STABILIZER

Abstract: 1. A method for modifying the trajectory of a cutting tool for a deep directional drilling well, driven either by a hanging motor or a hanging turbine with a rate of at least 700 rot/min or by a rotary table from the surface at a rate of at least 100 rot/min, by means of a stabilizing device having helicoïdal lateral ribs (8) separated by passageways (14) of drilling fluid and provided with a hardfacing material affording good erosion and abrasion resistance, characterized in that at least one substantially circumferential groove is defined in the ribs and located in a plane which is perpendicular to the axis of rotation, so as to interconnected the passageways (14) of drilling fluid.

Description: La présente invention est relative à un dispositif de stabilisation d'une garniture de forage, constitué d'un cylindre en acier présentant latéralement des saillies hélicoldales munies d'un revêtement offrant une bonne résistance à l'érosion et à l'abrasion. Les dispositifs & stabilisation sont principalement destinés à contrôler la direction et la qualité du forage dans les puits profonds verticaux ou directionnels. Comme il est connu par le brevet américain N 4 245 709 un manchon stabilisateur mis en oeuvre habituellement pour le forage directionnel à turbine ou rotary, est constitué d'une enveloppe cylindrique en acier fixée à l'extrémité d'un train de tiges, au voisinage d'un trépan à pointe diamantée ou d'une couronne, dans l'alignement de celui-ci, par l'intermédiaire d'un embout cylindrique de longueur déterminée, muni d'un filet de fixation normalisé. Bes saillies héîicodales prévues sur la paroi latérale extérieure de l'enveloppe susdite déterminent un cylindre de diamètre sensiblement égal au diamètre du trou foré. Le diamètre de l'enveloppe est en général inférieur de quelques dizaines de millimètres, au diamètre du cylindre déterminé par les saillies hélicoïdales. Les saillies hélicoïdales sont recouvertes d'un revêtement, présentant une excellente résistance à l'érosion et à l'abrasion. Les évidements ménagés entre les saillies permettent la remontée des déchets de roche entraînés par le fluide de forage. Le manchon stabilisateur permet de répartir le long d'une plus grande surface i contact, les effortsl'outil de forage diamanté sur la paroi latérale du puits foré, diminuant ainsi la capacité de destruction latérale de la roche par l'outil sous l'effet de son propre poids et limitant l'effet pendulaire de l'ensemble de la garniture du forage ainsi que le spiralage en forage à la turbine. Le spiralage est une déformation du trou en tirebouchon. Il a pour effet d'augmenter le risque de coinçage de la garniture de forage dans le trou. L'effet pendulaire quant à lui a pour effet de rapprocher de la verticale le profil du puits. Or, ce but n'est pas recherché en forage dévié. L'utilisation d'un manchon stabilisateur permet de réaliser une stabilisation adéquate de l'ensemble de la garniture de forage. On parvient ainsi à maintenir ou méme à augmenter 1 'incli- naison des puits déviés. On a constaté que les manchons stabilisateurs mis en oeuvre dans les forages profonds déviés pour les raisons évoquées ci-dessus, exercent une influence importante sur la déviation azimutale de la garniture de forage. Des nombreuses données collectées sur divers chantiers, on peut caractériser de façon générale le comportement de la garniture de forage. On constate que - dans le cas du forage rotary, une déviation azimutale orientée vers la droite, lorsqu'on prend la direction instantanée de forage comme référence, - dans le cas du forage b la turbine, une déviation azimu tale vers la gauche, lorsqu'on prend la direction instan tanée de forage comme référence. De nombreux tests ont démontré que l'intensité de déviation azimutale à gauche en forage à turbine est fortement influencée par la longueur du manchon stabilisateur. L'intensité de déviation est définie comme étant l'accroissement de la déviation par rapport à une direction initiale de forage par unité de longueur forée. On observe en moyenne dans des puits inclinés à 450 environ, une intensité de déviation de 0,5 à 1,80 degrés par cent pieds pour des longueurs de dispositifs de stabilisation comprises entre 9 et 18 pouces (22.86 à 45.72 cm). La présente invention vise à réduire l'amplitude des déviations non souhaitées et propose un dispositif de stabili- sation, comportant par rapport aux dispositifs classiques, des modifications qui permettront de conserver avec la roche, une longueur et donc une surface de contact suffisante que pour limiter l'agressivité latérale de l'outil de forage et à la fois de maîtriser l'angle de déviation azimutale vers la gauche de la garniture en forage à la turbine. Elle est relative à un dispositif de stabilisation d'une garniture de forage, constitué d'un corps cylindrique en acier présentant latéralement des saillies héli cotidales munies d'un revêtement offrant une bonne résistance à l'érosion et à l'abrasion, essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins une gorge sensiblement circonférentielle ménagée dans les saillies susdites, de manière à relier entre eux les évidements compris entre celles-ci; suivant une particularité de l'invention, les gorges susdites sont ménagées sur une partie de la hauteur des saillies. Les gorges sont avantageusement ménagées, de préférence par fraisage, à intervalles réguliers le long des saillies hélicoïdales. Dans une forme de réalisation particulibre, une seule gorge présente une allure hélicoldale à pas court. Une forme de réalisation différente comprend au oins deux portions de manchons de même diamètre disposées dans le m'me alignement derrière l'outil de forage. D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation particulière de l'inven tion donnée à titre d'exemple nor: limitatif en faisant référence aux dessins ci-annexés. Dans ces dessins: - iE figure g est une vue en élévation latérale d'un trépan ce forage s pointes diamant&num;es muni d'une première forme cè regisation d'un dispositif de stabilisation suivant l'invention - la figure 2 est une vue en perspective de la jupe de stabilisation illustrée à la figure 1 - la figure 3, est une vue semblable à la figure 1, d'une deuxième forme de réalisation d'un dispositif de stabilisation - la figure 4 montre une coupe transversale perpendicu laire à l'axe de forage d'un palier radial en fonction nement hydrodynamique - la figure 5 montre une coupe transversale, perpendi culaire à l'axe de forage, d'un palier radial en fonc tionnement par contact direct - la figure 6 est un diagramme illustrant une première relation existant entre l'intensité de la déviation à gauche d'un puits de forage à la turbine en fonction de la longueur du dispositif de stabilisation; - la figure 7 est un diagramme illustrant une seconde relation existant entre la charge statique correspondant à un comportement hydrodynamique équivalent, en fonction de 12 longueur du dispositif de stabilisation; et - le figure E montre la corrélation existant entre l'in- tensité de la déviation à gauche d'un puits de forage à la turbine et la charge statique correspondant à un comportement hydrodynamique équivalent. Dans les dessins suscites, les mêmes notations ae référence désignent des éléments identiques ou analogues. Comme illustré à la figure 1, un outil de forage désigné dans son ensemble par la notation de référence 1, m.s habituellement en oeuvre pour le forage directionnel profond à turbine ou rotary, est constitué d'une tête de forage 2 proprement dite réalisée, soit en matériau composite mis en forme par des techniques de métallurgie des poudres, soit en acier ou métal moulé. La tête 2 est un trépan ou une couronne de sondage munie sur toute sa surface en contact avec le fond du puits, d'éléments de coupc 3 placés de manière à rendre efficaces, à la fois la dcstruction de la roche et l'évacuation des copeaux. Cette tête de forage 2 est fixe à l'extrémité d'un train de tiges, non montré, par l'intermédiaire d'un embout tronconique 4 de longueur variable compris entre 15 et 100 cm et présentant un filet de fixation 5 répondant aux normes en vigueur. Un dispositif de stabilisation, constitué d'un corps cylindrique 6 en acier, présentant latéralement des saillies hélicoidales 7 munies d'un revêtement 8 présentant une résistance suffisante à érosion et à l'abrasio et désigné dans son ensemble par la notation de référence 9, est monté en alignement avec la tete de forage 2, derrière celle-ct, sur l'embout cylindrique 4. Le revêtement 6 des saillies helicoldales 7 peut entre constitué d'un métal dur ou d'un matériau composite, éventuellement diamanté. Ces outils connus présentent, comme expliqué cidessus, une tendance à dévier vers la gauche ou vers la droite suivant qu'il s'agit d'un forage à turbine ou d 'un forage rotary. Les phénomènes de déviation des outils de forage dans des puits déviés profonds trouvent une explication lorsqu'on leur applique la théorie de Scmmerfeld des paliers à fonctionnement hydrodynamique. Il est en effet permis d'assimiler un dispositif de sta- bLilsation 9 mis en rotation dans un puits profond dévié à un palier lisse conventionnel 10 constitué d'un arbre 11 tournant à l'intérieur d'un coussinet 12 (figures 4 et 5). Suivant la théorie de Sommerfeld, les paliers lisses 10 peuvent fonctionner de deux manières distinctes, sous les conditions suivantes : 1. lubrification hydrodynamique, ou 2. contact direct. En lubrification hydrodynamique, il s'établit en permanence un film d'huile 13 entre les deux surfaces en mouvement relatif, à savoir l'arbre Il et le coussinet 12. Le film d'huile sous pression est généré par le mouvement mime de l'arbre Il à condition que la vitesse de rotation soit suffisante. Dans le deuxième cas, les surfaces 10 et 11 en mouvement relatif f sont en contact direct. Ce cas se rencontre en mécanique au démarrage des paliers hydrodynamiques et dans certains engins de génie civil, où les vitesses relatives sont faibles. La théorie de Sommerfeld qui permet de prévoir de comportement de paliers lisses soumis a une lubrification hydro dynaioue est décrit dans la revue intitulée " TechniQue de l'Ingénieur'', volume B, dans le chapitre 671 consacré aux Paliers Hydrodynamiques. De le théorie de Sommerfeld on peut déduire qu'un palier lisse est caractérisé géométriquement par : - son diamétre ; - le rapport sans dimension de la longueur du palier sur son diamètre. Le choix du mode de fonctionement, a savoir la lubrification hydrodynamique ou le contact direct dépand de le vitesse de rotation du parier, de la viscosité dynamique di fluide lubrifiant, de la longueur du palier, du diamètre du palier, de la charge appliquée sur le roter et du jeu radial relatif, par rapport au rayon radial relatif compris entre 0,8. 10-3 et 4.10-3. L'angle de calage est un des paramètres qui carac térisent la position moyenne du rotor dans le stator. Il est indiqué par la notation de référence à la figure 4. La théorie de Sommerfeld démontre également que l'angle de calage, le couple résistant, la puissance dissipée et le débit axial de lubrifiant dépendent uniquement pour un rapport longueur/diamètre donné, de l'excentricité relative ±, égale à e, c'est-à-dire au rapport de l'ex c centricité absolue, exprimée en millimètres, sur 3eu radial absolu exprimé également en millimètres. Dans le cas simple où le palier 10 est complètement lisse et la charge appliquée rigoureusement constante, la limite du fonctionnement hydrodynamique est atteinte lorsque le différence entre le Seu radial absolu c et l'ex- centricité absolue e est égale à le sonie des rugosité des surfaces usinées, il s'ensuit alors an contact direct et une modification radicale du comportement du Palier. Dans le cas d'un dispositif de stabilisation 9 etraîne en rotation àans un puits en cours de forage, le problème est évidemmnent plus complexe - le paroi rocheuse est géométriquement irrégulière; - le fluide ''lubrifiant'' est en réalité de la boue de forage chargée des débris de roche ; - l'arbre Il constitué par 3e dispositif stabilisateur 9 n'est pas lisse mais comprend des saillies B délimitant des évidements 14 pour le passage du fluide de forge et des déblais. Malgré ces imperfections, on peut imaginer d'extrapoler la théorie de Sommerfeld au dispositif de stabilisation 9 en rotation dans un puits dévié. Vu l'imperfection des conditions au fond de trou vis-àvis du cas idéal du palier lisse, on doit s'attendre à ce que pour un nombre de Sommerfeld S défini conventionnellement, l'excentricité relative sera plus proche de 1 que pour un palier lisse de même longueur, même diamètre et même vitesse de rotation. Il existe donc des conditions de forage pour lesquelles on observe une transition entre un comportement hydrodynamique et un comportement en contact direct. Lorsqu'on met en oeuvre des Outils équNpés de manchons stabilisateurs entraînés en rotation par une turbine atteignant des vitesses de rotation importantes de l'ordre de 700 tours par minute environ, on peut supposer que le nombre de Sommerfeld minimum est atteint. En raison des conditions particulières déjà évoquées plus haut, le fonctionnement en lubrification hydrodynamique n'est cependant jamais entièrement établi. On s'en rapproche de plus en plus au fur et à mesure que le nombre de Sommerfeld augmente, c'est-a-dire, toute autres conditions restant identiques, au fur et à mesure oe le longueur du manchon stabilisateur 9 augumente. LE figure 6 entre en e'fet, le relation observée pour un forage à la turbine incliné à environ 45 C entre l'intensité de déviation à gauche et la longueur du dispositif de stabilisation. On peut assimiler cette relation à une fonction du premier degré, lorsque tous les autres paramètres restent identicues. La figure 7 montre comment varie la charge statique Pst correspondant à un comportament hydrodinamique équivalent, en fonction de la longueur du c'dispositif de stabilisation. Lorsqu'on porte les points de mesure de l'intensité de déviation à gauche et de la charge statique susdite correspondant à un comportement hydrodynamique équivalent sur un diagramme montré à la figure 8, on s'aperçoit que lesdits points montrent une tendance à l'alignement. On observe donc une corrélation indéniable entre les variables susdits lorsqu'on met en oeuvre des vitesses de rotation importantes. Par contre, pour un forage rotary sans dispositif stabilisateur ou avec manchon relativement court, à une vitesse de rotation comprise entre 100 et 200 tours par minute seulement, le nombre de Sommerfeld et donc la charge admissible à excentricité relative donnée est beaucoup plus faible; on peut dès lors admettre que les conditions de fonctionnement hydrodynamique ne sont jamais remplies et la garde d'outil 7 seule ou la garde d'outil 7 prolongée par un dispositif stabilisateur 9 court fonc tionne en contact direct. Des arguments développés ci-dessus, on déduit que la variation de l'intensité de déviation à gauche en forage à la turbine est liée à un comportement plus ou moins hydrodynamique du système. Cette explication est confirmée par ltobserv2tion d'une déviation à gauche à la turbine et à droite au rotary. En effet, en examinant les figures 4 et 5, on remarque que la différence fondamentale existant entre le fonctionnement hydrodynamique et celui à contact direct se trouve dans la positlon moyenne du palier rotorique dans le logement statorique. Supposons, comme indiqué aux figures 4 et 5 : - une charge verticale agissant de haut en bas sur le palier rotorique, - une rotation # du palier rotorique dans le sens horlogique semble à celle de l'outil de forage vu de l'arrière. On remarque que le point de contact ou le point d'éloignement minimum du palier rotorique par rapport au palier statorique est situé : - à gauche de la verticale passant par le centre du palier rotorioue dans le cas du fonctionement hydrodynamique ; à à droite de la verticale passant par le centre du palier rotorioue dans le cos du fonctionnement en contact direct. Or, le trou foré e la turbine, pour lequel on a supposé un fonctionnement plus ou moins hydrodynamique de la jupe, dévie précisément vers le gauche et le trou foré en rotary, pour leouel on a montré que la jupe ou la garde de l'outil seule devait avoir un comportement en contact direct, dévie précisément vers la droite. L'invention consiste à apporter à un dispositif stabili- sateur connu, un perfectionnement en vue de mattriser les déviations accidentelles sans toutefois modifier le lon gueur totale du dispositif susdit 9, indispensable pour éviter le spiraling. Ce perfectionnement consiste à ménager, perpendi culairement à l'axe longitudinal dj dispositif stabilisateur 9, au moins une gorge 15, sensiblement circonférencielle ménagée dans les saillies 8 susdites, de manière à relier entre eux, les évidements 14 compris entre celles-ci. Comme illustré aux figures i et 2, les gorges 15 peuvent être ménagées dans les saillies susdites, par fraisage , sur une parte de leur hauteur. Ces gorges 15 ont pour effet de mettre en communication une zone dans laquelle le lubrifiant est soumis à une pression élevée, avec une zone dans laquelle le lubrifiant se trouve à une pression moins élevée. Une telle gorge 15 réduit la capacité portante du palier et donc la déviation vers la gauche due au fonctionnement hydrodynamique. La figure 3 montre une deuxième forme de réalisation possible dans laquelle la gorge 15, de forme hélicoïdale est ménagée dans une direction différente dé celle des saillies hélicoïdales 8 susdites. On obtient ainsi un manchon doublement spiralé. EXEMPLE 1 Pour donner un ordre de grandeur de l'influence de ces modifications, prenons un exemple numérique : soit une jupe stabilisatrice dont on suppose que le comportement est semblable à celui d'un palier lisse de meme diamètre et mEme longueur. On considère une 3upe de référence dont le rapport L/D = 1, et dont la capacité portante est posée égale à 1. Une Jupe de longueur double, présentant donc un rapport L/D n 2 aura une capacité portante de 3,35 alors que si on pratique deux gorges perpendiculaires à l'axe de l'outil découpant la surface portante en trois parties égales, la meme 3upe de longueur double n'aura qu'une capacité portante de 1,05, c'est-à-dire presque identique à celle de la 3upe de référence. I1 est évident que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que de nombreuses modifications peuvent entre apportées auxdites formes sans pour autant soustraire celles-ci de la portée des revendications suivantes.

Claims: REVENDICATIONS 1. Dispositif stabilisateur constitué d'une enveloppe cylindrique en scier présentant latéralement des saillies hélicoïdales (8) munies d'un revêtement offrant une bonne résistance à l'érosion et à l'abrasion, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une gorge (15) sensiblement cir conférentielle ménagée dans les saillies susdites (8) de manière à relier entre eux les évidements (14) compris entre celles-ci. 2. Dispositif stabilisateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges (15) susdites sont ména gées sur une partie de la hauteur des saillies (8). 3. Dispositif stabilisateur suivant l'une quelconque des revendications 7 et 2, caractérisé en ce que les gorges (15) sont ménagées à intervalles éventuellement réguliers le long des saillies hélicoïdales (8). 4. Dispositif stabilisateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une seule gorge (15) présente une allure hélicoldales à pas court. 5. Dispositif stabilisateur suivant l'une quelconque des revendications n à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux portions de manchons de mµme diamètre disposées dans le mEme alignement derrière l'outil de forage (i).

Inventors: LAMBOT, HONORE JOSEPH, Lambot, Honoré Joseph
Applicants: DIAMANT BOART SOCIETE ANONYME
Application year: 1985
Main classification: E21B17
IPC codes: E21B17