Brevet FR2817904A1 — 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 l'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 les paliers. Selon l'invention, les moyens de flexion comportent au moins un patin porté par une nacelle disposée dans l'espace annulaire compris entre l'arbre et le corps, et des moyens de déplacement de la nacelle autour de l'axe de l'arbre. Le patin peut être constitué par un piston coopérant avec une chemise aménagée dans la nacelle, la nacelle comportant des moyens hydrauliques pour déplacer le patin suivant un rayon. Le patin peut aussi être constitué par un coussin gonflable, la nacelle comportant des moyens hydrauliques pour déplacer ledit patin suivant un rayon. La nacelle peut être liée à l'arbre par des roulements de façon à être et à rester concentrique avec l'arbre arbre, le patin s'appuyant sur le corps. La nacelle peut être liée au corps de façon à être concentrique avec le corps, le patin s'appuyant dans ce cas sur l'arbre. La nacelle peut comporter des moyens de repérage et d'orientation du déplacement de la nacelle autour de l'arbre, par rapport au corps. Le patin peut être lié à l'arbre par l'intermédiaire de moyens de roulement lorsque la nacelle est concentrique au corps. Les moyens d'orientation peuvent comporter un couple d'engrenage dont un pignon est lié à la nacelle, l'autre à l'arbre ou au corps. La nacelle peut comporter une pompe entraînée par la rotation de l'arbre. La nacelle peut comprendre des moyens de contrôle de la vitesse de rotation relative entre l'arbre et la nacelle, ou entre le corps et la nacelle. Le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens de transmission et de réception d'un signal entre la surface du sol et le dispositif, le signal représentant au moins l'une des données suivantes : localisation du dispositif, repérage de la position de la nacelle, commande de flexion, 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. Un système de type MWD peut être en relais entre les moyens électroniques locaux dans le corps du dispositif et des moyens de surface. Une transmission locale peut donc être utilisée, par exemple sonique ou électromagnétique pour transmettre sur une relative courte distance les informations et les commandes. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : la figure 1 montre schématiquement le principe du dispositif selon l'invention, - la figure 2 montre schématiquement une coupe transversale des moyens de flexion du dispositif selon l'invention, la figure 3 montre une coupe schématique longitudinale des moyens de flexion, - la figure 4 montre une autre variante de réalisation 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 moyens de liaisons 8 sont constitués par des paliers de type rotule, de façon à permettre le désaxage de l'outil de forage. L'autre palier 9 peut aussi être de type rotule, mais il est de préférence de type guidage axial car cette construction est favorable à une conception miniaturisée du dispositif. 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, 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 a 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. La figure 2 représente une coupe transversale au niveau des moyens de flexion 11. L'arbre rotatif 5 est traversé longitudinalement par un conduit 13 dans lequel circule un fluide de forage. Les moyens de flexion 11 sont situés dans l'espace annulaire défini entre l'arbre rotatif 5 et l'intérieur du corps 7. Ils comprennent principalement un patin 14, une nacelle 15 portant le patin et des moyens d'action de ce patin. La nacelle 15 peut être orientée dans l'une quelconque des directions autour de l'axe du corps 7. La figure 2 montre à gauche, un premier état où la position du patin est rentré, l'axe de l'arbre 5 coïncide sensiblement à celui du corps 7, l'arbre n'est pas fléchit, il n'y a pas de changement de direction du forage. La figure 2 montre à droite, la chambre 16 mise en pression par un fluide, le patin s'appuie sur le corps 7 et l'arbre 5 est fléchit d'un déplacement d sous l'effet de la force de réaction sur la nacelle 15. L'arbre 5 est rotatif, il est donc indispensable que la liaison entre la nacelle 15 et l'arbre se fasse par l'intermédiaire de moyens de roulement, à billes, à rouleaux, à aiguilles, ou équivalents. Il est clair que la chambre 16 peut être de conception étanche, ce qui permet de directement l'utiliser comme chambre de vérin. Mais, sans sortir de la présente invention, cette chambre peut contenir un coussin gonflable qui joue le rôle d'un vérin pour appuyer le patin 14 sur la paroi 19 du corps 7. Egalement, le patin 14 peut faire partie intégrante du coussin, ou encore, le coussin gonflable peut s'appuyer directement sur la paroi 19. La figure 3 montre en coupe longitudinale le principe d'un mode de réalisation de la présente invention. La nacelle 15 est liée à l'arbre 5 par l'intermédiaire de paliers de roulement 17 et 18. L'ensemble nacelle/patin n'a pas de liaison mécanique avec le corps 7. Seule, l'action du patin 14 en s'appuyant sur la surface interne 19 du corps 7, réalise une liaison de contact lorsqu'une déflexion de l'arbre est commandée. Dans ce cas, la friction entre la surface externe du patin 14 et la surface interne 19 bloque en rotation l'ensemble nacelle/patin dans une direction déterminée dans le corps 7. La nacelle 15 comprend un ensemble hydraulique 20 comportant une pompe, des moyens de distribution et de régulation. Elle comprend aussi des moyens de motorisation 21 de la pompe, par exemple une roue dentée qui coopère avec une couronne 22 concentrique à l'arbre 5. La vitesse relative entre l'arbre 5 et la nacelle permet ainsi de fournir l'énergie à l'actionnement de la pompe 20. Cette vitesse relative peut être obtenue par le frottement résistant entre le patin et le corps. Un conduit 23 amène le fluide hydraulique sous pression dans la chambre 16 pour actionner le patin 14. Un système de freinage 24, pouvant être commandé par hydraulique à partir de l'ensemble 20, peut provoquer un entraînement de la nacelle à partir de la rotation de l'arbre 5. Pour cela, la rotation de la roue 21 est freinée, ce qui fait tourner la nacelle autour de l'arbre compte tenu de la vitesse différentielle entre l'arbre et la nacelle. Bien entendu, la pression hydraulique est purgée dans la chambre 16. Un moyen de repérage 25, lié au corps 7, coopère avec un capteur 26 de manière à pouvoir positionner la nacelle par rapport au corps 7. Ainsi, en connaissant la position du corps relativement à la localisation du puits dans lequel elle se trouve, on peut orienter la nacelle, donc orienter la direction de la force de flexion générée par son patin. Des moyens de localisations ne sont pas décrits ici, mais sont connus de l'homme du métier du forage directionnel. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 3, la nacelle doit comporter également des moyens de communication avec des moyens électroniques de transmission d'informations situés dans la partie non rotative du dispositif de forage, c'est à dire, le corps 7. Ces moyens de communication peuvent être un collecteur électrique tournant, ou des moyens de transmission par ultra son ou similaire. La communication entre cette partie de la garniture et la surface, que ce soit pour l'envoi ou la réception de signaux, se fait par le moyen de systèmes connus de communication appelés MWD, notamment par ondes électromagnétiques. Un autre mode de réalisation utilise le même principe de l'invention, mais la nacelle est liée intérieurement au corps 7, le patin étant dirigé vers l'arbre 5. La figure 4 illustre schématiquement la disposition selon ce second mode de réalisation. Le patin 14 comporte des moyens 30 de roulement de façon que l'appui sur l'arbre se fasse avec le moins de friction possible. La représentation de la figure 4 n'est que schématique et nullement limitative. En effet, l'appui du patin 14 peut également se faire sur une fourrure concentrique à l'arbre et montée sur l'arbre avec des roulements. Dans cette variante, la nacelle 15 doit également être orientable sur 360 degrés autour de l'axe du corps. Des moyens de roulement 31 sont nécessaires, ainsi que des moyens d'entraînement en rotation 32, par exemple un engrenage et une couronne. Les autres composants peuvent être similaires à ceux décrits à partir de la variante de la figure 3. Sur la figure 4, on a représente une autre nacelle disposée diamétralement opposée à la première. Cette nacelle identique est coordonnée avec la commande de la première pour que le déplacement en flexion de l'arbre soit possible. De plus, la deuxième nacelle est liée à la première pour que les déplacements en rotation soient identiques. Deux avantages peuvent être notés : l'arbre est ainsi bien guidé grâce aux deux appuis opposés des deux patins 14 ; l'ensemble des deux nacelles ne doit pivoter, au maximum, que un demi tour pour permettre l'orientation de la flexion dans tous les plans. 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 un patin (14) porté par une nacelle (15) disposée dans l'espace annulaire compris entre ledit arbre (5) et ledit corps (7), et des moyens de déplacement de la nacelle autour de l'axe dudit arbre. 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit patin est constitué par un piston coopérant avec une chemise aménagée dans ladite nacelle, ladite nacelle comporte des moyens hydrauliques pour déplacer ledit patin suivant un rayon. 3) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit patin est constitué par un coussin gonflable, ladite nacelle comporte des moyens hydrauliques pour déplacer ledit patin suivant un rayon. 4) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite nacelle (15) est liée audit arbre (5) par des roulements (17) de façon à être concentrique avec ledit arbre. 5) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite nacelle (15) est liée audit corps (7) de façon à être concentrique avec ledit corps. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite nacelle comporte des moyens de repérage (26) et d'orientation du déplacement de la nacelle autour de l'arbre, par rapport audit corps. 7) Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ledit patin est lié à l'arbre par l'intermédiaire de moyens de roulement (30). 8) Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'orientation comportent un couple d'engrenage dont un pignon (21) est lié à la nacelle, l'autre (22) à l'arbre ou au corps. 9) Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la nacelle comporte une pompe (20) entraînée par la rotation dudit arbre (5). 10) Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite nacelle comprend des moyens de contrôle (24) de la vitesse de rotation relative entre l'arbre et la nacelle ou entre le corps et la nacelle. Il) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comprend des moyens de transmission et de réception d'un signal entre la surface du sol et ledit dispositif (1), ledit signal représentant au moins l'une des données suivantes : localisation du dispositif, repérage de la position de la nacelle, commande de flexion, mesure liée à un paramètre de forage. 12) Dispositif selon la revendication 11, dans lequel lesdits moyens de transmission et de réception communiquent avec des moyens électroniques locaux disposés dans ledit corps (7).