Brevet FR2869066A1 — publié le 20051021

Méthode et ensemble de forage pour forer des trous de large diamètre La présente invention se rapporte à une méthode et à un ensemble de forage pour réaliser des trous de forage de large diamètre. Un domaine d'application envisagé est notamment celui de l'exploitation pétrolière offshore dans laquelle on ménage de larges trous dans le fond marin pour réaliser des fondations adaptées à amarrer les plate-formes. Des ensembles de forage connus, comprennent un outil de forage et io une tige de forage qui permettent de réaliser des trous de forage, ladite tige de forage étant entraînée en rotation pour entraîner ledit outil de manière à former ledit trou. Ces trous de forage sont réalisés dans le sol, et au fur et à mesure que la profondeur dudit trou s'accroît, et que l'outil progresse dans le sol, on rajoute des tiges de forage en surface. Parallèlement, des déblais du terrain foré remonte à la surface. Par ailleurs, au cours du forage, on injecte dans l'outil de forage, un mélange fluide, par exemple des boues de forage d'une composition déterminée qui permettent à la fois de refroidir l'outil de forage et de transporter les déblais du terrain foré, les boues de forage remontant du fond du trou vers la surface. Pour guider la remontée du mélange fluide ou des boues de forage, deux techniques sont susceptibles d'être mises en oeuvre. Une première technique, illustrée notamment dans le document US 4 341 272, dite en circulation directe (Direct Circulation en langue anglaise) selon laquelle le fluide de forage, par exemple de l'eau de mer, des boues, des gels visqueux ou une combinaison de fluides adaptés pour chaque stade du forage, est injecté à travers les tiges de forage et dans l'outil de forage. Le fluide de forage remonte ensuite, depuis le fond du trou vers la surface, dans l'espace annulaire entre la paroi du trou de forage et les tiges de forage en entraînant les déblais qui s'y trouvent en suspension. 2 2869066 Le fluide de forage est choisi en fonction du terrain, de la stabilité du trou de forage, de sa profondeur, de son diamètre, et du débit et de la vitesse d'écoulement. Cette première technique limite les risques d'effondrement de la 5 paroi du trou car en effet, elle permet de la tapisser, avec les boues de forage ou le gel visqueux par exemple, ce qui la consolide. Toutefois, dès que l'on doit réaliser des trous de large diamètre et par exemple des trous supérieurs à 36 pouces (91,44 cm), la section droite de l'espace annulaire devient trop importante par rapport à celle io des tiges de forage dans lesquelles est injecté le fluide de forage. Ces tiges sont standards et leur section est donc fixée. En conséquence, le fluide de forage n'a pas suffisamment d'énergie pour maintenir les déblais en suspension et les entraîner du fond du trou jusqu'à la surface. Afin d'y pallier, une deuxième technique dite en circulation inverse (Reverse Circulation Drilling, en langue anglaise), consiste à injecter le fluide de forage depuis la surface dans l'espace annulaire et à aspirer le mélange de fluide et de déblais à travers les tiges de forage au moyen de pompes situées en surface. Toutefois, une telle méthode nécessite des pompes extrêmement puissantes, sans quoi le mélange ne peut être entièrement remonté en surface et au surplus, la paroi du trou n'est pas consolidée par les sédiments contenus dans les déblais. En outre, la qualité de consolidation dépend de la nature du terrain foré. En particulier, lorsque ce dernier est relativement meuble, la dépression créée par l'aspiration des boues peut provoquer des instabilités ou des dislocations qui ne sont pas favorables à la stabilisation de la paroi. Un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est alors de fournir un ensemble de forage qui permette de réaliser des trous de forage de grand diamètre, tout en injectant les boues de forage à travers des tiges de forage standards. Dans ce but, la présente invention propose, selon un premier objet, un ensemble de forage comprenant un outil de forage et une tige de forage, ladite tige de forage étant destinée à entraîner ledit outil de forage 3 2869066 pour former un trou de forage présentant une paroi cylindrique, ledit ensemble comprenant en outre des moyens pour faire circuler des boues de forage à travers lesdites tiges de forage selon un flux descendant jusqu'audit outil de forage, lesdites boues de forage s'écoulant ensuite le long de ladite paroi selon un flux ascendant; ledit ensemble de forage comprenant en outre un manchon cylindrique étanche monté autour desdites tiges de forage pour guider les boues ascendantes entre ledit manchon cylindrique et ladite paroi cylindrique. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en place io du manchon cylindrique étanche autour des tiges de forage, qui permet de réduire la section de l'espace annulaire, qui s'étend désormais entre le manchon et la paroi du trou de forage. De la sorte, la pression des boues de forage dans les tiges de forage permet d'entraîner ces boues et les déblais dans l'espace annulaire vers la surface. En conséquence, grâce à la mise en oeuvre de cet ensemble de forage, non seulement la paroi du trou de forage est tapissée et consolidée par les boues mélangées aux déblais, mais en plus, on s'affranchit des pompes d'aspiration coûteuses, utilisées selon la technique antérieure de circulation inverse pour les trous de grand diamètre. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit outil de forage présentant une section efficace d'un premier diamètre, ledit manchon cylindrique présente une section d'un deuxième diamètre, par exemple compris entre 10 et 30 cm, inférieur audit premier diamètre et bien entendu supérieur au diamètre des tiges de forage pour réduire la section de l'espace annulaire. Par ailleurs, entre le manchon cylindrique étanche qui s'étend de la surface jusqu'au fond du trou, et l'outil de forage, un joint étanche est avantageusement interposé pour éviter que le fluide de forage et les déblais ne s'évacuent entre les tiges de forage et le manchon cylindrique. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le manchon cylindrique se termine, à proximité de l'outil de forage, par un joint qui s'étend entre le manchon et les tiges de forage. 4 2869066 En outre, selon un mode de réalisation de l'invention préférentiel ledit manchon cylindrique est centré sur un axe des tiges de forage par des moyens d'entretoisement. De la sorte, le manchon cylindrique est maintenu espacé des tiges de forage qui le traversent. Ainsi, les tiges de forage qui sont entraînées en rotation ne sont pas entraînées en frottement sur le manchon cylindrique qui lui est bloqué en rotation. En outre, le manchon cylindrique est par-là même, centré par rapport à l'outil de forage ce qui permet de réaliser un espace annulaire de section constante à mesure que l'outil de forage avance et réalise le trou io de forage. Au surplus, l'ensemble de forage comprend des moyens de guidage, montés autour dudit manchon cylindrique et maintenus en position fixe par rapport à la surface de manière à guider longitudinalement le manchon cylindrique, et partant, les tiges de forage. Avantageusement, le manchon cylindrique est solidaire en rotation des tiges de forage, lesquelles sont entraînées en rotation pour actionner l'outil de forage. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le manchon cylindrique est libre en rotation par rapport aux tiges de forage et il est entraîné en 20 rotation indépendamment par des moyens propres. Selon un autre objet, la présente invention propose une méthode de forage qui est mise en oeuvre au moyen de l'ensemble de forage décrit ci-dessus pour réaliser des trous de forage. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique en élévation de face d'un ensemble de forage conforme à l'invention;et, - la Figure 2 est une vue schématique de détail de l'ensemble de forage illustré sur la Figure 1. 2869066 La Figure 1 montre un ensemble de forage 10 conforme à l'invention et partiellement engagé dans un trou 11 ménagé dans le sol 12. Le trou 11 présente une paroi 13 cylindrique et s'étend entre un fond 14 et une surface 16. L'ensemble de forage 10 comprend un outil de forage 18 comportant un trépan 19, lequel est adapté à être entraîné en rotation par des tiges de forage 20 emmanchées les unes dans les autres et qui s'étendent, de l'outil de forage 18 jusqu'à des moyens d'entraînement en rotation. Par ailleurs, les tiges de forage 20 présentent un canal interne 21 io dans lequel les fluides de forage, par exemple des boues sont injectés sous pression depuis la surface pour, d'une part refroidir l'outil de forage 18 et d'autre part, entraîner les déblais. En effet, dès que le trépan 19 est entraîné en rotation il creuse le sol et produit des déblais qui sont évacués grâce aux boues de forage, dans 15 un espace annulaire 22. Par ailleurs, l'ensemble de forage 10 comprend un manchon cylindrique étanche 24 qui est monté autour des tiges de forage 20, de l'outil de forage 18 jusqu'à la surface 16 et au-dessus. Ce manchon cylindrique étanche 24 présente une surface externe 23 qui s'étend en regard de la paroi 13 du trou 11 et une surface interne 25 en regard des tiges de forage 20. Ce manchon cylindrique étanche 24 est formé d'une pluralité de portions cylindriques 26, qui sont ajustées ensemble au fur et à mesure de la réalisation du trou et de la progression de l'outil de forage 18, lorsque l'on fore à partir de la terre ferme. En revanche, l'ensemble de forage permet tout aussi bien de forer le sol dans les fonds marins, les éléments cylindriques 26 du manchon 24 étant alors assemblés sur une plate-forme de forage. Les portions cylindriques 26 sont reliées bout à bout par des anneaux de centrage 28 qui forment également, entretoise entre les tiges de forage 20 et le manchon cylindrique 24. Pour ce faire, ces anneaux de centrage 28 présentent une partie cylindrique dans laquelle viennent 6 2869066 s'emmancher les deux portions de cylindre et une partie centrale formant flasque dans laquelle est ménagé au centre un orifice permettant le passage des tiges de forage. Les anneaux de centrage 28 s'étendent en dehors de l'enveloppe définie par le manchon cylindrique 24 et ils permettent également de centrer le manchon cylindrique dans le trou 11. Ainsi, le manchon cylindrique est à la fois parfaitement étanche au niveau de la jonction entre les portions cylindriques 26 et il est maintenu parfaitement centré par rapport aux tiges de forage 20 grâce aux parties centrales formant flasque. On se référera maintenant à la Figure 2, pour décrire plus en détail la jonction entre l'outil de forage 18 et le manchon cylindrique étanche 24. On retrouve sur cette Figure 2, l'outil de forage 18 et son trépan 19 qui permet la désagrégation mécanique des roches et la pénétration de l'ensemble dans le sol 12. Les tiges de forage 20 se prolongent jusqu'à une extrémité 30 qui est liée en rotation au trépan 19 et qui permet de l'entraîner. En outre, entre l'outil de forage 18 et le manchon cylindrique étanche 24, un joint d'étanchéité 32 est adapté à faire barrage aux déblais issus de la désagrégation mécanique des roches et aux boues de forage qui sont amenées sous pression grâce au canal interne 21 de façon à éviter qu'ils ne pénètrent dans l'espace situé entre le manchon cylindrique étanche 24 et les tiges de forage 20. Ainsi, à l'avant du trépan 19, se forme un mélange de boues de forage et de sédiments des déblais en suspension, qui est refoulé vers l'arrière du trépan au fur et à mesure qu'il progresse et que les boues sont injectées. Grâce à la pression des boues de forage, le mélange s'évacue le long de la paroi 13 dans l'espace annulaire 22 vers la surface selon les flèches F. Cet espace annulaire 22 est ainsi limité grâce au manchon cylindrique étanche 24 qui permet de former un espace longitudinal 36 libre entre les tiges de forage 20 et le manchon 24, dans lequel le mélange de boues ne peut s'écouler. 7 2869066 De la sorte, pour une section efficace Seff de l'outil de forage 18 supérieure à un mètre, par exemple, et pour des tiges de forage 20 standards dont le canal interne 21 est calibré, l'évacuation du mélange de boues de forage peut se faire dans l'espace annulaire 22 ainsi formé car il présente des dimensions relativement faibles comparées à celles du canal interne 21 qui lui, permet d'obtenir un débit de boues de forage limité à une pression déterminée. En absence de manchon cylindrique étanche 24, l'espace annulaire à travers lequel le mélange de boues de forage pourrait s'évacuer io correspondrait à l'espace entre la paroi 13 du trou 11 et les tiges de forage 20. Les dimensions de cet espace seraient alors trop importantes, et notamment pour des diamètres de trou supérieurs à un mètre, pour que la pression et le débit de boues de forage du canal interne 21 puissent, d'une part mettrent les sédiments des déblais en suspension homogène dans les boues et d'autre part, entraîner ce mélange vers la surface. En effet, la pression du mélange qui s'accumulerait à l'arrière de l'outil de forage 18 deviendrait rapidement supérieure à la pression des boues de forage qui circulent dans le canal interne 21. Selon un exemple de réalisation, pour un outil de forage 18 dont la section efficace est adaptée à forer des trous de forage d'un diamètre de 167 cm, il est nécessaire de monter un manchon cylindrique étanche centré par rapport aux tiges de forage 20, d'un diamètre supérieur à 140 cm pour que le mélange de boues de forage puisse remonter à la surface. Une loi de calcul du diamètre d du manchon par rapport au diamètre D du trou de forage peut être donnée à titre d'illustration, par la formule: d2 > D28200. Cette loi est notamment vérifiée pour des diamètres de trou de forage compris, par exemple, entre 1 et 2 mètres. Tel que l'illustre la Figure 1, l'ensemble de forage 10 comporte avantageusement un élément tubulaire de guidage 40 maintenu en position fixe au voisinage de la surface du sol 16 et qui permet de guider en translation le manchon cylindrique étanche 24 tandis que les tiges de forages 20 sont-elles, entraînées à la fois en translation et en rotation. 8 2869066 REVENDICATIONS 1. Ensemble de forage comprenant un outil de forage (18) et une tige de forage (20), ladite tige de forage étant destinée à entraîner ledit outil de forage pour former un trou (11) de forage présentant une paroi cylindrique (13), ledit ensemble comprenant en outre des moyens pour faire circuler des fluides de forage à travers lesdites tiges de forage (20) selon un flux descendant jusqu'audit outil de forage (18), lesdits fluides de forage s'écoulant ensuite le long de ladite paroi cylindrique (13) selon un flux ascendant; caractérisé en ce qu'il comprend en outre un manchon cylindrique étanche (24) monté autour desdites tiges de forage (20) pour guider les fluides de forage ascendants entre ledit manchon cylindrique (24) et ladite paroi cylindrique (13). 2. Ensemble de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit outil de forage (18) présentant une section efficace d'un premier diamètre, ledit manchon cylindrique étanche (24) présente une section d'un deuxième diamètre inférieur audit premier diamètre. 3. Ensemble de forage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, ledit manchon cylindrique étanche (24) et ledit outil de forage (18) sont liés ensemble par un joint étanche (32). 4. Ensemble de forage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit manchon cylindrique étanche (24) est centré sur un axe des tiges de forage (20) par des moyens d'entretoisement (28). 5. Ensemble de forage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de guidage (40), montés autour dudit manchon cylindrique étanche (24). 6. Méthode de forage pour réaliser un trou de forage, caractérisée en ce qu'on utilise un ensemble de forage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.