Brevet FR2875533A1 — publié le 20060324

La présente invention concerne le domaine du forage, en particulier le forage Rotary, c'est à dire au moyen de la mise en rotation d'une garniture de forage liée à un outil de destruction de la roche. Plus précisément, la présente invention est mise en oeuvre dans le cadre de la technique du forage à circulation inverse. Cette technique de forage en "circulation inverse" peut être considérée comme non conventionnelle à comparer au forage standard avec circulation en direct par l'intérieur des tiges dans lequel la pression d'injection en surface est souvent comprise entre 100 et 300 bar, compte tenu principalement des pertes de charges dans la garniture, et la pression dissipée par les duses de l'outil pour le nettoyer, le refroidir, et éroder la formation. La boue chargée des déblais remonte dans l'espace annulaire entre le trou foré et la garniture de forage. Le forage en circulation inverse consiste à injecter le fluide de forage en surface par l'espace annulaire et de faire remonter le fluide chargé des déblais de forage par l'intérieur de la garniture de forage. Ainsi, la présente invention concerne un système de forage en circulation comportant: - un outil de forage, - une garniture de forage comportant des tiges de forage, - des moyens de mise en rotation dudit outil par l'intermédiaire desdites tiges. Le système comporte une pompe volumétrique constituée d'un stator et d'un rotor, ledit stator étant incorporé audites tiges de forage, et le rotor est assemblé à des tiges de manoeuvre disposées à l'intérieur des tiges de forage. Le rotor peut être entraîné en rotation par rapport audit stator par au moins l'une des actions suivantes: la rotation des tiges de forage, la rotation 5 des tiges de manoeuvre liées au rotor. Le rotor de la pompe peut être dégagé du stator en démontant les tiges de manoeuvre. L'invention concerne également une méthode de forage en circulation dans laquelle: - on effectue la mise en rotation d'un outil de forage par une garniture de tiges de forage, - on fait circuler un fluide de forage dans le puits foré,. Selon la méthode, des moyens de pompage sont placés dans ladite garniture de façon à aspirer le fluide de forage venant du fond du puits par l'espace interne des tiges de forage et à refouler ledit fluide vers la surface par l'espace interne des tiges, de manière à assurer une circulation inverse. Les moyens de pompage peuvent comporter un stator vissé entre des tiges de forage et un rotor assemblé à des tiges de manoeuvre disposées à l'intérieur des tiges de forage, ledit stator étant entraîné en rotation avec les tiges de forage. Le rotor peut être entraîné en rotation par les tiges de manoeuvre. Le niveau de fluide dans le puits peut être contrôlé par le débit de ladite pompe et le débit de remplissage du puits. On peut retirer le rotor en démontant les tiges de manoeuvre pour 25 laisser libre l'espace interne de la garniture. On peut rétablir une circulation directe en injectant le fluide de forage par des pompes de surface par l'espace interne de la garniture de forage. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus 30 clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en oeuvre, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: 2875533 3 - la figure 1 montre schématiquement le principe de l'invention; - la figure 2 montre schématiquement une phase d'utilisation de l'invention. La figure 1 montre schématiquement un puits 1 foré, ou en cours de forage, dans le sol. Sur cette figure, le puits est cuvelé en partie, par une colonne de surface 2, et une colonne intermédiaire 3. La partie du puits référencée 4 est en découvert, communément appelé "open-hole". Une garniture de forage se trouve dans le puits. Cette garniture se compose d'un outil de forage 5, de masses tiges 6, et de tiges de forage 7 dont les assemblages remontent jusqu'à la surface du sol. Des moyens de mise en rotation de l'ensemble de la garniture sont référencés 8. Ces moyens de rotation peuvent être constitués par une table de rotation, ou par une tête motorisée d'injection dénommée communément par "Power Swivel". Le système de circulation des fluides de forage comprend des bacs de surface 9 reliés à la tête de puits par une canalisation 10 de manière à remplir le puits par déversement. La charge hydraulique dans l'annulaire du puits 1 étant procurée par le niveau du fluide dans les bacs. Une tête de circulation 11 à raccord tournant collecte le fluide de forage de retour vers les bacs à boue en passant sur les moyens de séparation 12. Selon l'invention, le stator 13 d'une pompe volumétrique est disposé au sein de l'assemblage des tiges de forage. Le rotor 14 est tenu par des tiges de manoeuvre 15 dont l'assemblage remonte jusqu'à la surface, et en particulier hors de la tête de circulation 11 pour que son extrémité 16 puisse être accessible à des moyens de manipulation et à des moyens de rotation 17. Un dispositif d'instrumentation 18 est disposé de préférence au plus proche de l'outil, et permet les mesures, ainsi que la transmission, de paramètres de fond, notamment les pressions interne et externe à la garniture. La figure 2 montre l'installation de forage dans laquelle on effectue une circulation directe, c'est à dire une circulation forcée par injection du fluide de forage par des pompes de surface 20 dans l'espace intérieur de la garniture 7, 2875533 4 par l'intermédiaire de la tête de circulation 11. Pour cela, le rotor 14 est retiré hors du stator 13 de façon à laisser libre le canal interne à la circulation directe symbolisé par les flèches. A l'aide d'un treuil, non représenté ici, les tiges de manoeuvre 15 sont remontées d'une longueur suffisante pour sortir le rotor du stator. Fonctionnement: Dans le cas du forage en circulation inverse, le fluide de forage propre descend par l'annulaire, circule autour de l'outil et remonte par l'intérieur des tiges. Pour assurer une circulation positive la pompe (de type Moineau) volumétrique est positionnée à environ -400m permettant de générer un gain de pression et une circulation forcée d'évacuation de la boue chargée, circulation facilitant le nettoyage et le refroidissement de l'outil 5. La forme et la structure de l'outil de forage sont adaptées pour répartir la circulation au niveau du front de taille de manière à assurer un nettoyage et un refroidissement suffisants. Ce système permet le contrôle du niveau du fluide déversé dans l'annulaire qui détermine la pression au fond. Cette valeur ajustable permet d'effectuer un forage avec une pression de fond contrôlée: en surpression ("over balanced), en équilibre ("at-balance") ou en dépression ("under balanced"), selon les dénominations conventionnelles. Selon une variante préférée, la pompe est une pompe de type Moineau (PCP) de grande capacité (1500 Umin), avec une faible gain de pression, entre 30 et 50 bar, compte tenu de sa position dans le puits. La pompe peut être mono ou multi lobes (de préférence mono lobe). Le diamètre d'encombrement du rotor doit être tel qu'il puisse passer dans le diamètre interne des tiges. Le rotor doit tourner à gauche avec entraînement par des tiges ayant des filetages à gauche pour éviter qu'elles ne se dévissent lors de la rotation à droite du train de tiges de forage. La rotation du train de tiges de forage étant à droite, la rotation relative du rotor (gauche) par rapport au train de tige (droite) diminue la vitesse de rotation appliquée à la surface sur les tiges de manoeuvre. 2875533 5 Le diamètre du corps du stator de la pompe peut atteindre le diamètre extérieur des raccords de tiges (par exemple: tool joint 6 3/ (171,45 mm) pour tiges 5" (127 mm)). Un dispositif de positionnement du rotor (non représenté sur les figures) est installé au dessus du stator de la pompe pour empêcher le passage au travers du stator, afin de faciliter le réglage de la position du rotor par rapport au stator. Le forage rotary avec table, ou avec tête d'entraînement électrique ou hydraulique nécessite une adaptation de l'entraînement des tiges de 10 manoeuvre et de mise en rotation du rotor. Il faut un retour de boue au travers de la tige par joint tournant avec une étanchéité en rotation sur les tiges de manoeuvre 15. Les instrumentations 18, de type MWD ("Measurement While Drilling") mesurent, entre autres, la pression à l'intérieur de la garniture et la pression dans l'annulaire. Ainsi, la pression annulaire permet de contrôler la hauteur de la colonne de fluide dans l'annulaire, et la pression interne permet de détecter des anomalies de pression interne, par exemple dues à des venues dans le puits: gaz ou hydrocarbure liquide. Au fur et à mesure de l'approfondissement du forage, la position du stator devient de plus en plus éloignée de la surface. Pour revenir à un positionnement optimal, on peut visser sur la garniture de forage, lors de manoeuvre des tiges, un second stator qui sera situé plus haut que le premier. Le rotor sera descendu, mis en place et activé par un ensemble de tiges de manoeuvre de longueur adéquat. Bien entendu, si la manoeuvre du train de tiges est complète, on peut alors replacer la premier stator à la place optimale, sans avoir besoin d'un second. Avantages de l'invention: ^ Possibilité, en fonction des phases de forage, de choisir le mode de 30 circulation de boue: directe ou inverse, en surpression ou en dépression; ^ Contrôle de la pression de fond en jouant sur la hauteur de remplissage de l'annulaire et cela en continu, et possibilité de changer très 2875533 6 rapidement de régime de pression sans changer la densité de la boue, uniquement en ajustant le niveau de l'annulaire; ^ Bon nettoyage de l'outil, circulation par aspiration au niveau de l'outil, pas de reforage des déblais; ^ Boue: - La viscosité peut être réduite puisque la vitesse de remontée dans les tiges est plus grande; - La densité de la boue est plus ou moins indépendante de la densité nécessaire au contrôle de la pression de fond; - Remontée plus rapide des débris de forage, moins mélangés, moins endommagés. L'information est plus directe et rapide pour le géologue de surveillance; ^ Pas de pompe à boue HP en surface, réservée au contrôle du puits uniquement ou à des phases de forage classiques avec circulation en direct; ^ Pression de pompage très réduite d'ou économie d'énergie et d'équipement, pas d'usure des tiges soumises à haute pression, pas d'endommagement de la boue par pompage; ^ Possibilité de passer au travers de la pompe volumétrique une fois le rotor remonté en surface pour permettre l'intervention avec des outils dans 20 les tiges (coincement, mesures); ^ La gestion des rejets est contrôlée puisque le fluide chargé est confiné dans les tiges. Il peut être transféré facilement dans un séparateur; ^ Possible augmentation du ROP ^ Endommagement réduit des formations et donc une augmentation 25 de la production par un forage mieux adapté; La présente invention peut être avantageusement utilisée dans les cas suivants: ^ Forage des zones déplétées qui nécessitent une faible pression de fond pour éviter d'endommager le réservoir; ^ Forage en dépression "under balanced" ^ Forages profond à très profond. REVENDICATIONS 1) Système de forage en circulation comportant: - un outil de forage (5), - une garniture de forage comportant des tiges de forage (7), - des moyens de mise en rotation (8) dudit outil par l'intermédiaire desdites tiges, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe volumétrique constituée d'un stator (13) et d'un rotor (14), ledit stator étant incorporé audites tiges de forage, et en ce que ledit rotor est assemblé à des tiges de manoeuvre (15) disposées à l'intérieur des tiges de forage. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel ledit rotor est entraîné en rotation par rapport audit stator par au moins l'une des actions suivantes: la rotation des tiges de forage, la rotation des tiges de manoeuvre liées au rotor. 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 20 rotor de la pompe est dégagé du stator en démontant les tiges de manoeuvre. 4) Méthode de forage en circulation dans laquelle: - on effectue la mise en rotation d'un outil de forage par une garniture de tiges de forage, on fait circuler un fluide de forage dans le puits foré, caractérisée en ce que des moyens de pompage sont placés dans ladite garniture de façon à aspirer le fluide de forage venant du fond du puits par l'espace interne des tiges de forage et à refouler ledit fluide vers la surface par l'espace interne des tiges, de manière à assurer une circulation inverse. 5) Méthode selon la revendication 4, dans laquelle les moyens de pompage comportent un stator vissé entre des tiges de forage et un rotor 2875533 8 assemblé à des tiges de manoeuvre disposées à l'intérieur des tiges de forage, ledit stator étant entraîné en rotation avec les tiges de forage. 6) Méthode selon la revendication 5, dans laquelle le rotor est entraîné 5 en rotation par les tiges de manoeuvre. 7) Méthode selon l'une des revendications 4 à 6, dans laquelle le niveau de fluide dans le puits est contrôlé par le débit de ladite pompe et le débit de remplissage du puits. 8) Méthode selon l'une des revendications 4 à 7, dans laquelle on retire le rotor en démontant les tiges de manoeuvre pour laisser libre l'espace interne de la garniture. 9) Méthode selon la revendication 8, dans laquelle on rétablit une circulation directe en injectant le fluide de forage par des pompes de surface par l'espace interne de la garniture de forage.