Brevet FR2915232A1 — publié le 20081024

I TREPAN POUR LE FORAGE D'UN PUITS ET PROCEDE DE FORAGE ASSOCIE La présente invention concerne un trépan pour le forage d'un puits, et en particulier d'un puits cylindrique de grande profondeur tel qu'un puits de mine, de pétrole ou de gaz. La présente invention concerne également un procédé de forage d'un puits au moyen du trépan. Le trépan est un outil de forage destiné à être installé à l'extrémité d'un train de tiges de forage pour forer un puits jusqu'à un réservoir. Par réservoir, on entend une roche suffisamment poreuse et perméable pour pouvoir contenir des fluides (eau, pétrole, gaz). Ces fluides peuvent éventuellement s'accumuler pour former un gisement. Un train de tiges de forage est supporté par une tour métallique et est mis en rotation par une table de rotation. La boue de forage, un mélange particulier d'argile, d'eau et de produits chimiques est injectée en permanence à l'intérieur des tiges pour ressortir par le trépan et remonter à la surface par l'espace annulaire compris entre les tiges et les parois du trou. La circulation de la boue refroidit le trépan et permet d'évacuer les débris de forage. À la surface, la boue est filtrée et réinjectée. L'analyse des débris fournit des informations précieuses sur la nature et la composition des roches traversées. Il y a une trentaine d'années, le forage d'un puits de grande profondeur pouvait prendre plusieurs mois. Aussi, afin d'accélérer la vitesse de forage, il a été proposé des trépans ne forant pas au centre du puits. En effet, la vitesse linéaire circonférentielle du trépan décroît de la périphérie du trépan vers son centre, pour s'annuler au centre du trépan. Ainsi, en ne forant pas le centre du puits, les trépans ont gagné en efficacité. Toutefois, ce type de trépans produit une carotte en son centre. qu'il est nécessaire de broyer ou d'évacuer. Il est connu divers types de trépans ne forant pas le centre du puits. En particulier. il est conmr du document US-A-2 931 630 un trépan comprenant une matrice dans la surface de laquelle est sertie une pluralité de diamants. Ce trépan comprend en outre une cavité de réception d'une carotte, la carotte étant périodiquement coupée et évacuée par un passage vers l'extérieur et le dessus du trépan. La matrice dans laquelle est sertie la pluralité de diamants permet R \r csets 2f.1n(r,2,1 -(2,0 1 25de Id, FR dnc de forer des roches dures ou très dures. Toutefois, si le trépan rencontre une roche tendre, les espaces situés entre les diamants se colmatent et l'outil ne peut plus forer. Or, lors du forage d'un puits de grande profondeur, différents types de formations géologiques sont traversées par le trépan et il est fort probable qu'une roche tendre soit rencontrée. Ce type d'outil n'est donc pas adapté au forage de puits de grande profondeur. Il est connu également des documents FR-A-2 141 510 et FR-A-2 197 325 des trépans munis d'une chambre de broyage de la carotte formée. Toutefois, si le trépan rencontre une roche tendre, la chambre de broyage se colmate. Le trépan muni de la chambre de broyage doit alors être ressortie pour que le trépan soit nettoyé, ce qui entraîne une perte de temps importante. Il est connu également du document BE-A-1 014 561 un trépan muni d'un moyen ou d'un dispositif adapté à détruire la carotte de façon progressive ou continue ou de façon périodique, ce moyen ou ce dispositif étant situé dans la zone centrale du corps du trépan. Dans un mode de réalisation, le moyen de destruction de la carotte est la paroi latérale de la zone centrale du corps du trépan. La carotte se brise alors périodiquement sous l'effet de vibrations mécaniques transmises. Toutefois, si le trépan rencontre une roche tendre, la zone centrale du trépan se colmate. Il doit alors être ressorti pour être nettoyé, ce qui entraîne une perte de temps considérable. Le but de l'invention est donc de proposer un trépan qui permette de forer rapidement des puits de grande profondeur dans tous types de roches sans risque de colmatage. Ce but est atteint par un trépan pour le forage d'un puits comprenant - une face avant, - une pluralité de lames radiales munies d'éléments tranchants, les lames étant réparties sur la face avant, - un espace de formation d'une carotte. l'espace étant situé au centre de la face avant. - une cavité d'évacuation de la carotte vers la périphérie du trépan, la cavité étant située entre deux lames adjacentes. Selon une autre particularité, la cavité est délimitée par deux surfaces latérales et une surface de dégagement, la surface de dégagement étant en recul par rapport à la face avant. R et. -t? I2>-de,nande FR doc Selon une autre particularité, la surface de dégagement est adaptée à évacuer la carotte à la fois vers la périphérie et vers l'arrière du trépan. Selon une autre particularité, le trépan comprend en outre un dispositif de rupture de la carotte. Selon une autre particularité, le dispositif de rupture est situé dans la cavité à proximité du centre du trépan. Selon une autre particularité, le dispositif de rupture est une pastille en matériau résistant à l'abrasion. Selon une autre particularité, la pastille est inclinée par rapport à l'axe du trépan. Selon une autre particularité, les dimensions de la cavité sont adaptées à former des carottes cylindriques dont la longueur est égale à au moins deux fois leur diamètre. Selon une autre particularité, le trépan comprend en outre des canaux d'alimentation en boue de forage, chacun des canaux débouchant sur la face avant. Selon une autre particularité, un des canaux débouche dans la cavité et est adapté à faciliter l'évacuation de la carotte vers la périphérie du trépan. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de forage d'un puits au moyen du trépan décrit ci-dessus, comprenant les étapes consistant à : -former une carotte au centre du trépan, - évacuer la carotte le long du puits de forage jusqu'à la surface du sol, - récupérer la carotte. Selon une autre particularité, le procédé de forage comprend en outre une étape d'analyse des propriétés pétrophysiques de la carotte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, une vue en perspective d'un trépan (outil PDC) selon l'invention. - figure 2. une vue en coupe longitudinale d'un trépan (outil imprégné) selon l'invention, - figure 3, une vue avant d'un trépan (outil PDC) selon l'invention. figure 4, une vue de côté d'un élément tranchant. R ',Rreccts 2 I fO\. 195--07012?-demande FR doc Un trépan selon l'invention comprend une face avant. Le trépan comprend également une pluralité de lames radiales munies d'éléments tranchants, les lames étant réparties sur la face avant. Les lames, munies d'éléments tranchants, permettent un forage par cisaillement dans tous types de roches, évitant ainsi un colmatage au niveau des lames. Un espace situé au centre de la face avant permet la formation d'une carotte au centre du trépan. La formation d'une carotte au centre du trépan permet un forage rapide. Une cavité située entre deux lames adjacentes du trépan permet l'évacuation de la carotte vers la périphérie du trépan. Ainsi, l'évacuation de la carotte empêche tout colmatage à l'intérieur du trépan. Le trépan selon l'invention permet donc de forer rapidement des puits de grande profondeur dans tous types de roches sans risque de colmatage. Les signes de référence qui sont identiques sur les différentes figures représentent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente une vue en perspective d'un trépan selon l'invention. Le trépan comprend un corps 12 ayant une symétrie de révolution autour d'un axe 13. Le trépan est adapté à être monté sur un train de tiges de forage et à être entraîné en rotation par différents types de moteur, de surface ou de fond, par exemple un moteur à axe spiralé (par exemple de type Moineau) ou une turbine. On définit l'avant du trépan comme la partie du trépan qui est orientée vers le fond du puits et l'arrière du trépan comme la partie du trépan qui est orientée vers l'extérieur du puits, donc pour un forage vertical. la surface de la terre. Par ailleurs, on définit l'intérieur du trépan comme la partie du trépan située à proximité de l'axe 13 et l'extérieur du trépan comme la partie du trépan située à proximité de la périphérie du trépan. Le corps 12 du trépan comprend une face avant 1, qui est de préférence bombée pour faciliter la pénétration du trépan dans les roches ainsi que pour procurer une bonne stabilité à l'outil. La face avant 1 est munie d'une pluralité de lames 2, par exemple 4. 6 ou 8 lames, voire beaucoup plus. par exemple 36. Plus les roches à forer sont dures, plus le nombre de lames est élevé. Les lames 2 sont disposées de façon sensiblement radiale, comme cela est visible en particulier sur la figure 3. Les lames se prolongent le long de la paroi extérieure du corps 12. Les lames 2 sont en saillie par rapport à la face avant 1 et à la paroi extérieure du corps 12. Chaque lame 2 comprend une pluralité d'éléments Rrire, ets _,100A_,?t?i--D70125-demande 1 R doc tranchants 3 disposés les uns à côté des autres le long de la lame. On appelle élément tranchant intérieur d'une lame, l'élément tranchant d'une lame qui est le plus au centre de l'outil. Et on appelle élément tranchant extérieur d'une lame, l'élément tranchant d'une lame qui est le plus proche de la périphérie de l'outil. Chaque élément tranchant 3 a une forme sensiblement cylindrique. Les éléments tranchants 3 sont sertis dans les lames 2. Chaque élément tranchant 3 est composé de matériau à base de divers métaux dont, par exemple, du carbure de tungstène (WC). Dans un premier mode de réalisation, le matériau à base de métal, avec ou sans carbure de tungstène, est imprégné de grains de diamant de synthèse, voire de diamant naturel, de tailles variées. allant par exemple de 0,2 mm jusqu'à 2 mm. Un outil muni d'éléments tranchants selon ce premier mode de réalisation est appelé "outil imprégné". Dans un deuxième mode de réalisation, illustré en particulier sur la figure 4, une couche en diamant compact polycristallin (en anglais, plolycrystalline diamond compact, PDC) 32 est située sur la face d'un plot 31 en carbure de tungstène cémenté. Cette couche en PDC comporte une petite quantité de métal pour assurer sa résistance aux chocs. Un outil muni d'éléments tranchants selon ce deuxième mode de réalisation est appelé "outil PDC". Les éléments tranchants des outils imprégnés et des outils PDC sont très durs et permettent ainsi de forer des roches de dureté variable et en particulier des roches très dures. Les éléments tranchants sont adaptés à casser les roches par cisaillement, ce qui les rend également adaptés au forage dans des roches tendres. Le corps 12 et les lames 2 du trépan sont par exemple en acier ou en WC infiltré. Ils sont de préférence en acier car c'est un matériau plus résistant que le WC infiltré. L'acier permet ainsi des géométries de trépan plus diverses, permettant de s'adapter au mieux au sol à forer. Par ailleurs, les lames 2 sont disposées sur une couronne annulaire externe de la face avant 1. Un espace 4 est ainsi situé sensiblement au centre de la face avant 1. Cet espace 4 est situé sensiblement à l'intersection des plans des lames. Cet espace est délimité par les éléments tranchants intérieurs de chaque lame. Lorsque le trépan s'enfonce dans la roche en tournant, il se forme une carotte 10 sensiblement cylindrique dans cet espace 4. R \lires ts:261((J lr,i--U7U12-demande FR doc Le trépan comprend en outre une cavité d'évacuation 5 située entre deux lames 2 adjacentes. Cette cavité d'évacuation 5 est adaptée à évacuer la carotte vers la périphérie de l'outil. La cavité d'évacuation 5 est délimitée par deux surfaces latérales 6 et une surface de dégagement 7. Les surfaces latérales sont sensiblement parallèles, voire confondues. avec les surfaces latérales des deux lames adjacentes à la cavité. L'angle entre les lames adjacentes entre lesquelles est formée la cavité est par exemple compris entre 45 et 90 . Cet angle est fonction du diamètre de l'outil et de celui de la carotte formée. La surface de dégagement 7 est en recul par rapport à la face avant 1. La surface de dégagement est particulièrement bien visible sur la figure 2. La surface de dégagement 7 va de l'espace 4 jusqu'à la périphérie du trépan. La base de l'espace 4 est située dans la cavité 5. La surface de dégagement 7 remonte vers l'arrière du trépan, et se prolonge le long de la garde de l'outil. Ainsi, la surface de dégagement 7 permet de guider la carotte 10 à la fois vers la périphérie du trépan (ce qui est facilité par la force centrifuge) et vers l'arrière du trépan (ce qui est facilité par l'avancée de l'outil vers l'avant et par la boue de forage) pour l'évacuer dans le puits. Une fois que la carotte est évacuée hors de la cavité 5, elle remonte avec la boue de forage jusqu'à la surface de la terre. Le trépan comprend en outre un dispositif de rupture 1 1, adapté à provoquer la rupture de la carotte par cisaillement. Le dispositif de rupture 11 est situé sur la surface de dégagement 7 de la cavité 5. à proximité du centre du trépan. Le dispositif de rupture 11 est par exemple fixé sur cette surface de dégagement 7, par exemple par sertissage. Au cours de la formation de la carotte, le rapport longueur/diamètre de la carotte augmente. Plus la longueur de la carotte augmente. plus cette dernière se fragilise. Il suffit donc d'une petite poussée latérale pour provoquer sa rupture. Le dispositif de rupture I l peut donc être tout dispositif qui est adapté à provoquer une telle poussée latérale. La rupture de la carotte se produit dès que la carotte a atteint une longueur qui est déterminée par la profondeur de l'espace 4 (à savoir la distance entre l'avant des lames 2 et la cavité d'évacuation 5 au niveau du centre du trépan) et le positionnement du dispositif de rupture 11 par rapport à l'axe 13 du trépan. Le dispositif de rupture est par exemple en matériau résistant à l'abrasion, par exemple en matériau à base de métal. avec ou sans carbure de tungstène, imprégné de diamant, ou en PDC, ou encore en céramique ou en matériau à base de carbure. Le dispositif de rupture 1 l a par exemple la forme d'une pastille. La pastille est disposée R 'lires ets100A_61 9--07 0 1 25-demande FR do, selon un axe incliné par rapport à l'axe 13 du trépan, comme cela est visible en particulier sur la figure 2. L'angle entre le plan de la pastille et l'axe du trépan est par exemple compris entre 10 et 15 . Les dimensions de la carotte 10 sont limitées par la géométrie du trépan, et en particulier par la géométrie de l'espace 4 et de la cavité 5. Le trépan comprend en outre des canaux 8, 9, visibles en particulier sur la figure 3, adaptés à acheminer de la boue de forage, la boue de forage permettant de refroidir le trépan et de remonter les débris de roches forées le long du puits de forage jusqu'à la surface de la terre. l0 La boue de forage permet également de remonter les carottes formées dans le trépan jusqu'à la surface de la terre. Les enjeux économiques liés à l'industrie pétrolière nécessitent de pouvoir décrire de façon réaliste la structure géologique des puits et des réservoirs, par exemple en ayant accès aux propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité, ...) 15 des roches constituant les puits et les réservoirs. Ces propriétés ne sont pas uniformes dans tout le réservoir, mais dépendent des structures géologiques qui le constituent. Il s'ensuit une hétérogénéité du réservoir. La connaissance du réservoir implique la détermination de telles hétérogénéités. La caractérisation des puits et des réservoirs permet d'offrir une aide à la décision sur l'évolution du développement du gisement 20 et plus généralement, elle permet de fournir une aide en ce qui concerne l'exploitation du gisement et le forage de terrains morts. Dans le cas de puits de grande profondeur (typiquement 5-6 km), les pressions et les températures en fond de puits sont telles qu'il est impossible de réaliser des caractérisations classiques telles que des diagraphies ou des carottages classiques. En 25 effet, l'électronique utilisée pour les diagraphies ne résiste pas aux hautes pressions ( 7800 bar ou plus) et hautes températures (150 C ou plus). De plus, le carottage classique est très contraignant car il suppose de remonter la carotte obtenue tous les 10 à 40 m de forage. Aussi, il est particulièrement intéressant de pouvoir remonter à la surface de 30 façon continue les carottes formées par le trépan selon l'invention afin de pouvoir réaliser les caractérisations du puits en surface. Il est également avantageux que les carottes soient de longueur suffisamment importante pour pouvoir tirer un maximum d'informations sur la structure géologique du puits. R 'B,et cts 2e ~ ~~U i' l?>-de.01dr DR dot Pour que la carotte 10 remonte la plus entière possible, il est nécessaire que le dispositif de rupture I l ne l'écrase pas, mais la cisaille. Il a été observé que la carotte est cisaillée et non cassée lorsque le rapport longueur/diamètre est au minimum égal à 2. Les dimensions de la cavité d'évacuation 5 doivent donc être au moins égales à la plus grande dimension de la carotte, c'est-à- dire sa longueur. Les carottes obtenues par le trépan selon l'invention ont une longueur de l'ordre de 10 à 100 mm. Dans le cas où les roches à forer sont dures, le trépan comporte un nombre de lames plus élevé que dans le cas où les roches à forer sont plutôt tendres. Le diamètre extérieur du trépan est par exemple de 21,59 cm (8,5") pour un trépan à 8 lames, de 15,24 cm (6") pour un trépan à 6 lames et de 66,04 cm (26") pour un outil à 36 lames. Pour un trépan à 8 lames de diamètre 21, 59 cm, il a été obtenu des carottes de Iongueur 35 mm et de diamètre 15 mm. Pour un trépan à 6 lames de diamètre 15,24 cm, il a été obtenu des carottes de longueur 30 mm et de diamètre 10 mm. Le diamètre maximal que l'on peut prévoir pour une carotte est sensiblement égal au tiers du diamètre extérieur du trépan. Pour pouvoir exploiter les carottes de façon satisfaisante, il est souhaitable que le diamètre de la carotte soit au minimum égal à 5 mm. Par ailleurs, la présence d'une carotte au centre du trépan a un effet stabilisant sur le trépan. Plus les carottes sont de diamètre important. plus le trépan est stable pendant le forage. Par ailleurs, la forme cylindrique de la carotte permet de fournir un repère directionnel, l'axe de la carotte correspondant à l'axe du puits foré. La carotte 10 est cisaillée par le dispositif de rupture 11 du trépan, puis évacuée dans la cavité 5 vers la périphérie du trépan puis remontée le long du puits jusqu'à la surface de la terre avec la boue de forage. Le trépan comprend par exemple un nombre de canaux 8, 9 d'alimentation en houe de forage égal au nombre de lames. Les canaux 8, 9 débouchent sur la face avant 1 du trépan. R 'Brevets 2hIOOC,ç195--070125-dem;mde FR do,- Un des canaux 9 débouche dans la cavité 5 à proximité du centre du trépan et du dispositif de rupture 11. Ce canal 9 permet de faciliter l'évacuation de la carotte dans la cavité le long de la surface de dégagement 7 vers la périphérie du trépan. Lors de son évacuation via la cavité, la carotte est ainsi baignée dans la boue de forage. On diminue ainsi les risques que la carotte ne se cogne contre les parois latérales 6 ou la surface de dégagement de la cavité. La carotte risque ainsi moins de se briser. Les orifices des autres canaux 8 sont disposés sensiblement sur une couronne axiale, comme cela est visible en particulier sur la figure 3. L'invention concerne également un procédé de forage d'un puits au moyen du trépan selon l'invention. Le procédé comprend les étapes consistant à : -former une carotte au centre du trépan, - évacuer la carotte le long du puits de forage jusqu'à la surface du sol, - récupérer la carotte, par exemple dans un tamis. Le procédé de forage comprend également l'étape consistant à analyser les propriétés pétrophysiques de la carotte. Le procédé de forage comprend également l'étape consistant à analyser les propriétés mécaniques de la carotte. R \Bre,et. _6180'^.2ri15, REVENDICATIONS 1. Trépan pour le forage d'un puits comprenant : - une face avant (1), -une pluralité de lames (2) radiales munies d'éléments tranchants (3), les lames étant réparties sur la face avant, - un espace (4) de formation d'une carotte (10). l'espace étant situé au centre de la face avant, - une cavité (5) d'évacuation de la carotte vers la périphérie du trépan, la cavité étant située entre deux lames adjacentes. 2. Trépan selon la revendication 1. dans lequel la cavité est délimitée par deux surfaces latérales (6) et une surface de dégagement (7), la surface de dégagement étant en recul par rapport à la face avant (1). 3. Trépan selon la revendication 2. dans lequel la surface de dégagement (7) est adaptée à évacuer la carotte à la fois vers la périphérie et vers l'arrière du trépan. 4. Trépan selon l'une des revendications 1 à 3. comprenant en outre un dispositif (11) de rupture de la carotte (10). 5. Trépan selon la revendication 4, dans lequel le dispositif de rupture (11) est situé dans la cavité (5) à proximité du centre du trépan. 6. Trépan selon la revendication 5, dans lequel le dispositif de rupture (Il) est une pastille en matériau résistant à l'abrasion. 7. Trépan selon la revendication 6, dans lequel la pastille est inclinée par rapport à l'axe du trépan. 8. Trépan selon l'une des revendications 1 à 7. dans lequel les dimensions de la cavité (5) sont adaptées à former des carottes cylindriques dont la longueur est égale à au moins deux fois leur diamètre. R',Rrevets:_(IOb~:,t 9i-a~7012 -demande FR do 9. Trépan selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre des canaux (8) d'alimentation en boue de forage, chacun des canaux débouchant sur la face avant (1). 10. Trépan selon la revendication 9, dans lequel un des canaux (9) débouche dans la cavité (5) et est adapté à faciliter l'évacuation de la carotte (10) vers la périphérie du trépan. 11. Procédé de forage d'un puits au moyen du trépan selon l'une quelconque des revendications 1 à Io, comprenant les étapes consistant à : - former une carotte au centre du trépan. - évacuer la carotte le long du puits de forage jusqu'à la surface du sol, - récupérer la carotte. 12. Procédé de forage selon la revendication Il, comprenant en outre une étape d'analyse des propriétés pétrophysiques de la carotte. R 18re~-ets-'61 O(r,2, 19'3ù070135-demandr F R doc