Brevet FR2812338A1 — publié le 20020201

Procédé et dispositif de forage rotary d'un puits La présente invention concerne un procédé de forage rotary d'un puits, permettant la maîtrise active de la trajectoire du puits en cours de forage, en inclinaison et en azimut. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les techniques visant à maîtriser, pendant le forage d'un puits, la direction de la trajectoire du puits foré ont connu une avancée spectaculaire avec l'apparition des mesures en fond de trou pendant le forage (techniques dites MWD, de l'anglais "Measurement While Drilling"). L'orientation du forage peut ainsi être aisément suivie et maîtrisée en inclinaison et en azimut, en utilisant conjointement des systèmes déviateurs classiques, tels que moteur de fond assemblé à un raccord coudé (en anglais, "motor and bent-sub") ou, plus récemment, moteur de fond avec coude intégré (en anglais, "bent-housing"). Ces systèmes de forage au moteur de fond, et principalement le dernier cité, qui est très largement utilisé aujourd'hui, ont pris une part de plus en plus importante au sein de la panoplie des outils directionnels mis au service des opérations du forage dirigé moderne. Ces dernières années, ils ont même eu tendance à supplanter les outils directionnels faisant appel au principe du forage rotary classique. Le forage au moteur de fond présente toutefois un certain nombre d'inconvénients. Le principal est lié au fait que, pour effectuer des corrections de trajectoire, il est nécessaire de maintenir la garniture de forage arrêtée en rotation, afin de pouvoir orienter le coude du moteur de fond dans une direction déterminée dans un plan fixe. L'arrêt de la rotation de la garniture entraîne une augmentation significative des frottements du train de tiges à l'intérieur du puits, ce qui pénalise, entre autres, la transmission correcte du poids sur l'outil de forage nécessaire à la bonne progression du forage. Par conséquent, la vitesse de pénétration s'en trouve réduite, ainsi que la longueur possible des passes de forage, que ce soit sur des puits déviés classiques, sur des puits fortement déviés ou sur des drains horizontaux. L'arrêt de la rotation peut également, dans certains cas, entraîner le collage des tiges contre la paroi du trou, par un effet de pression différentielle, ce qui met en péril la poursuite du forage. 2 2812338 D'autres techniques, développées actuellement, visent à mettre en oeuvre des systèmes permettant la maîtrise de l'orientation du forage en inclinaison et en azimut, tout en maintenant la rotation du train de tiges depuis la surface, principe fondateur du forage rotary classique. Les systèmes dits RSS, de l'anglais "Rotary Steerable System", les plus évolués (et les plus complexes), permettent de générer une force sensiblement latérale à l'outil ou de faire légèrement pivoter celui-ci dans n'importe quelle direction de l'espace, à l'aide de pistons qui s'appuient sur la paroi du puits ou qui induisent une flexion de l'arbre de forage en amont de l'outil. La complexité de ces systèmes est liée au mécanisme d'activation, ainsi qu'au dispositif de contrôle et de commande de l'orientation de l'action. Parallèlement, le développement des codes de comportement directionnel de la garniture en forage rotary classique, mettant en oeuvre des garnitures rotary stabilisées, a permis de mettre en évidence l'influence d'un certain nombre de paramètres, liés à la géométrie et aux caractéristiques mécaniques de la garniture, qui ont une influence significative sur la réponse directionnelle du système de forage. En effet, si le puits présente une inclinaison significative, la garniture sous l'effet de la gravité, repose sur la partie basse du trou. Elle adopte un profil déformé (en abrégé, une "déformée"), que l'on peut maitriser en faisant varier les appuis, c'est-à-dire en agissant sur la position et le diamètre des stabilisateurs, qui ont pour fonction de centrer plus ou moins les masses-tiges dans le trou. Pour une certaine déformée de la garniture, on connaît l'orientation de la force latérale à l'outil, qui est, pour simplifier, soit dirigée vers le haut, soit dirigée vers le bas, au sens de la gravité. L'expérience a montré que toute garniture rotary classique qui transmet à l'outil une force latérale dirigée vers le haut et de module suffisamment important développera, dans une formation consolidée, une tendance dite "montante" (en anglais "build- up tendency"), ce qui aura pour effet final une augmentation de l'inclinaison du puits à mesure que le forage se poursuit. A l'inverse, toute garniture rotary classique qui transmet à l'outil une force latérale dirigée vers le bas et de module suffisamment important, développera, dans une formation consolidée, une tendance dite "chutante" (en anglais, "drop-off tendency"), ce qui aura pour effet final une diminution de l'inclinaison du puits à mesure que le forage se poursuit. 3 2812338 A ces deux comportements possibles, on peut en ajouter un troisième, qui concerne l'utilisation des garnitures de forage rotary dans les sections droites (en anglais, "slant sections"), qui constitue encore aujourd'hui une grande proportion du métrage foré sur les puits déviés modernes. En effet, l'expérience a aussi montré que toute garniture rotary classique se trouvant soumise à une force latérale à l'outil, dirigée soit vers le haut, soit vers le bas, et de module faible (ou à fortiori nul) développe, dans une formation consolidée, une tendance dite "neutre" (en anglais "lock-up tendency"), ce qui a pour effet final un maintien de l'inclinaison du puits à mesure que le forage se poursuit. C'est ce qu'illustrent les figures la, lb, 2a et 2b de l'ensemble des dessins schématiques annexés, dont les autres figures seront explicitées plus en détail ci-après, en référence à la description de la présente invention. Pour plus de commodité, sur ces figures les garnitures de forage sont représentées à l'horizontale, ce qui n'est qu'une configuration particulière de l'inclinaison. Plus précisément: La figure la illustre un exemple de configuration de garniture rotary classique dite montante; La figure lb illustre un exemple de configuration de garniture rotary classique dite descendante; Les figures 2a et 2b illustrent le contrôle de l'inclinaison d'un forage à l'aide d'un stabilisateur à diamètre variable. Sur la figure la, la garniture de forage, c'est-à-dire l'arbre de forage et les organes qui l'équipent, est désignée par la référence 1, deux stabilisateurs sont désignés par les références 2 et 3, l'outil de forage par la référence 4 et le puits en cours de forage par la référence 6. On voit que, sous l'effet de la gravité, la section de la garniture 1 comprise entre les stabilisateurs 2 et 3 fléchit vers le bas, ce qui entraîne un effet de levier sur le premier stabilisateur 2 et permet d'engendrer sur l'outil 4 une force Fi dirigée vers le haut. La figure lb, sur laquelle les organes déjà décrits sont désignés par les mêmes chiffres de référence, illustre une configuration classique de garniture descendante. En supprimant le stabilisateur 2 de la figure la situé près de l'outil 4, l'ensemble de la garniture 1 compris entre le stabilisateur 3 et l'outil 4 génère, par effet pendulaire, une force F2 latérale à l'outil et orientée vers le bas. 4 2812338 Pour mettre à profit, pour le contrôle de l'inclinaison, le principe physique illustré par ces figures, on a conçu des stabilisateurs à diamètre variable, qui peuvent généralement adopter différents diamètres de lames (deux diamètres extrêmes au minimum, ou trois diamètres de lames, ou plus), leur activation et leur désactivation se faisant notamment en agissant sur le poids exercé sur l'outil, ou encore sur la pression d'injection et le débit du fluide de forage. En choisissant de façon judicieuse les deux diamètres extrêmes d'un stabilisateur à diamètre variable et en jouant sur la configuration de la garniture (espacement et diamètre des stabilisateurs), il est possible d'avoir une garniture montante, pour un diamètre extrême du stabilisateur, et une garniture descendante, pour l'autre diamètre extrême. C'est ce qu'illustrent les figures 2a et 2b, o le stabilisateur 5, en deuxième position à partir de l'outil de forage 4, présente deux diamètres différents, l'un réduit (sous-dimensionné, en anglais "undergauge, c'està-dire ayant un diamètre inférieur à celui du trou foré") - voir figure 2a - correspondant à une garniture montante, et l'autre plus grand (maximum, plein-trou, en anglais "full-gauge, c'est- à-dire ayant un diamètre très proche de celui du trou foré") - voir figure 2b - correspondant à une garniture descendante. Entre ces deux extrêmes, il est évidemment possible de choisir un diamètre approprié permettant pratiquement d'annuler la force à l'outil, rendant ainsi la garniture de forage neutre dans son comportement directionnel en inclinaison, comme cela a été rappelé plus haut. Il n'a cependant pas été envisagé, dans la technique antérieure, d'utiliser un stabilisateur, à géométrie variable ou non, pour maîtriser la direction azimutale d'un système de forage rotary, c'est-à-dire de l'ensemble constitué par la garniture et l'outil de forage, le terme de "géométrie variable" pouvant être pris au sens strict de diamètre variable ou pouvant englober des changements de forme, de surfaces de contact, d'état de ces surfaces de contact ou de distance entre points de contacts. La présente invention vise à fournir les moyens d'effectuer un tel contrôle et une telle maîtrise, c'est-à-dire d'exercer sur le système de forage rotary une action propre à produire une modification de la direction azimutale du système, par exemple un ralentissement de la 2812338 tendance du système à forer vers la droite ou vers la gauche, voire même une inversion de la direction du forage de la droite vers la gauche ou vice-versa. A cet effet, l'invention a pour premier objet un procédé de forage rotary d'un puits, ce procédé étant caractérisé par les phases successives suivantes: - on introduit dans une portion pré-forée du puits un système de forage comprenant un outil de forage assemblé avec des éléments tubulaires de garniture, des moyens de mesure de la direction en inclinaison et en azimut de la partie pré-forée du puits, des moyens de friction rotative contre la paroi de cette partie pré-forée et des moyens commandés aptes à modifier le coefficient de frottement de ces moyens de friction contre la paroi; - on mesure la direction en azimut de la partie pré-forée du puits; - et l'on fait varier le coefficient de frottement desdits moyens de friction dans une mesure suffisante pour influer sur la direction et en azimut de la portion suivante de puits à forer. L'invention a également pour objet une garniture de forage rotary dirigée, pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, cette garniture comprenant un outil de forage assemblé avec des éléments tubulaires de garniture, des moyens de mesure de la direction en inclinaison et en azimut d'une partie pré-forée du puits dans laquelle elle est destinée à être engagée, et des moyens de friction rotative contre la paroi de cette partie pré- forée, cette garniture étant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens commandés aptes à modifier le coefficient de frottement des moyens de friction contre la paroi, en vue de modifier la force latérale transmise par la garniture à l'outil de forage. Avantageusement, les moyens de friction comprennent au moins un élément stabilisateur à géométrie variable, qui assure la maîtrise active des variations d'inclinaison et dont le bloc-lames est monté libre en rotation par rapport à la garniture et des moyens commandés de liaison en rotation du bloc-lames du dit stabilisateur avec la garniture, réalisant ainsi deux modes d'utilisation possibles: mode débrayé (bloc- lames libre en rotation par rapport à la garniture) / mode embrayé (bloc-lames lié en rotation par rapport à la garniture). Ces moyens de liaison sont de préférence tels que l'élément stabilisateur peut occuper deux états distincts, à savoir un premier 6 2812338 état, dans lequel le coefficient de frottement est annulé ou réduit correspondant au mode débrayé, et un second état, dans lequel ce coefficient est accru par rapport au précédent et qui correspond au mode embrayé. Le passage d'un état à l'autre peut être commandé à distance depuis la surface du sol, en fonction de la position mesurée de l'outil de forage et des informations sur cette position transmises à la surface. Dans la solution proposée ici, la variation du coefficient de frottement des moyens de friction rotative est obtenue en modifiant la zone de glissement: contre la paroi en mode embrayé (fort coefficient de frottement), entre la garniture et le bloc-lames en mode débrayé (coefficient de frottement faible, voire nul). Il doit être souligné que cette modification du coefficient de frottement peut être obtenue par d'autres moyens sans modification de la zone de glissement. On peut, par exemple, modifier l'état de surface des lames (sortie de petites aspérités, modifications de l'orientation de stries...) d'un stabilisateur classique, ce qui a pour effet de modifier le coefficient de frottement à l'interface entre les lames et la formation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, dans laquelle on se référera à celles des figures des dessins annexés qui n'ont pas encore été mentionnées, dans lesquelles: La figure 3a est une vue schématique en perspective illustrant l'incidence du frottement d'un stabilisateur de diamètre inférieur à celui d'un puits sur la paroi de celui-ci et le rôle de l'outil sur l'orientation de la direction de forage hors du plan vertical; La figure 3b est une coupe selon le plan transversal 22 de la figure 3a; La figure 4a est une vue analogue a la figure 3a du dispositif de forage conforme à l'invention, avec le stabilisateur en mode embrayé, c'est-à-dire avec la garniture de forage en prise avec le bloc-lames; La figure 4b est une coupe selon le plan transversal 22 de la figure 4a; Les figures 5a et 5b sont des vues analogues, respectivement, aux figures 4a et 4b, avec le stabilisateur en mode débrayé, c'est-à-dire avec la garniture de forage non en prise avec le bloc-lames; 7 2812338 Les figures 6 et 7 sont des graphiques donnant le gradient d'azimut et d'inclinaison, pour les deux modes embrayé et débrayé, en fonction du coefficient de frottement entre le stabilisateur selon l'invention et la formation dans laquelle est foré le puits; La figure 8 est une vue illustrant les dimensions d'une garniture selon l'invention. Comme exposé ci-dessus, les travaux effectués par les Demanderesses concernant le comportement directionnel des systèmes de forage ont permis de mettre en évidence l'incidence d'un certain nombre de paramètres sur la réponse en azimut du système de forage. Ces paramètres sont principalement: - le coefficient de frottement entre le stabilisateur et la paroi du puits, - l'outil de forage. La figure 3a présente une garniture de forage composée de masse-tiges 15 assemblées et comportant un outil 11, deux stabilisateurs plein trou, l'un 12, connu sous le nom de "near bit", qui vient de l'anglais et qui veut dire "proche de l'outil", et l'autre 14, connu sous le nom de "string stabiliser", qui vient de l'anglais et qui veut dire "stabilisateur intégré à la garniture", ce terme désignant tout stabilisateur hormis celui qui se trouve proche de l'outil, et enfin un stabilisateur 13 sous-dimensionné, c'est-à-dire de diamètre inférieur à celui du trou. Une fois introduites dans un puits incliné 16 et sous l'effet de la gravité 17, les masse-tiges entre les stabilisateurs 12 et 14 fléchissent et le stabilisateur 13 entre en contact avec la partie basse du trou. La figure 3b est une vue en coupe suivant le plan transversal 22, au niveau du stabilisateur 13. Sous l'effet combiné de la rotation 18 et du coefficient de frottement entre le stabilisateur 13 et la paroi du puits 16, le stabilisateur 13 est soumis à une force tangentielle 19, qui tend à faire remonter le point de contact 25 sur la paroi du puits et permet ainsi de faire pivoter vers la gauche, par rapport au plan vertical 24, la force latérale 20 appliquée par la garniture 15 sur l'outil. La garniture a donc tendance à pousser légèrement l'outil vers la gauche. En jouant sur sa géométrie, il est possible de concevoir un outil de forage dont le déplacement latéral 21 se fera vers la gauche (cas de la 8 2812338 figure 3a), parallèlement, ou vers la droite, par rapport à la direction de la force latérale 20 appliquée par la garniture. En résumé, le comportement directionnel en azimut d'un système de forage ou sa capacité à forer dans une direction hors du plan vertical dépend donc: - du coefficient de frottement du stabilisateur sous-dimensionné contre la paroi, qui a une influence sur la direction de la force latérale transmise par la garniture à l'outil de forage, - du comportement directionnel de l'outil, qui définit l'orientation de la direction de forage à partir de la direction de la force appliquée. Un exemple de mise en oeuvre de la présente invention est présenté sur la figure 4a. La configuration de la garniture est celle de la figure 3a, et les organes déjà décrits en référence à cette figure 3a sont désignés par les mêmes chiffres de référence, mais le stabilisateur 13 a été remplacé, conformément à la présente invention, par un stabilisateur à géométrie variable, comprenant un bloc-lames 26 et un corps de stabilisateur 27. Comme indiqué ci-dessus, le terme "géométrie variable peut être pris au sens strict de diamètre variable ou englober des changements de forme, de surfaces de contact, d'état de ces surfaces de contact ou de distance entre points de contacts. Sur cette figure 4a, le bloc-lames 26 est représenté en mode embrayé, c'est-à-dire solidaire du corps du stabilisateur 27. La figure 4b est une vue en coupe suivant le plan transversal 22 et elle montre que le frottement a lieu à l'interface entre le bloc-lames 26 et la roche 16, l'ensemble se comportant comme un stabilisateur classique. Dans le mode débrayé de la figure 5Sa, le bloc-lames 26 n'est plus solidaire du corps du stabilisateur 27 et la force latérale 20 transmise par la garniture 15 au stabilisateur se trouve alors dans le plan vertical 24. La figure 5b est une vue en coupe suivant le plan 22 et montre que le frottement a lieu à l'interface entre le bloc-lames 6 et le corps du stabilisateur 27: le coefficient de frottement étant très faible, la force tangentielle 19 est presque nulle et le point de contact 25 se situe dans le plan vertical. 9 2812338 On notera que, pour avoir un gradient d'azimut positif dans un des modes d'utilisation du stabilisateur, et un gradient négatif dans l'autre mode, on peut intervenir sur les paramètres suivants: - le nombre, le diamètre et la position des stabilisateurs, - la position, le diamètre et le coefficient de frottement du bloc- lames sur la formation forée, en mode embrayé, - les caractéristiques directionnelles de l'outil de forage. La figure 6 montre l'évolution du gradient d'azimut (en degrés/30 mètres) en fonction du coefficient de frottement bloc-lames/formation pour une garniture montante comprenant quatre stabilisateurs. On peut noter qu'en passant par exemple d'un coefficient de frottement de 0,4, correspondant au mode embrayé du stabilisateur, à un coefficient nul, correspondant au mode débrayé, le gradient d'azimut passe alors de 0,1 degré/30m (vers la gauche) à +0,02 degré/30m (vers la droite). Ces valeurs peuvent être augmentees en adaptant la configuration et le type d'outil de forage. La figure 7 illustre l'évolution du gradient d'inclinaison en fonction du coefficient de frottement "actif' bloc-lames/formation, c'est-à-dire celui sur lequel il est possible d'agir, toujours au niveau du même stabilisateur. On note que le gradient d'inclinaison est sensiblement indépendant du coefficient de frottement, ce qui démontre que la commande du système directionnel en azimut, en utilisant l'invention, reste indépendante du comportement en inclinaison. Les caractéristiques dimensionnelles d'une garniture montante conforme à l'invention apparaissent sur la figure 8, o les organes déjà décrits en référence aux figures 4a, 4b, 5a, 5b sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Les diamètres des différents organes y sont exprimés non seulement en centimètres, mais, selon l'usage dans le domaine pétrolier, également en pouces (on rappelle qu'un pouce vaut 2,54 cm). 2812338 REVENDICATIONS 1. Procédé de forage rotary d'un puits, ce procédé étant caractérisé par les phases successives suivantes: - on introduit dans une portion préforée du puits (16) un système de forage comprenant un outil de forage (11) assemblé avec des éléments tubulaires de garniture (15), des moyens de mesure de la direction en inclinaison et en azimut de la partie préforée du puits, des moyens de friction rotative (26, 27) contre la paroi de cette partie pré- forée et des moyens commandés aptes à modifier le coefficient de frottement de ces moyens de friction contre la paroi; - on mesure la direction en azimut de la partie pré-forée du puits (16); - et l'on fait varier le coefficient de frottement desdits moyens de friction (26, 27) dans une mesure suffisante pour influer sur la direction en azimut de la portion suivante de puits à forer. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de friction rotative comprennent un élément stabilisateur à géométrie variable (26, 27), monté libre en rotation par rapport à la garniture (15) , et des moyens commandés de liaison en rotation de cet élément stabilisateur avec la garniture (15). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on mesure également la direction en inclinaison de la partie pré forée du puits et en ce que l'élément stabilisateur à géométrie variable (26, 27) est un élément stabilisateur à diamètre variable, permettant de modifier l'inclinaison de la portion suivante de puits à forer. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément stabilisateur (26, 27) est apte à fonctionner suivant deux modes distincts, à savoir un premier mode, selon lequel le coefficient de frottement contre la paroi de la portion pré-forée du puits (16) est nul ou réduit, et un second mode, selon lequel ce coefficient de frottement est accru par rapport à celui du mode précédemment cité. 5. Garniture de forage rotary, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, cette garniture comprenant un outil de forage (11) assemblé avec des éléments tubulaires de garniture (15), des moyens de mesure de la direction en inclinaison et en azimut d'une partie pré-forée du puits (16) dans laquelle elle est destinée à être engagée, et des moyens de friction rotative (26, 27) contre la paroi de 1 1 2812338 cette partie pré-forée, cette garniture étant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens commandés aptes à modifier le coefficient de frottement des moyens de friction contre cette paroi, en vue de modifier la force latérale transmise par la garniture à forage. 6. Garniture selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de friction comprennent au moins un élément stabilisateur à géométrie variable, monté libre en rotation par rapport à la garniture (26, 27), et des moyens commandés de liaison en rotation de cet élément stabilisateur avec la garniture. 7. Garniture selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément stabilisateur à géométrie variable (26, 27) est un élément stabilisateur à diamètre variable. 8. Garniture selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que les moyens de liaison sont tels que l'élément stabilisateur (26, 27) peut occuper deux modes distincts, à savoir un premier mode, dans lequel le coefficient de frottement est annulé ou réduit, et un second mode, dans lequel ce coefficient est accru par rapport à celui du premier mode.