Brevet FR2980814A1 — publié le 20130405

MOYENS ET PROCÉDÉ POUR LA STABILISATION ET LE STOCKAGE D'ÉNERGIE D'UN SYSTÈME DE FORAGE DIRIGÉ DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les forages dirigés, notamment le forage dirigé en mode rotatif, connu de l'homme du métier sous l'abréviation RSS (pour "Rotary Steerable System"). Elle concerne plus particulièrement un RSS comportant une partie non-rotative ("non-rotating sleeve", ou encore "reference stabilizer"), qui peut alors permettre la production, puis le stockage de l'énergie nécessaire au fonctionnement du système. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un grand nombre des RSS actuellement connus comportent un tel bâti non-rotatif. Cette partie du dispositif de forage dirigé porte les capteurs de position, qui sont généralement composés d'un trièdre d'accéléromètres et d'un trièdre de magnétomètres ou d'un gyroscope et autres capteurs de mesures à l'outil, et elle sert de référentiel pour le pilotage de l'orientation de la mèche de forage (tricône ou un PDC (diamant polycristallin)) en temps réel, pour maintenir la trajectoire de forage idéale. Or, ce corps pourtant qualifié de "non-rotatif", par opposition à l'arbre traversant et à la mèche de forage, a une fâcheuse tendance à tourner autour 25 de l'axe de forage ZZ sous l'action conjuguée: - du frottement des joints d'étanchéité rotatifs, qui isolent généralement du puits de forage les mécanismes du RSS, qui sont le plus souvent baignés dans l'huile; - de la résistance au roulement des paliers de l'arbre traversant; et 30 - des chocs, des vibrations, et des accélérations et variations de la vitesse de rotation de l'arbre, qui peut dépasser en pratique ±25 radians/ s2, engendrés par l'interaction de la mèche de forage (c'est-à-dire le tricône ou le PDC) avec la formation géologique traversée par le système de forage. Pour tenter de supprimer ou au moins de ralentir cette rotation lente, aléatoire ou brutale du corps "non-rotatif' du RSS, les solutions ci-après ont été proposées: - Des masselottes massives excentrées ou une saillie, localisées 5 angulairement dans le corps non-rotatif (voir le dispositif dénommé commercialement EZ Pilot, de la société Sperry Sun / Halliburton). Ces masselottes créent un balourd, donc un couple de rappel, d'autant plus important que la direction de forage est proche de l'horizontale, ce qui se produit très souvent dans les forages dirigés. En outre, ce système est 10 inefficace lorsque la direction du forage est verticale ou peu inclinée. - Des "éperons" (voir le dispositif dénommé commercialement GeoPilot de la société Sperry Sun / Halliburton), roulant contre la paroi du puits foré pour ne pas entraver l'avance du forage tout en bloquant la rotation du corps non-rotatif par pénétration des dents desdits éperons dans la formation en 15 cours de forage. Ce système est rustique; il doit être monté sur des ressorts ou des vérins hydrauliques pour être le plus efficace possible et, par voie de conséquence, il s'encrasse dans la boue classiquement utilisée pour le forage. - Des lames en arc équipées d'inserts anguleux en carbure de tungstène (voir le dispositif dénommé commercialement WellGuide de la société 20 GyroData) qui, sous l'action de la poussée de la lame qui les porte, rainurent la formation en cours de forage. Ce système rustique manque de rigidité, s'encrasse dans la boue et surtout crée une perte de charge, qui constitue à son tour une source importante de problèmes pour assurer un bon nettoyage du puits de forage, voire génère un bouchon dans celui-ci. 25 - Des crampons (voir le brevet FR 2.898.935) placés à l'extrémité supérieure d'un boîtier orientable de forage dirigé, de telle sorte qu'ils bloquent ainsi la rotation du corps non-rotatif par pénétration dans la formation forée. Ce système est optimal pour la circulation de la boue, donc pour le nettoyage du puits. Il gagnerait cependant à être amélioré dans les 30 phases de forage rectiligne - vertical ou incliné. Le brevet FR 2.898.935 susmentionné indique également que l'on pourrait supprimer les batteries dans de tels outils, pour: - s'affranchir d'une logistique coûteuse et contraignante, qui est due à la présence de lithium dans les batteries devant résister aux hautes 35 températures, exigées par l'environnement pétrolier; - parvenir à une densité maximale de l'équipement en s'affranchissant du volume des batteries; - maximiser l'autonomie de l'outil à son MTBM ("Mean Time Between Maintenance", c'est-à-dire au temps moyen entre des opérations de 5 maintenance successives), sans limiter pour autant la durée d'activation des fonctions consommatrices d'énergie; - simplifier l'exploitation du RSS, tout en sécurisant et élargissant ses domaines d'application, principalement en lui permettant de fonctionner sur une plage plus large de températures. 10 La solution alors préconisée a consisté à remplacer les batteries par une ou plusieurs génératrices entraînées par l'arbre de transmission du RSS. Néanmoins, cette approche imposerait la suppression totale des batteries, compte-tenu de la limitation en température, en pratique, à environ 125°C, des batteries rechargeables dont on serait alors tenté de faire usage. Il 15 est donc actuellement impossible d'avoir recours au-delà de 125°C à une ou plusieurs batteries tampon pour stocker l'énergie nécessaire à l'alimentation de l'électronique du système durant les phases de "stick-slip" et surtout pendant l'ajout de tiges qui impose l'arrêt complet de la rotation du train de tiges à prolonger - et par voie de conséquence de la génératrice embarquée. 20 Or, l'alimentation de l'horloge temps réel embarquée est indispensable pour garantir l'enregistrement de l'historique de l'opération dans la mémoire du RSS. Il existait donc un besoin réel pour un dispositif permettant d'améliorer les RSS existants ou d'en concevoir de nouveaux, ledit dispositif 25 devant permettre, dans les conditions rigoureuses des puits de forage, de contribuer activement à la stabilisation des appareillages de forage dirigé et de permettre le stockage efficace de l'énergie développée par ceux-ci, à des fins de restitution de cette énergie stockée pour suppléer à la suppression totale ou partielle des batteries classiquement utilisées dans ces 30 appareillages. RESUME DE L'INVENTION La présente invention repose sur l'élaboration et la mise au point de moyens et d'un procédé permettant de procurer les fonctionnalités susdites, 35 même en milieu hostile. Lesdits moyens sont destinés à équiper le bâti d'un RSS de forage dirigé et comportent au moins un système inertiel rotatif, apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de l'implantation desdits moyens, par effet inertiel et gyroscopique ou analogue. Pour une efficacité maximale, l'axe de rotation desdits moyens au niveau de leur implantation dans le RSS où ils jouent le rôle d'un volant d'inertie (ou "flywheel") est sensiblement perpendiculaire, avantageusement strictement perpendiculaire, à l'axe ZZ du RSS qui est l'axe de forage au droit dudit RSS. Dans la pratique, ledit système inertiel rotatif entrant dans la composition des moyens selon l'invention est essentiellement constitué d'un volant d'inertie, d'un moteur - générateur de courant et d'une électronique 15 de pilotage. Cet ensemble de moyens est avantageusement conçu pour être capable de: - mettre en rotation le volant d'inertie et maintenir la vitesse maximale de rotation de celui-ci aussi longtemps que la ou les génératrices (telles que, 20 par exemple, celles divulguées dans le document FR 2.898.935) produisent suffisamment de puissance pour alimenter l'ensemble du RSS, y compris le(s) système(s) inertiel(s) rotatif(s); - produire du courant dès lors que la ou les génératrices susdites ne produisent plus suffisamment de puissance pour alimenter le RSS ou son 25 électronique, ou même simplement son horloge temps réel embarquée. L'invention a ainsi pour premier objet un système de forage dirigé en mode rotatif comportant un bâti non-rotatif d'axe ZZ, caractérisé en ce que ledit système comporte également au moins un dispositif inertiel rotatif ayant un volant d'inertie d'axe XiXi (non représenté), tandis que les axes 30 XiXi sont tous substantiellement perpendiculaires audit axe ZZ. L'invention a également pour objet un ensemble de moyens reliés fonctionnellement, destinés à équiper le bâti d'un RSS de forage dirigé et comportant au moins un système inertiel rotatif, apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de l'implantation desdits moyens, par effet gyroscopique ou analogue. Le système inertiel rotatif susdit est de préférence placé dans le compartiment étanche du RSS, pour faciliter l'intégration avec l'électronique, 5 afin de maximiser le volume et par voie de conséquence l'énergie du volant, l'électronique pouvant en option être séparée dans ce cas. Un autre objet de l'invention est un procédé pour la stabilisation et le stockage d'énergie d'un système de forage dirigé, notamment de type RSS, caractérisé en ce qu'il comporte, dans tout ordre techniquement compatible, 10 une ou plusieurs des étapes consistant à: - munir le bâti d'un RSS de forage dirigé d'un ensemble de moyens reliés fonctionnellement et comportant au moins un système inertiel rotatif, apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de 15 l'implantation desdits moyens, par effet gyroscopique ou analogue; tandis que ledit au moins un système inertiel rotatif est essentiellement constitué d'un volant d'inertie, d'un moteur - générateur de courant et d'une électronique de pilotage; - positionner l'axe de rotation desdits moyens au niveau de leur 20 implantation dans le RSS où ils jouent le rôle d'un volant d'inertie de telle manière qu'il soit sensiblement perpendiculaire, avantageusement perpendiculaire à l'axe ZZ du RSS, qui est l'axe de forage au droit dudit RSS, pour une efficacité maximale; - mettre en rotation le volant d'inertie et maintenir la vitesse maximale 25 de rotation de celui-ci aussi longtemps que la ou les génératrices produisent suffisamment de puissance pour alimenter l'ensemble du RSS, y compris le(s) système(s) inertiel(s) rotatif(s); - produire du courant dès lors que la ou les génératrices susdites ne produisent plus suffisamment de puissance pour alimenter l'électronique du 30 RSS, ou même simplement son horloge temps réel embarquée, selon la puissance disponible; et - en cas de besoin, utiliser tout ou partie dudit courant pour créer une puissance destinée à alimenter le RSS ou son électronique et/ ou son horloge temps réel embarquée. Sous un autre aspect, l'invention vise également l'utilisation de la combinaison d'un RSS et d'un système inertiel tel que décrit ici, pour l'optimisation du fonctionnement et de la maintenance des installations de forage de toutes natures. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres objectifs, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement, à la lumière de la description détaillée ci-après de modes de réalisation préférés, fournis à titre illustratif et nullement limitatif, tandis que sont annexées à ladite description des planches de dessins dans lesquelles: Figure 1 est une vue schématique en perspective d'un boîtier de RSS dans la paroi externe duquel sont fixés trois éléments de système inertiel; Figure 2 est une vue schématique de dessus en perspective d'un 15 système inertiel apte à être utilisé selon la présente invention; Figure 3 représente une vue tronquée par coupe transversale du quart d'un système inertiel selon Fig. 1, afin d'en montrer les éléments intérieurs; Figure 4 représente une vue en coupe transversale selon A-A de l'unité de système inertiel selon Fig. 2. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux dessins ainsi succinctement décrits, qui illustrent l'invention sans la limiter d'une quelconque manière, on décrit ci-après plus en détail la présente invention. 25 Un RSS, partiellement représenté dans son intégralité, possède une partie non rotative, dans laquelle il existe en outre au moins un boîtier fonctionnel non rotatif, de forme générale sensiblement cylindrique, tel que représenté sous la référence 1 sur la Figure 1. En cas d'indisponibilité des boîtiers fonctionnels déjà présents dans 30 un RSS classique, il est envisageable d'en ajouter un ou plusieurs, placés consécutivement ou intercalés entre des boîtiers conventionnels d'un RSS, à convenance, avec éventuellement utilisation du bâti lui-même pour leur fixation. Cette solution est cependant moins préférée, puisqu'elle allonge l'ensemble du RSS. Le boîtier ou chaque boîtier 1 concerné, ou le bâti de RSS utilisé directement est équipé selon l'invention d'au moins un élément unitaire de système inertiel 2. En pratique, les boîtiers 2 sont logés sur ou de préférence dans la paroi 5 périphérique 3 du boîtier 1, par exemple en ligne comme le représente la Figure 1 pour un ensemble de trois boîtiers 2. Dans un tel système, l'axe de rotation du volant d'inertie (ou "flywheel" en anglais) est avantageusement, et de préférence strictement, perpendiculaire à l'axe ZZ de l'arbre 4 du système de forage ou de l'axe 10 virtuel de ce système en cas d'absence d'arbre 4, au moins à l'endroit concerné. Le système inertiel rotatif 2 est avantageusement placé dans le compartiment étanche du RSS. Une unité de système inertiel rotatif 2 est essentiellement composée 15 d'un volant d'inertie 5, d'un moteur - générateur 6 et d'une électronique de pilotage (non représentée). Ces éléments fonctionnels dudit système inertiel rotatif ont pour fonctions essentielles de: - mettre en rotation le volant d'inertie 5 et maintenir la vitesse 20 maximale de rotation de celui-ci aussi longtemps que la ou les génératrices (non représentées) produisent suffisamment de puissance pour alimenter le RSS et/ ou son électronique ou simplement son horloge temps réel embarquée; - produire du courant dès lors que la ou les génératrices susdites ne 25 produisent plus suffisamment de puissance pour alimenter le RSS ou son électronique, ou même simplement son horloge temps réel embarquée. En cas de pluralité de systèmes inertiels unitaires 2, ceux-ci peuvent être montés en série ou en parallèle dans le RSS. Le moteur - générateur 6 du système inertiel rotatif 2 est 30 avantageusement de type à aimants permanents 7. Les aimants permanents 7 sont de préférence placés dans le volant d'inertie 5 de telle manière que les bobinages 8 et l'empilage de tôles 9 (avantageusement en FeCo) formant le stator central du moteur - générateur soient placés au centre dudit volant d'inertie, afin de maximiser l'inertie de ce dernier. Les aimants permanents 7 sont avantageusement bloqués par une frette amagnétique 10, de type connu de l'homme du métier. Le volant d'inertie 5 peut comporter sur sa périphérie une frette 11. Par ailleurs, l'ensemble volant d'inertie 5 - aimant 7 - frette(s) 10 et/ ou 11 peut être guidé, en option, au moyen d'une paire de roulements à billes 12 à contact oblique montés en "0" pour maximiser la capacité mécanique du guidage, tout en minimisant l'épaisseur du système, afin d'en faciliter l'intégration dans le bâti ou le boîtier 1. Pour mieux répondre aux contraintes auxquelles le dispositif peut être soumis lors du fonctionnement du RSS, les roulements du dispositif sont avantageusement construits avec des billes en céramique, ou même entièrement en céramique, afin non seulement de maximiser la capacité mécanique et également la compacité du système, mais encore et surtout de maximiser le rendement, d'optimiser la température de fonctionnement, et de réduire voir de supprimer les besoins de lubrification. Dans un tel système, l'électronique connue de l'homme du métier est intégrée et mise en oeuvre classiquement. Elle peut être de préférence soit intégrée à l'ensemble moteur - générateur - volant d'inertie, soit positionnée séparément. L'électronique peut alors, à convenance, piloter un ou plusieurs ensembles moteur - générateur - volant d'inertie, à raison d'une électronique par module offrant une possibilité de redondance - active ou passive - et plus de flexibilité dans la gestion de l'énergie. Dans la pratique, il est avantageux de fixer l'ensemble moteur générateur - volant d'inertie au bâti, à l'image de la partie électronique 25 susdite, et cela de préférence par des liaisons élastiques et amortissantes connues de l'homme du métier. Quant au volant d'inertie 5 lui-même, il est de préférence réalisé en tungstène, pour maximiser son inertie et sa compacité. Il est en option complété par un cerclage à haute limite de rupture pour permettre de 30 maximiser sa vitesse de rotation sans risque d'éclatement et sans nuire à son intégrité, et il est avantageusement agencé pour fonctionner dans le vide (ou au moins dans un vide relatif) pour maximiser son rendement. Il peut en outre être complété par tous autres éléments connus de l'homme du métier, que celui-ci peut choisir et agencer à convenance, selon les besoins 35 spécifiques ou les préférences à satisfaire dans chaque cas pratique. Le système/ dispositif et le procédé selon l'invention se sont avérés contribuer efficacement à conférer la stabilité souhaitée au bâti d'un RSS, et par conséquent à une plus grande précision de pilotage de l'orientation de la mèche de forage (ou du tricône ou PDC classiquement utilisés dans les 5 forages), tout en élargissant les plages d'utilisation et de fonctionnement du RSS, et subsidiairement en permettant un écoulement optimisé de la boue et des débris de forage le long du RSS. Le système/ dispositif et/ ou le procédé selon la présente invention permettent par conséquent d'améliorer la qualité des forages, tout en réduisant les risques et les coûts que de tels risques 10 génèrent en pratique. Le dispositif selon la présente invention est ainsi simple et compact, et résistant aux chocs, à la température et aux vibrations. Il est ainsi parfaitement adapté de manière générale aux contraintes de conception actuellement rencontrées, imposées par divers facteurs, et plus 15 particulièrement aux systèmes d'orientation d'outil de forage tels que décrits dans les documents WO 90/ 07625, US 6.581.699, US 7.188.685, demande publiée US 2007/ 0251726 et FR 2.898.935. L'invention peut être appliquée dans les forages nécessitant un contrôle précis de trajectoire, notamment dans les domaines de l'industrie 20 pétrolière et gazière, du génie civil, de la géothermie et plus généralement dans tous les domaines d'intervention sous terrain sans tranchée, ou même encore dans l'orientation précise d'organes mécaniques. REVENDICATIONS1. Moyens pour la stabilisation et le stockage d'énergie d'un système de forage dirigé, caractérisés en ce que lesdits moyens sont destinés à équiper le bâti d'un RSS de forage dirigé et comportent au moins un système inertiel rotatif, conçu et agencé pour être apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de l'implantation desdits moyens, notamment par effet inertiel et gyroscopique. 2. Moyens selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'axe de rotation desdits moyens au niveau de leur implantation dans le RSS où ils jouent le rôle d'un volant d'inertie est sensiblement perpendiculaire, avantageusement strictement perpendiculaire, à l'axe ZZ du RSS qui est l'axe de forage au droit dudit RSS. 3. Moyens selon la revendication 1, caractérisés en ce que ledit système inertiel rotatif est essentiellement constitué d'un volant d'inertie, d'un moteur - générateur de courant et d'une électronique de pilotage. 4. Moyens selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils constituent un ensemble avantageusement conçu pour être capable d'effectuer l'une ou les deux des opérations suivantes: - mettre en rotation le volant d'inertie et maintenir la vitesse maximale de rotation dudit volant d'inertie aussi longtemps que la ou les génératrices produisent suffisamment de puissance pour alimenter l'ensemble du RSS, y compris le ou les systèmes inertiels rotatifs; - produire du courant dès lors que ladite ou lesdites génératrices ne produisent plus suffisamment de puissance pour alimenter le RSS ou son électronique, ou même simplement son horloge temps réel embarquée. 5. Moyens selon la revendication 1, comprenant un système de forage dirigé en mode rotatif ou RSS comportant un bâti non-rotatif d'axe ZZ, caractérisés en ce que ledit système comporte également au moins un dispositif inertiel rotatif ayant un volant d'inertie d'axe XiXi, tandis que les axes XiXi sont tous substantiellement de préférence strictement, perpendiculaires audit axe ZZ. 6. Moyens selon la revendication 5, caractérisés en ce qu'ils sont agencés en un ensemble de moyens reliés fonctionnellement, destinés à équiper le bâti d'un RSS de forage dirigé et comportant au moins un système inertiel rotatif, apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de l'implantation desdits moyens, par effet inertiel et gyroscopique ou analogue. 7. Moyens selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisés en ce qu'il sont placés dans le compartiment étanche du RSS, tandis que l'électronique peut en option être séparée. 8. Procédé pour la stabilisation et le stockage d'énergie d'un système de forage dirigé, notamment de type RSS, caractérisé en ce qu'il comporte, dans tout ordre techniquement compatible, une ou plusieurs des étapes consistant à: - munir le bâti d'un RSS de forage dirigé d'un ensemble de moyens reliés fonctionnellement et comportant au moins un système inertiel rotatif, apte à faire simultanément office de dispositif pour le stockage d'énergie et de stabilisateur en rotation autour de l'axe de rotation du RSS au niveau de l'implantation desdits moyens, par effet gyroscopique ou analogue; tandis que ledit au moins un système inertiel rotatif est essentiellement constitué d'un volant d'inertie, d'un moteur - générateur de courant et d'une électronique de pilotage; - positionner l'axe de rotation desdits moyens au niveau de leur implantation dans le RSS où ils jouent le rôle d'un volantd'inertie de telle manière qu'il soit sensiblement perpendiculaire, avantageusement perpendiculaire à l'axe ZZ du RSS, qui est l'axe de forage au droit dudit RSS, pour une efficacité maximale; - mettre en rotation le volant d'inertie et maintenir la vitesse maximale de rotation de celui-ci aussi longtemps que la ou les génératrices produisent suffisamment de puissance pour alimenter l'ensemble du RSS, y compris le ou les systèmes inertiels rotatifs; - produire du courant dès lors que la ou les génératrices susdites ne produisent plus suffisamment de puissance pour alimenter l'électronique du RSS, ou même simplement son horloge temps réel embarquée, selon la puissance disponible; et - en cas de besoin, utiliser tout ou partie dudit courant pour créer une puissance destinée à alimenter le RSS ou son électronique et/ ou son horloge temps réel embarquée. 9. Application des moyens formant combinaison d'un RSS et d'un système inertiel selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour l'optimisation du fonctionnement et de la maintenance des installations de forage de toutes natures. 10. Application selon la revendication 9, dans les forages nécessitant un contrôle précis de trajectoire, notamment dans les domaines de l'industrie pétrolière et gazière, du génie civil, de la géothermie et plus généralement dans les domaines d'intervention sous terrain sans tranchée, ou encore dans l'orientation précise d'organes mécaniques.