Brevet FR2895440A1 — publié le 20070629

La présente invention concerne un dispositif de forage rotary dans 10 lequel l'outil de forage est entraîné en rotation par une colonne de tubes, ou "casing", comportant des moyens spécifiques de circulation inverse du fluide de forage. En forage conventionnel, la circulation de la boue de forage se fait 15 en direct, c'est-à-dire que le fluide de forage est injecté sous pression depuis la surface par l'intérieur des tubulaires (tiges de forage, tubes de cuvelage "casing", tiges de production "tubing"). Ce fluide remonte à la surface par l'annulaire créé entre les tubulaires et le puits. On connaît des systèmes qui permettent de forer en circulation 20 inverse, c'est-à-dire avec une remontée du fluide de forage par l'espace intérieur de tubulaires, le fluide étant descendant dans l'espace annulaire. En forage en circulation inverse, le fluide de forage injecté de la surface, sous faible pression, (par gravité) dans l'annulaire, retourne par 25 l'intérieur des tubulaires jusqu'à la surface grâce à des moyens d'activation. Ces moyens peuvent être des moyens de pompage disposés dans la colonne de forage, ou des moyens d'allègement de la colonne hydrostatique ("gas lift"). On peut ainsi régler la pression de fond pour obtenir l'équilibre, la surpression, ou une dépression au niveau de la face 30 de l'outil de forage. Le forage conventionnel impose la remontée du train de tiges de forage au préalable à la descente du tubage. Les formations forées restent à découvert ("open hole") pendant le temps de manoeuvre des tiges et de la descente des tubulaires de cuvelage. Ces temps peuvent atteindre plusieurs dizaines d'heure en fonction de la profondeur du forage. Pour palier à ces temps perdus, une technique a été développée, appelée casing drilling dans laquelle l'outil de forage est entraîné en rotation par des tubulaires de cuvelage ou casing que l'on assemble de la même façon que des tiges de forage. L'outil de forage doit être spécifique en ce qu'il doit pouvoir dégager l'espace intérieur du cuvelage, une fois atteinte la cote désirée, pour pouvoir poursuivre les opérations. On connaît, en autres, des outils de forage comportant des bras mobiles qui se rétractent pour passer à l'intérieur du cuvelage et être remontés à la surface. La colonne de cuvelage est laissée en place dans le trou foré, et en général cimentée. Des forages en "Casing Drilling" ont été réalisés avec des fluides de forage allégés à l'azote pour obtenir une pression de fond plus faible. Ces forages en dépression, dits "UBD" ou "Underbalanced" sont utilisés pour la traversée de formations ayant des pressions de pores inférieures à la colonne hydrostatique d'un fluide de forage liquide. La demanderesse a constaté que le forage avec le cuvelage est avantageux dans la mesure où l'on peut associer des technologies de "Casing Drilling" et de forage par circulation inverse. La présente invention propose des équipements spécifiques au forage avec circulation inverse pour bénéficier des avantages du contrôle, et du réglage, de la pression de fond, en fonction des besoins, dans la technique de "Casing Drilling". Ainsi, l'invention concerne un dispositif de forage comportant un 30 outil de forage fixé à l'extrémité inférieure d'une garniture de tubulaires entraînée en rotation par des moyens de surface. Selon l'invention: - la garniture de tubulaires est constituée de tubes de cuvelage destinés à être laissés en place dans le forage, - la garniture comporte dans son espace interne des moyens de pompage qui refoulent un fluide de forage vers la surface, par l'espace interne de ladite garniture en assurant une circulation inverse dudit fluide, - les moyens de pompage comportent des moyens d'ancrage commandés depuis la surface pour déplacer leur position dans ladite garniture. Les moyens de pompage peuvent comporter une pompe volumétrique constituée d'un rotor et d'un stator, ledit rotor étant lié à la surface par des tiges, ledit stator étant solidaire de ladite garniture de tubulaires en rotation. Les tiges peuvent être mises en rotation depuis la surface. Les moyens de pompage peuvent être reliés à la surface par une colonne de tubes dont l'espace interne conduit le fluide refoulé jusqu'à la surface. Les moyens d'ancrage peuvent être commandés par au moins l'un des moyens suivants: les tiges et la colonne de tubes. L'outil de forage peut être remonté à la surface, par l'intérieur de la garniture de tubulaires, à l'aide des moyens de commande desdits moyens d'ancrage. L'invention concerne également une méthode de forage dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - on fixe un outil de forage à la partie inférieure d'une garniture de tubulaires, - on ancre des moyens de pompage dans l'espace interne de ladite garniture, - on effectue un forage en entraînant en rotation ladite garniture à 30 partir de la surface, - on effectue une circulation inverse d'un fluide de forage en activant lesdits moyens de pompage de façon à refouler le fluide vers la surface par l'espace interne de ladite garniture. On peut déplacer la position des moyens de pompage pour contrôler la pression de fond, en fonction de l'approfondissement du forage. On peut activer lesdits moyens de pompage par des tiges assemblées jusqu'en surface. On peut commander, à partir de la surface, l'ancrage des moyens de pompage à l'aide desdites tiges. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples de réalisation, nullement limitatifs, et illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles : la figure 1 représente schématiquement un système selon l'invention, la figure 2 représente une première variante, les figures 3a et 3b montrent plus en détails le système de pompage intégré à la colonne de cuvelage. Le principe général de l'invention est décrit en se référant à la figure 1. Un puits 1 est foré par un outil de forage spécifique 2, qui est décrit plus en détail ci-après. L'outil de forage 2 est entraîné en rotation par une colonne de tubes de cuvelage 3 dont la longueur correspond à la profondeur du forage. Comme pour un forage conventionnel aux tiges de forage, on ajoute un nouveau tube lors de l'approfondissement du forage. Des moyens de mises en rotation 4 sont en surface, sur l'appareil de forage, pour mettre en rotation la colonne de tubes. Ce peut être une table de rotation, ou une tête motorisée dite "power swivel". L'installation de surface 5 pour la circulation et le traitement du fluide de forage est conventionnelle. Cependant, dans la cas de l'invention, le puits est alimenté en fluide par une conduite 6 qui déverse dans l'annulaire entre le puits et ladite colonne de tubes. Un système de pompage 7 est incorporé à la colonne de tubage 3, à une profondeur L variable. Selon l'invention, la circulation du fluide se fait en inverse, c'est-à-dire que l'outil de forage est nettoyé par le fluide venant de l'annulaire pour remonter dans l'espace intérieur de la colonne de tube. Ce fluide chargé de débris passe par les moyens de pompage 7 qui règlent le débit de retour et la hauteur du fluide dans l'annulaire. Le fluide refoulé par les moyens de pompage est collecté à la surface par la conduite 8 pour être recyclé. La figure 1 montre schématiquement une pompe volumétrique 9 PCP dite "progressive capacity pump" positionnée dans l'intérieur du casing. Les colonnes de cuvelage ont, relativement à des tiges de forage, des diamètres intérieurs importants, par exemple un casing 7" a un diamètre interne de 5.879"(14,93 cm), un casing 9 5/8 a un diamètre interne de 8.5" (21,9 cm). Ces dimensions permettent de descendre une pompe volumétrique de diamètre externe suffisant pour obtenir les débits généralement souhaités. Le rotor 10 de la pompe est entraîné en rotation depuis la surface par une garniture de tiges 11, par exemple des tiges de pompage dites "sucker rod" ou des tiges de forage de petit diamètre 2.5" à 3" (dans ce cas il y a également la possibilité de circuler dans les tiges). Les moyens de mise en rotation 12 de la pompe 7 sont adaptés aux moyens de mise en rotation 4 de la colonne 3. Ils peuvent activer le rotor dans les deux sens de rotation, ou immobiliser la rotor par rapport au puits, l'activation de la pompe se faisant par la rotation de la garnitures de tubulaires 3. La pompe PCP peut être de forte capacité, elle doit permettre des débits comparables aux débits de forage aux tiges, soit entre 500 et 2500 Umin, pour des forages de diamètre 8,5" (21,59 cm). Cela correspond aux pompes PCP disponibles sur le marché. La puissance nécessaire pour entraîner cette pompe est de l'ordre de 150 Kw. Des moyens d'ancrage et d'étanchéité 13 fixent le stator 14 à l'intérieur du casing 3. Ils séparent hydrauliquement le casing en deux parties. La partie inférieure jusqu'au trépan et la partie haute jusqu'au retour de fluide de forage en surface. Pour simplifier la rédaction, ces moyens sont désignés par "packer" dans la suite de la description. Le stator 14 de la pompe PCP 9 est relié mécaniquement à l'ancrage, au travers duquel l'admission de fluide 15 de la pompe communique avec la partie inférieure du puits. Les moyens d'ancrage 13 sont positionnés dans le casing à une profondeur variable de 100 à 800 mètres de profondeur. Ils peuvent être déplacés, c'est-à-dire désancrés du casing, puis ancrés à une autre profondeur en fonction de l'avancement du forage afin de maintenir la pompe à une profondeur acceptable. La figure 1 montre un mode de réalisation dans lequel le système de pompage 7 est prolongé jusqu'en surface par une colonne de tubes 16, par exemple des tubings de production. Dans cette variante, qui comporte trois éléments concentriques: les tiges 11 d'entraînement du rotor, les tubings 16, la colonne de cuvelage 3, les ajouts lors de l'approfondissement du forage sont complexes, par contre les opérations d'ancrages et de désancrages du packer 13 sont facilitées par la présence de cette liaison mécanique entre les moyens d'ancrage et la surface. Cette liaison indépendante du casing est utilisée de la surface pour déplacer, ou fixer, le système de pompage. Dans cette variante, le fluide de forage refoulé par la pompe remonte à la surface par l'intérieur de la colonne de tubings 16. Comme son volume interne est plus faible que celui de la colonne de cuvelage 3, la vitesse de remontée est plus grande, et les déblais remontent plus vite. La figure 2 illustre une variante dans laquelle il n'y a pas de colonne de tubes qui relie le système de pompage à la surface. Les autres éléments identiques à ceux représentés sur la figure 1 ne sont pas tous référencés sur cette figure 2. De la même façon, les moyens d'ancrage supportent la pompe volumétrique, et le rotor de la pompe est entraîné par une garniture de tiges 11. La partie inférieure de cette colonne de tiges de pompage 11 est mécaniquement reliée au stator par des moyens de liaison 20 qui permettent de dégager le rotor au-dessus du stator, mais également de fournir les moyens de déplacement du système de pompage dans la colonne de cuvelage. On peut concevoir des moyens qui activent l'ancrage et le désancrage mécanique du packer en déplaçant la colonne de tiges 11. Il existe différents types d'ancrage de packer. L'ancrage du packer avec le casing peut se faire par des mâchoires disposées sur un support conique qui est déplacé longitudinalement. L'ancrage du packer est réalisé depuis la surface, par exemple par le mouvement d'une rotation à droite, ou à gauche, et/ou par l'action d'une force appliquée vers le bas ou vers le haut, ou par l'action d'une pression hydraulique. Il existe également des packers gonflables qui utilisent la pression pour être dilatés contre les parois de la colonne de casing. Les moyens de liaison sont décrits plus en détails sur les figures 3a et 3b. Les tiges d'entraînement 11 du rotor peuvent être des tiges de forage creuses de 2,5" (6,35 cm) ou 3" (7,62 cm) qui permettent de supporter un plus grand couple. Elles semblent mieux adaptées que des tiges pleines (de pompage "sucker rod") pour entraîner la pompe avec un débit élevé. Avec le couplage des tiges d'entraînement creuses et d'un rotor de pompe creux, il ne sera peut être plus nécessaire de dégager le rotor du stator pour pouvoir circuler le fluide de forage dans un sens direct. Cependant, la circulation de fluide, ou la descente de petits outils d'intervention, sera limitée par un diamètre intérieur de passage d'environ 1" (2,54 cm) au travers de la tige d'entraînement et du rotor creux de la pompe PCP. Pour une circulation en direct avec un débit plus important, il serait possible de faire tourner la pompe PCP en rotation inverse, ou bien en dégageant vers le haut pour remonter le rotor de quelques mètres pour laisser le passage libre au travers du stator. Sur la figure 2, la référence 21 désigne le système d'outil de forage qui est conforme au forage par colonne de cuvelage. Par exemple, le système comprend des molettes 22 de destruction de la roche qui détruisent la roche selon un trou de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la colonne de cuvelage. En effet, cet outil doit passer dans la colonne de tubes pour être remonté. Le système comporte aussi des bras télescopiques 23 sur lesquels des outils d'élargissement du trou pilote forent à un diamètre plus grand que le diamètre extérieur du cuvelage. Généralement, les bras télescopiques sont mis en action par une différence de pression. Le système d'outil de forage est ancré par des verrous à la base du cuvelage. Avant que le cuvelage soit cimenté, une dernière manoeuvre consiste à désancrer le système de forage pour libérer le passage du cuvelage. Les figures 3a et 3b montrent le principe des moyens de liaison 21 cités à propos de la figure 2. La figure 3a montre le rotor 10 dégagé du stator 14, par traction sur les tiges de pompage 11. Une pièce de manoeuvre 25 est solidaire des tiges 11 et coopère avec un élément 26 pour permettre de réaliser les action d'ancrage ou de désancrage. Comme représenté, l'élément 26 est solidaire du stator 14, lequel est solidaire des moyens d'ancrage 13. Les pièces 25 et 26 peuvent, par exemple permettre une traction sur les moyens d'ancrage et/ou permettre une rotation. Un orifice 27 permet la circulation du fluide. La figure 3b montre le rotor en place dans le stator, un autre élément 28 peut autoriser une poussée et/ou un rotation dans cette position de rotor. La présente invention présente les avantages suivants: - une diminution de la capacité de pompage de boue en surface par rapport au forage rotary conventionnel; - le contrôle précis de la pression de fond à partir de deux paramètres: la densité de la boue et la hauteur de fluide dans l'annulaire. - l'espace annulaire en forage casing drilling étant relativement réduit, la perte de charge produite dans l'annulaire à la descente du fluide de forage assure un différentiel de pression naturel au niveau de l'outil, différentiel entre la pression dans l'annulaire et la pression à l'intérieur des tiges. - bonne adaptation au forage de formations présentant des variations de pressions entre zones; - application aux forages pour lesquels l'écart entre la pression de pore et la pression de fracturation est très faible. REVENDICATIONS 1) Dispositif de forage comportant un outil de forage (2) fixé à l'extrémité inférieure d'une garniture de tubulaires (3) entraînée en rotation par des moyens de surface (4), caractérisé en ce que: ladite garniture de tubulaires est constituée de tubes de cuvelage destinés à être laissés en place dans le forage, - ladite garniture comporte dans son espace interne des moyens de pompage (7) qui refoulent un fluide de forage vers la surface, par l'espace interne de ladite garniture en assurant une circulation inverse dudit fluide, - lesdits moyens de pompage comportent des moyens d'ancrage (13) commandés depuis la surface pour déplacer leur position 15 dans ladite garniture. 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de pompage comportent une pompe volumétrique (9) constituée d'un rotor (10) et d'un stator 14) , ledit rotor étant lié à la surface par des tiges (11), ledit stator étant solidaire de ladite garniture de 20 tubulaires en rotation. 3) Dispositif selon la revendication 2, dans laquelle lesdites tiges sont mises en rotation depuis la surface. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de pompage sont reliés à la surface par une colonne de 25 tubes dont l'espace interne conduit le fluide refoulé jusqu'à la surface. 5) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 4, dans lequel lesdits moyens d'ancrage sont commandés par au moins l'un des moyens suivants: lesdites tiges et ladite colonne de tubes. 30 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit outil de forage est remonté à la surface, par l'intérieur de lagarniture de tubulaires, à l'aide des moyens de commande desdits moyens d'ancrage. 7) Méthode de forage dans laquelle on effectue les étapes suivantes: on fixe un outil de forage à la partie inférieure d'une garniture de tubulaires, - on ancre des moyens de pompage dans l'espace interne de ladite garniture, on effectue un forage en entraînant en rotation ladite garniture à partir de la surface, - on effectue une circulation inverse d'un fluide de forage en activant lesdits moyens de pompage de façon à refouler le fluide vers la surface par l'espace interne de ladite garniture. 8) Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on déplace la position des moyens de pompage pour contrôler la pression de fond, en fonction de l'approfondissement du forage. 9) Méthode selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle on active lesdits moyens de pompage par des tiges assemblées jusqu'en surface. 10) Méthode selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle on commande, à partir de la surface, l'ancrage des moyens de pompage à l'aide desdites tiges.