tournant. Mais, la tenue à l'usure des palettes 16 est cruciale et délicate à réaliser. Sur la figure 5, les flèches 41 aboutissant aux chambres représentent les conduits d'alimentation en fluide hydraulique. Dans la deuxième variante, la construction de l'ensemble mandrin, palettes ou glissières est semblable à celle des figures 2A, 2B ou 2C, mais le mandrin est lié solidairement (ou fait partie intégrante) à l'arbre tournant 5. On est ainsi dans la configuration d'une pompe (ou d'un moteur) à palette avec rotor mobile. Dans cette variante, les plaques 20 de fermeture latérale (équivalente au carter d'une pompe à palette) comportent les moyens de distribution autorisant la mise sous pression de chambres ayant la position désirée pour obtenir la direction déterminée de la force de flexion. Un exemple de distribution peut être une plaque perforée d'orifices d'admission (l'autre plaque étant perforée d'orifices d'échappement) réparties régulièrement sur un cercle, ladite plaque étant immobile par rapport au corps extérieur 7. La position du corps 7 est repérée dans l'espace, ce qui permet d'identifier les orifices d'admission qui doivent communiquer la haute pression à la chambre placée en face afin d'appliquer la force de flexion dans la direction désirée. Ce principe de distribution signifie qu'à chaque tour, toutes les chambres passent de la basse pression à la haute pression, quand un ordre de déviation a été envoyé. Compte tenu des dimensions générales connues des dispositifs de forage directionnel, on estime qu'un déplacement d d'environ 1 centimètre permet de contrôler la direction de forage. On peut décrire les avantages suivants à l'invention présente par rapport à l'art antérieur : la commande peut être plus fine car il possible de disposer plus de trois chambres de pression, par exemple au moins six ; - la commande est plus souple grâce aux moyens de distribution qui ont des temps de réponse rapides ; - la limitation en température est celle des distributeurs et non pas des coussins ; le nombre de chambre permet de compenser la défaillance éventuelle d'un des distributeurs ; le mode de construction est bien adapté à un espace annulaire réduit entre l'arbre et le corps extérieur. - les étanchéités sont des problèmes connus et solvables avec les solutions industrielles des pompes à palettes. Le dispositif comprend des capteurs pour repérer la position du dispositif dans l'espace, ainsi que les moyens électroniques nécessaires au codage de l'information envoyée à la surface du sol à l'aide de système de transmission connus, par exemple ce que l'on dénomme MWD. REVENDICATIONS 1) Dispositif de forage directionnel comportant un arbre (5) entraîné en rotation, un outil de forage (3) entraîné en rotation par ledit arbre, un corps tubulaire (7) coaxial audit arbre, au moins deux paliers de roulement (8,9) qui coopèrent entre ledit corps et ledit arbre, des moyens de flexion (11) dudit arbre placés entre lesdits paliers, caractérisé en ce que lesdits moyens de flexion comportent au moins une chambre étanche (17a-17f) constituée par au moins deux glissières (16) pouvant se déplacer dans des fentes (15) ménagées dans un mandrin (14) disposé dans l'espace annulaire compris entre ledit arbre (5) et ledit corps (7). 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit mandrin (14) est un cylindre coaxial audit arbre et en ce que ledit mandrin cylindrique comporte au moins trois fentes (15) longitudinales sur sa surface externe. 3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit mandrin cylindrique est lié audit arbre par des paliers de roulements (40). 4) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit mandrin cylindrique (14) est solidaire dudit arbre (5) de façon à tourner avec lui. 5) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit mandrin cylindrique est solidaire dudit corps (7) et comporte au moins trois fentes (15) longitudinales sur sa surface interne. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des plaques latérales (20) effectuent des étanchéités hydrauliques entre les extrémités des glissières (16), le mandrin (14) et le corps (7). 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des moyens de distribution (33) d'un fluide sous pression envoient le fluide sous pression dans au moins une chambre déterminée. 8) Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le fluide sous pression est obtenu par une pompe (35) entraînée par la rotation dudit arbre. 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comprend des moyens électroniques qui localisent ledit dispositif dans l'espace, repèrent la position du corps relativement à l'axe longitudinal, des moyens de commandes qui envoient un signal pour mettre sous pression au moins une chambre. 10) Dispositif selon la revendication 9, qui comprend des moyens de transmission et de réception d'un signal entre la surface du sol et ledit dispositif, ledit signal représentant les données de localisation du dispositif, une commande de flexion, ou une mesure liée à un paramètre de forage. ll) Dispositif selon la revendication 10, dans lequel lesdits moyens de transmission et de réception communiquent avec des moyens électroniques locaux disposés dans ledit corps (7). 12) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit palier de roulement (8) proche de l'outil de forage est une rotule, l'autre palier (9) procurant un guidage axial.