Brevet FR2817903A1 — 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 utilisant la flexion d'un arbre rotatif, présentant d'autres avantages, par exemple de facilité de construction, de meilleure tenue à la température, de miniaturisation, et dont le corps extérieur est entraîné en rotation avec l'outil de forage. 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 et solidarisé à l'arbre par une de ses extrémités et procurant un espace annulaire défini entre l'arbre et l'intérieur du corps. Selon l'invention, la liaison entre l'autre extrémité du corps et l'arbre est une rotule, et une nacelle mobile en rotation autour de l'arbre est disposée dans l'espace annulaire et coopère avec des moyens de flexion de l'arbre. La nacelle peut comporter des moyens de mise en rotation dans le sens contraire à la rotation de l'arbre. La nacelle peut comporter des moyens électroniques pour commander et repérer la stabilisation de la position de la nacelle par rapport à un repère fixe déterminé. Les moyens de flexion peuvent être mobiles en rotation avec la nacelle. Les moyens de flexion peuvent comporter plusieurs chambres étanches réparties autour de la circonférence de l'arbre et entraînées en rotation avec l'arbre. L'énergie nécessaire au fonctionnement peut être fournie par une turbine placé dans un canal interne à l'arbre, un système de batterie peut aussi être utilisé. Le dispositif peut comprendre des moyens de transmission et de réception d'au moins un signal entre la surface du sol et le dispositif, le signal étant au moins l'une des données suivantes : la localisation du dispositif, une commande de flexion, une consigne de position de la nacelle, ou une mesure liée à un paramètre de forage. Les moyens de transmission et de réception peuvent communiquer avec des moyens électroniques embarqués dans ladite nacelle. Les moyens de transmission et de réception peuvent communiquer avec un ensemble de transmission relais qui communique avec la surface. 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, - la figure 2 montre une réalisation de moyens de flexion par patin, - les figures 3A et 3B montrent schématiquement en coupes une autre réalisation de moyens de flexion du dispositif selon l'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, 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 rotule 8 et 9 à ses deux extrémités. Les moyens de liaisons 8 sont de type filetage, sertissage, ou assemblage par vis, ou équivalents. Ainsi le corps extérieur 7 est solidairement lié à l'arbre 5. Les moyens de liaison 9, à l'autre extrémité du corps extérieur 7, sont du type rotule pour permettre le désaxage de l'outil de forage dans toutes les directions. Ainsi, le dispositif comprend un espace annulaire 10 compris entre l'arbre 5 et la surface intérieure du corps 7. C'est dans cet espace annulaire que l'on place deux ensembles : une nacelle 11 et des moyens de flexion 12. La nacelle 11 est montée sur des moyens de roulements 13 de façon à pouvoir être en mouvement de rotation relativement au corps 7 et l'arbre 5. Le principe de la présente invention est de faire tourner la nacelle autour de l'axe du dispositif avec la même vitesse que celle de la rotation de l'ensemble du dispositif, c'est à dire la vitesse de rotation de l'outil de forage, mais en sens contraire. La nacelle peut ainsi prendre une position stabilisée par rapport au puits foré, grâce à des capteurs électroniques, et coopérer avec l'ensemble des moyens de flexion 12 pour appliquer une force de flexion dans un plan de direction déterminée, par rapport à la direction du forage, afin de diriger le décalage axial de la face de l'outil de forage. Les moyens 12 de flexion de l'arbre 5 coopèrent avec l'intérieur du corps 7 et l'extérieur de l'arbre 5 pour appliquer une force transversale sur l'arbre 5 de façon à le déformer en flexion. La conséquence de cette déformée de l'arbre est que l'axe de l'outil 3 est décalé d'un certain angle par rapport à la direction principale du puits. Selon l'orientation du plan de flexion par rapport à l'espace fixe, la trajectoire du puits peut être dirigée. Il est clair qu'un des avantages du dispositif 1 selon l'invention est qu'il est entièrement entraîné en rotation avec l'outil de forage, et que l'on opère donc une garniture de forage typiquement rotary. Un ensemble de capteurs de localisation 14 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. Une transmission 27, par exemple électromagnétique ou par pulsation dans la boue, doit se faire avec la surface. La transmission peut se faire directement vers la surface ou vers un appareil relais situé un peu plus haut dans la garniture, l'appareil relais étant chargé de la transmission longue distance vers la surface. Sur la figure 1, on a représenté des moyens de génération d'énergie 15 placés dans le canal 16 où circule le fluide de forage. On utilise, par exemple une turbine qui peut entraîner une pompe hydraulique et/ou un générateur d'électricité. L'ensemble 11 comporte un joint rotatif 17 permettant le transport de l'énergie sous forme hydraulique fournie par la turbine 15 vers la nacelle en mouvement rotatif. De préférence, on utilisera des circuits hydrauliques qui sont plus facilement réalisables dans cet environnement du forage. Cependant, la présente invention pourrait comprendre des moyens de commande mixtes électro-hydrauliques ou totalement électriques ou hydrauliques. La nacelle porte plusieurs éléments fonctionnels : des capteurs de repérage de sa position par rapport à l'espace fixe, des moyens électroniques de transmission et/ou de réception de la consigne imposée en fonction de la direction effective du forage, des moyens de contrôle et de commande de la rotation de la nacelle et des moyens de flexion. Tous ces éléments fonctionnels sont schématiquement rassemblés dans l'éléments référencé 18. Un moteur 19 gère la vitesse de rotation de la nacelle par l'intermédiaire d'un système d'engrenages 20 entre la nacelle et l'arbre 5. La figure 2 représente une coupe transversale au niveau des moyens de flexion 12. Dans cette variante, les moyens de flexion sont solidaires de la nacelle 11 et tournent avec ladite nacelle. La réalisation de la figure 2 illustre le principe d'un patin 21 coulissant dans une chemise 22 en fonction d'une pression hydraulique fournie par le fluide contenue dans la chambre 23. Le patin 21 s'applique sur le corps 7 par l'intermédiaire de paliers de roulement 24. Egalement, le corps 22 de la chemise est en contact avec l'arbre 5 par l'intermédiaire de paliers de roulement 25. Un conduit 26 en relation avec l'élément 18 de commande amène le fluide sous pression dans la chambre 23. Les figures 3A et 3B illustrent un autre mode de réalisation des moyens de flexion 12. Dans cette variante, les moyens de flexion ne sont pas liés en rotation avec la nacelle, mais sont fixes par rapport au corps 7. La figure 3A est une coupe des moyens de flexion à glissières. L'arbre 5 est traversé longitudinalement par un conduit 16 permettant la circulation du fluide de forage. Un mandrin 30, concentrique à l'arbre 5, comporte des fentes 31 réparties régulièrement sur la circonférence dudit mandrin. Ici, dix fentes ont été représentées espacées de 36 degrés. Des palettes ou glissières 32 sont placées dans les fentes 31. Cette disposition aménage dix chambres 33. Des plaques transversales (non représentées sur cette figure) ferment ces chambres aux deux extrémités du mandrin 30. 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 32 sur la surface interne 34 du corps 7, des glissières ou palettes 32 dans les fentes 31, des deux extrémités des palettes ou glissières 32 avec les plaques transversales de fermeture en bout de mandrin. Le principe de l'invention est donc apparent sur la figure 3A où l'on a représenté la présence d'un fluide sous pression dans une chambre ce qui procure une force radiale résultante sur l'arbre 5 et donc un effort de flexion entraînant une déflexion figurée sur la figure 3A. La profondeur des fentes 31 est telle qu'elle autorise le jeu radial des palettes ou glissières 32 en fonction de la flexion de l'arbre 5. Des moyens de rappel sont disposés au fond des fentes pour appliquer les glissières contre la paroi 34. La figure 3B montre schématiquement les moyens de flexion 11 en coupe longitudinale le long d'une glissière 32 encadrée par deux plaques transversales 35 et 36. La plaque 35 en contact glissant avec une face de la nacelle 11 fait office de distributeur de fluide sous pression par l'orifice 37 qui correspond à une des chambres 33. A chaque fois que le conduit hydraulique 26 de la nacelle est en coïncidence avec un orifice 37, la chambre correspondante est mise sous pression et une force de flexion est appliqué à l'arbre. Lorsque le conduit 26 se présente devant une autre chambre, la précédente chambre pressurisée se purge, par exemple directement dans l'espace annulaire 10. D'autres moyens de purge sont possibles et à la portée d'un homme du métier, par exemple la nacelle peut avoir une largeur suffisante pour recouvrir plusieurs chambres, et ainsi permettre de disposer d'un conduit de purge. 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 et solidarisé audit arbre par une de ses extrémités et procurant un espace annulaire défini entre ledit arbre et l'intérieur dudit corps (7), caractérisé en ce que la liaison entre l'autre extrémité du corps et l'arbre est une rotule, en ce qu'une nacelle mobile en rotation autour dudit arbre est disposée dans ledit espace annulaire et coopère avec des moyens de flexion de l'arbre (5). 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite nacelle comporte des moyens de mise en rotation dans le sens contraire à la rotation de l'arbre. 3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite nacelle comporte des moyens électroniques pour commander la stabilisation de la position de la nacelle par rapport à un repère fixe déterminé. 4) Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de flexion sont mobiles en rotation avec la nacelle. 5) Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de flexion comportent plusieurs chambres étanches réparties autour de la circonférence de l'arbre et entraînées en rotation avec l'arbre. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'énergie nécessaire au fonctionnement est fournie par une turbine placé dans un canal interne à l'arbre. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comprend des moyens de transmission et de réception d'au moins un signal entre la surface du sol et ledit dispositif, ledit signal étant au moins l'une des données suivantes : localisation du dispositif, commande de flexion, consigne de position de la nacelle, ou une mesure liée à un paramètre de forage. 8) Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de transmission et de réception communiquent avec des moyens électroniques embarqués dans ladite nacelle. 9) Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel les dits moyens de transmission et de réception communiquent avec un ensemble de transmission relais qui communique avec la surface.