EP0212316B1 - Colonne de forage pour forage à déviations, procédé d'utilisation de cette colonne et dispositif déviateur utilisé dans cette colonne - Google Patents

Colonne de forage pour forage à déviations, procédé d'utilisation de cette colonne et dispositif déviateur utilisé dans cette colonne Download PDF

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EP0212316B1
EP0212316B1 EP86110190A EP86110190A EP0212316B1 EP 0212316 B1 EP0212316 B1 EP 0212316B1 EP 86110190 A EP86110190 A EP 86110190A EP 86110190 A EP86110190 A EP 86110190A EP 0212316 B1 EP0212316 B1 EP 0212316B1
Authority
EP
European Patent Office
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string
pivot
axis
sleeve
drilling
Prior art date
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Application number
EP86110190A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0212316A1 (fr
Inventor
Georges Olbrecht
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom SA
Original Assignee
Alstom SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom SA filed Critical Alstom SA
Publication of EP0212316A1 publication Critical patent/EP0212316A1/fr
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Publication of EP0212316B1 publication Critical patent/EP0212316B1/fr
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/067—Deflecting the direction of boreholes with means for locking sections of a pipe or of a guide for a shaft in angular relation, e.g. adjustable bent sub

Definitions

  • the present invention relates to the drilling of the basement.
  • An obstacle in the basement can for example cause the inclination or the azimuth of the borehole to change at a point located at greater or lesser depth. It is the same when a layer of low height more or less inclined, even horizontal, must be traversed over a great length by the drilled well.
  • the deflection operations then begin by measuring the inclination and the azimuth of the axis of the section of the well being drilled, as well as the position reached, the latter measurement resulting from the determination of the lengths, inclinations and azimuths of all the sections already drilled. Once these measurement operations have been carried out, the deviation should be carried out.
  • a drilling method used for this comprises a succession of distinct drilling steps, namely rectilinear drilling steps during each of which a section of rectilinear well having a rectilinear axis is drilled, and at least one curved drilling step. The latter is interposed between two straight drilling steps.
  • a section of curved well is drilled, the axis of which is curved substantially in an arc of a circle and is connected to the axis of the preceding straight well section.
  • the axis of the following rectilinear section will be connected to that of this curved section.
  • an attack tool having an axis in a top-bottom direction (rear-front if the drilling is horizontal), and suitable for attacking downwards (the front) and possibly laterally the rock at the bottom of the well.
  • a bottom motor is attached to the top (rear) of this tool to drive it, and has an axis in line with that of the tool.
  • Tubes called in the drill pipe profession, are fixed above (at the rear) of this motor one after the other and form a "train" up to the mouth of the well to bring to the bottom a pressurized drilling mud which transports the energy necessary for the motor, to control from the surface of the ground the force of support of the tool against the rock, to possibly drive the whole in rotation, and to carry the tool and the engine when they are raised or lowered into the well.
  • top and bottom, or top and bottom, etc. should be replaced hereinafter by back and front or back and front and etc., respectively, when drilling progresses horizontally
  • the rods have axes extending that of the engine and extending from each other. Their number is gradually increased by adding new rods as the well deepens.
  • the diameters of this motor and of these rods are less than the normal drilling diameter dug by the tool and the rods have sufficient flexibility so that the drill string formed by the elements described above can follow the curved sections of drilling.
  • a deflection device in the drilling column at the top of the downhole motor which drives the attack tool.
  • This device is an elbow fitting which inclines the common axis of the tool relative to that of the rest of the column.
  • the downhole motor can also be bent.
  • Another deflection method uses eccentric stabilizers. Such a stabilizer forms at least one asymmetrical radial projection whose apex is at a distance from the axis of the column slightly greater than a normal radius equal to half the normal drilling diameter.
  • the downhole motor is generally a turbine or a motor of the sparrow type.
  • the entire drilling column is reassembled each time it is desired to drill a straight section after a curved section, in order to remove the deflection device such as an elbow connector, the elbow motor or the stabilizers. eccentric, and also each time you want to make a new deviation, because it is then necessary to replace this device.
  • These operations of raising and lowering the drill string include in particular the dismantling and reassembly of all the rods of the column, successively. They take a significant fraction of the time necessary to carry out a deviation, this realization including the measurement operations previously indicated and the drilling of the curved section of well which ensures the desired change of direction. However, this time constitutes an important element in the cost of drilling.
  • the drilling of a rectilinear section is obtained, after that of a curved section, by resetting the drilling column to rotate.
  • the tool then drills a hole with an enlarged diameter.
  • Still other known methods use a controllable deflector device, in particular a controllable elbow fitting constituting a section of the drill string above the downhole motor.
  • a controllable deflector device takes command either during the curved drilling steps, a bent configuration, or during the drilling steps, a straight configuration which maintains or restores the rectilinearity of the column. It comprises two successive sleeves which can pivot relative to each other about a pivot axis making the same small angle with the axes of these two sleeves. The pivoting is controlled either with the aid of axial displacement of the upper part of the column or using a pivoting motor driving a gear as described in patent US-A 4 303 135 (Benoit).
  • the object of the present invention is to follow successive curved and rectilinear drilling steps without wasting time while making the drilling tool work under always good conditions, this using a simpler controllable deflection device. according to the above-mentioned Benoit patent.
  • the column according to the invention is characterized in that said pivoting means of the deflection device allow only the lower sleeve to rotate on a limited angular sector of pivoting around said pivot axis, said alignment and deflection positions being defined by stops at both ends of this sector,
  • This column comprising, below the deflector device and above the tool, a member rubbing against the wall of the well so that a rotary drive of this drilling column in a normal direction causes a friction torque which brings about the lower sleeve in abutment at said alignment end of the pivoting sector, and so that a rotary drive of the drill string in the opposite direction causes a friction torque to appear which brings this sleeve into abutment at said deflection end , means being provided to maintain this sleeve at this deflection end in the absence of rotation of the column.
  • said deflecting device is placed between said active motor element and said pivot element and it is axially traversed by a coupling ensuring the transmission of the movement of this motor to said tool shaft, this motor driving this coupling in rotation in said normal direction, so that the friction of this shaft in this pivoting element tends to drive and maintain said lower sleeve in abutment at said deflection end in the absence of rotation of the drill string.
  • Said rubbing member is advantageously constituted by a stabilizer which is used at the same time in a known manner to maintain the column in the axis of the well in the vicinity of the tool and thus to guide the latter.
  • Said pivoting means consist of a pivot of generally tubular shape elongated along said pivot axis, with a lateral surface constituting guide surfaces which are cylindrical of revolution around this axis and which cooperate with the interior surface of a housing formed in one of said sleeves which constitutes a movable sleeve, to guide the rotation of this movable sleeve, this pivot also comprising a retaining shoulder cooperating with an internal shoulder of this sleeve to prevent its axial displacement and keep it in contact with the other of said sleeves, which is a fixed sleeve, this pivot further comprising retaining means and angular locking means to immobilize it in said fixed sleeve, this pivot or this movable sleeve finally comprising a projection extending in a hollow angular sector made in this movable sleeve or this pivot, respectively, to allow said rotation of the lower sleeve relative to the upper sleeve over a limited angular sector .
  • a column twisting step is provided during which the drilling column is rotated in the normal direction to prevent the elastic torsional torque which has appeared in the column subsequently causing the axis of said lower sleeve to exceed said plane of curvature.
  • the lower part of a generally cylindrical drilling column of revolution is rotated from the ground, at a low speed, for example 80 revolutions per minute, in a direction which can be called “direction normal ", in particular to facilitate the descent of the column as the drilling tool 51 works.
  • the reference 60 designates the "engine assembly” comprising the actual engine 50, the pivoting cartridge 30 and the stabilizer 31.
  • the mud leaving by the drilling tool 51 rises in the conventional manner around the drilling column to the ground surface, entraining the rock debris formed by the working of the tool.
  • FIG. 2 The same part of the column is shown in FIG. 2 with the deflector device according to the invention in its bent configuration for drilling a section of curved well.
  • Faces 8 of the sleeve 1 and 9 of the sleeve 2 are planar section faces bearing one against the other. They are oblique to the common axis 10, 10A of the outer surfaces 11 and 12 of these sleeves: Their plane intersects the axis 10 at a point 0 and is very slightly moved away from the plane perpendicular in 0 to the axis 10. Their axis 14 passing through 0 is also the axis of pivot 3 and makes a very small angle A with axis 10, for example from 0 to 10 degrees.
  • the connector is ready to be used when the nut 4 is locked on the pivot 3 and its face 15 and the shoulder 5 are pressed without play on the faces of corresponding housings machined in the sleeves 1 and 2.
  • the key 6 of the pivot 3 is adjusted in the sleeve 2 and rests thereon on its faces 21 and 22.
  • the sleeve 2 is rotated in a clockwise direction constituting the normal direction previously mentioned.
  • the sleeve 1, linked to the pivoting cartridge 30, itself equipped with a stabilizer 31, is slowed down by the friction of the stabilizer 31 on the ground.
  • the deflection angle D of the fitting depends on the choice of the two variables A, the so-called pivot inclination angle, and R, the so-called pivot sector angle.
  • the motion transmission shafts 40 and 41 contained and guided in the two sleeves 50 and 30 are no longer aligned; consequently the elbow fitting is located in line with a universal coupling 39 of the gimbal type for example which ensures the transmission of the torque from the motor element 50 to the tool 51 while allowing the relative inclinations of the two shafts 40 and 41 of the drive element and the pivot cartridge.
  • the angle of the two sleeves therefore makes it possible, after orientation by conventional means, to execute the deflection operation.
  • volumetric motors of the Moineau type lend themselves particularly well to this type of connection, but its use can be extended without problem to turbine engines.
  • the device according to the invention makes it possible to combine in drilling the advantages of the use of an elbow fitting and those of the method in which rectilinear drilling results from the rotation of an eccentric stabilizer, and this without have the disadvantages. It also allows each of the two operations to be carried out in the configuration best suited to it.

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Description

  • La présente invention concerne le forage du sous-sol.
  • Elle s'applique notamment à la recherche ou à l'exploitation de gisements de pétrole ou de gaz, ou de nappes d'eau, chaude ou non, lorsque les circonstances ne permettent pas ou ne rendent pas souhaitable d'atteindre une cible souterraine par le forage d'un puits rectiligne vertical ou oblique. Un obstacle en sous-sol, même connu à l'avance, peut par exemple amener à changer l'inclinaison ou l'azimut du forage en un point situé à plus ou moins grande profondeur. Il en est de même lorsqu'une couche de faible hauteur plus ou moins inclinée, voire horizontale, doit être parcourue sur une grande longueur par le puits foré.
  • Dans de tels cas des déviations du puits doivent être prévues dès le départ.
  • De plus, même dans le cas d'un forage vertical, il arrive que les roches rencontrées provoquent une déviation non souhaitée de l'axe du forage. Cette déviation parasite doit être compensée par une déviation volontaire qui peut être appelée "déviation de correction". Quelle que soit la raison qui les rend nécessaires, les opérations de déviation débutent alors par la mesure de l'inclinaison et de l'azimut de l'axe du tronçon de puits en cours de forage, ainsi que de la position atteinte, cette dernière mesure résultant de la détermination des longueurs, des inclinaisons et des azimuts de tous les tronçons déjà forés. Ces opérations de mesure étant faites, il convient de réaliser la déviation. Un procédé de forage utilisé pour cela comporte une succession d'étapes de forage distinctes, à savoir des étapes de forage rectiligne au cours de chacune desquelles on fore un tronçon de puits rectiligne présentant un axe rectiligne, et au moins une étape de forage courbe. Cette dernière est interposée entre deux étapes de forage rectiligne. Pendant sa durée on fore un tronçon de puits courbe dont l'axe est incurvé sensiblement en arc de cercle et se raccorde à l'axe du tronçon de puits rectiligne précédent. De même l'axe du tronçon rectiligne suivant se raccordera à celui de ce tronçon courbe.
  • On utilise, au cours de chacune de ces étapes de forage, un outil d'attaque présentant un axe selon une direction haut-bas (arrière-avant si le forage est horizontal), et propre à attaquer vers le bas (l'avant) et éventuellement latéralement la roche au fond du puits. Un moteur de fond est fixé au dessus (à l'arrière) de cet outil pour l'entrainer, et présente un axe dans le prolongement de celui de l'outil. Des tubes, appelés dans le métier tiges de forage, sont fixés au-dessus (à l'arrière) de ce moteur les unes à la suite des autres et forment un "train" jusqu'à la bouche du puits pour amener au fond une boue de forage sous pression qui transporte l'énergie nécessaire au moteur, pour commander depuis la surface du sol la force d'appui de l'outil contre la roche, pour éventuellement entraîner l'ensemble en rotation, et pour porter l'outil et le moteur lorsqu'on les remonte ou les redescend dans le puits.
  • (De manière générale, il doit être compris que les expressions telles que haut et bas, ou supérieur et inférieur, etc. doivent être remplacées ci-après par arrière et avant ou postérieur et antérieur etc., respectivement, lorsque le forage progresse horizontalement).
  • Les tiges présentent des axes prolongeant celui du moteur et se prolongeant les uns les autres. Leur nombre est progressivement augmenté par adjonction de nouvelles tiges au fur et à mesure de l'approfondissement du puits. Les diamètres de ce moteur et de ces tiges sont inférieurs au diamètre de forage normal creusé par l'outil et les tiges présentent une flexibilité suffisante pour que la colonne de forage constituée par les éléments décrits ci-dessus puisse suivre les tronçons de forage courbes.
  • Il est connu de réaliser les étapes de forage courbe en incorporant un dispositif de déviation dans la colonne de forage au sommet du moteur de fond qui entraîne l'outil d'attaque. Ce dispositif est un raccord coudé qui incline l'axe commun de l'outil par rapport à celui du reste de la colonne. Le moteur de fond peut aussi être lui même coudé. Un autre procédé de déviation utilise des stabilisateurs excentrés. Un tel stabilisateur forme au moins une saillie radiale dissymétrique dont le sommet est à une distance de l'axe de la colonne légèrement supérieure à un rayon normal égal à la moitié du diamètre de forage normal. Il s'appuie donc contre la paroi du puits de forage et écarte l'axe du moteur de fond de l'axe du puits avec flexion élastique de la colonne, de manière à décaler angulairement la direction d'attaque de l'outil par rapport à l'axe du tronçon de puits en cours de forage et à donner ainsi à ce tronçon la forme courbe souhaitée.
  • Le moteur de fond est généralement une turbine ou un moteur du type Moineau.
  • Dans certains de ces procédés connus, on remonte toute la colonne de forage chaque fois que l'on veut forer un tronçon rectiligne après un tronçon courbe, pour permettre d'enlever le dispositif de déviation tel que raccord coudé, le moteur coudé ou les stabilisateurs excentrés, et aussi chaque fois que l'on veut effectuer une nouvelle déviation, car il faut alors remettre ce dispositif en place. Ces manoeuvres de montée et descente de la colonne de forage comportent notamment le démontage et le remontage de toutes les tiges de la colonne, successivement. Elles prennent une fraction importante du temps nécessaire à la réalisation d'une déviation, cette réalisation incluant les opérations de mesure précédemment indiquées et le forage du tronçon de puits courbe qui assure le changement de direction souhaité. Or ce temps constitue un éléments important du coût d'un forage.
  • Selon un autre procédé connu utilisant des stabilisateurs excentrés le forage d'un tronçon rectiligne est obtenu, après celui d'un tronçon courbe, grâce à une remise en rotation de la colonne de forage. L'outil fore alors un trou de diamètre élargi. Cette méthode évite les opérations onéreuses de remotée et de redescente de la garniture, mais elle présente l'inconvénient de solliciter le moteur de fond par des contraintes de flexion importantes.
  • Cet autre procédé connu est par exemple décrit dans la demande de brevet européen EP-A 0 085 444 (Shell)
  • D'autres procédés connus encore utilisent un dispositif déviateur commandable notamment un raccord coudé commandable constituant un tronçon de la colonne de forage au-dessus du moteur de fond. Un tel dispositif prend sur commande soit, pendant les étapes de forage courbe, une configuration coudée, soit pendant les étapes de forage, une configuration rectiligne qui maintient ou rétablit la rectilinéarité de la colonne. Il comporte deux manchons successifs qui peuvent pivoter l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de pivotement faisant un même petit angle avec les axes de ces deux manchons. Le pivotement est commandé soit avec l'aide de déplacement axiaux de la partie supérieure de la colonne soit à l'aide d'un moteur de pivotement entraînant un engrenage comme décrit dans le brevet US-A 4 303 135 (Benoit).
  • De tels dispositifs déviateurs commandables présentent l'inconvénient d'être complexes.
  • La présente invention a pour but de faire succéder des étapes de forage courbes et de forage rectiligne sans pertes de temps tout en faisant travailler l'outil de forage dans des conditions toujours bonnes, ceci à l'aide d'un dispositif déviateur commandable plus simple que selon le brevet Benoit précité.
  • Elle a notamment pour objet une colonne de forage pour forage à déviations, cette colonne présentant un axe en tous points de sa longueur et comportant, comme connu par le brevet Benoit précité,
    • - un outil de forage rotatif porté par un arbre d'outil au bas de la colonne, cet outil présentant un axe d'outil qui constitue en même temps localement l'axe de la colonne,
    • - un élément actif d'un moteur de fond pour entraîner cet outil en rotation rapide par rapport à cette colonne,
    • - un élément de pivoterie de ce même moteur placé entre cet élément actif et cet outil et portant ledit arbre d'outil pour transmettre à cet outil une poussée axiale appliquée à cette colonne tout en permettant la rotation de cet outil,
    • - un dispositif déviateur commandable pouvant prendre une configuration coudée pour couder localement la colonne afin de réaliser un tronçon de forage courbe, et pouvant prendre une configuration rectiligne pour rétablir la rectilinéarité de la colonne afin de réaliser un tronçon de forage droit,
    • - et une succession de tubes de forage pour permettre, à partir de la surface du sol, d'appliquer une poussée axiale audit élément de pivoterie, et d'entraîner l'ensemble de la colonne en rotation lente,
    • - ledit dispositif déviateur comportant un manchon inférieur constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit outil, et présentant un axe qui est localement l'axe de cette colonne et qui est solidaire dudit axe d'outil,
    • - un manchon supérieur constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit manchon inférieur, et présentant un axe qui est localement l'axe de cette colonne,
    • - et des moyens de pivotement reliant ces deux manchons, ces moyens présentant un axe de pivotement incliné d'un même petit angle par rapport aux deux axes de ces deux manchons et maintenant ces deux manchons l'un par rapport à l'autre tout en permettant une rotation du manchon inférieur par rapport au manchon supérieur autour de cet axe de pivotement, une position "d'alignement" de ce manchon inférieur assurant l'alignement des axes de ces deux manchons, pour mettre ce dispositif dans sa configuration rectiligne, une position "de déviation" de ce manchon créant un angle de déviation entre les axes de ces deux manchons pour mettre le dispositif dans sa configuration coudée, ces moyens de pivotement laissant un passage libre à l'intérieur de la colonne au moins pour une boue de forage.
  • La colonne selon l'invention est caractérisé par le fait que lesdits moyens de pivotement du dispositif déviateur permettent seulement au manchon inférieur une rotation sur un secteur angulaire de pivotement limité autour dudit axe de pivotement, lesdites positions d'alignement et de déviation étant définies par des butées aux deux extrémités de ce secteur,
  • - cette colonne comportant, au dessous du dispositif déviateur et au dessus de l'outil, un organe frottant contre la paroi du puits pour qu'un entraînement en rotation de cette colonne de forage dans un sens normal fasse apparaître un couple de frottement qui amène le manchon inférieur en butée à ladite extrémité d'alignement du secteur de pivotement, et pour qu'un entrainement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse fasse apparaître un couple de frottement qui amène ce manchon en butée à ladite extrémité de déviation, des moyens étant prévus pour maintenir ce manchon à cette extrémité de déviation en l'absence de rotation de la colonne.
  • Selon une disposition préférée ledit dispositif déviateur est placé entre ledit élement actif de moteur et ledit élément de pivoterie et il est traversé axialement par un accouplement assurant la transmission du mouvement de ce moteur audit arbre d'outil, ce moteur entrainant cet accouplement en rotation dans ledit sens normal, pour que le frottement de cet arbre dans cet élément de pivoterie tende à entraîner et à maintenir ledit manchon inférieur en butée à ladite extrémité de déviation en l'absence de rotation de la colonne de forage.
  • Ledit organe frottant est avantageusement constitué par un stabilisateur qui est utilisé en même temps de manière connue pour maintenir la colonne dans l'axe du puits au voisinage de l'outil et pour guider ainsi ce dernier.
  • Lesdits moyens de pivotement sont constitués par un pivot de forme générale tubulaire allongée selon ledit axe de pivotement, avec une surface latérale constituant des portées de guidage qui sont cylindriques de révolution autour de cet axe et qui coopèrent avec la surface intérieure d'un logement formé dans l'un desdits manchons qui constitue un manchon mobile, pour guider la rotation de ce manchon mobile, ce pivot comportant également un épaulement de retenue coopérant avec un épaulement interne de ce manchon pour empêcher son déplacement axial et le maintenir au contact de l'autre desdits manchons, qui est un manchon fixe, ce pivot comportant encore des moyens de retenue et des moyens de blocage angulaire pour l'immobiliser dans ledit manchon fixe, ce pivot ou ce manchon mobile comportant enfin une saillie s'étendant dans un secteur angulaire évidé pratiqué dans ce manchon mobile ou ce pivot, respectivement, pour permettre ladite rotation du manchon inférieur par rapport au manchon supérieur sur un secteur angulaire limité.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de forage de puits avec déviations, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on utilise une colonne selon la revendication 1,
    • - cette colonne de forage étant entrainée en rotation continue dans ledit sens normal à partir de la surface du sol pendant des étapes de forage rectiligne pour maintenir ledit manchon inférieur en butée à ladite extrémité d'alignement du secteur de pivotement,
    • - le passage d'une étape de forage rectiligne à une étape de forage courbe comportant les étapes suivantes:
    • - entraînement temporaire de la colonne de forage en rotation dans ledit sens inverse à partir de la surface du sol pour amener ledit manchon inférieur en butée à ladite extrémité de déviation du secteur de pivotement,
    • - et mesure de la position angulaire de l'extrémité inférieure de la colonne de forage autour de son axe et poursuite limitée de l'entraînement en rotation de cette colonne dans le sens inverse pour que cet axe arrive dans un plan prédéterminé de courbure dans lequel un tronçon de puits courbe doit être foré,
    • - ladite étape de forage courbe ayant lieu ensuite sans rotation de la colonne de forage,
    • - et le passage d'une étape de forage courbe à une étape de forage rectiligne se faisant par reprise de la rotation de la colonne de forage dans le sens normal.
  • De préférence, dans ce procédé, lors du passage à une étape de forage courbe, après ladite étape de poursuite limitée de l'entraînement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse, on prévoit une étape de détorsion de colonnes au cours de laquelle la colonne de forage est entraînée en rotation dans le sens normal pour éviter que le couple de torsion élastique qui est apparu dans la colonne entraîne ultérieurement l'axe dudit manchon inférieur à dépasser ledit plan de courbure.
  • A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
    • La figure 1 représente une vue en élévation de la partie inférieure d'une colonne de forage selon l'invention au cours d'une étape de forage rectiligne.
    • La figure 2 représente une vue en élévation de la même partie de la même colonne au cours d'une étape de forage courbe, c'est-à-dire pendant une opération de déviation du forage.
    • La figure 3 représente une vue à échelle agrandie d'une partie III de la colonne de la figure 1, en coupe par un plan passant par l'axe de cette colonne, pour montrer un dispositif selon l'invention, le pivot de ce dispositif étant représenté non coupé.
    • Les figures 4 et 5 représentent deux vues de la même partie de colonne que la figure 3 en coupe par deux plans perpendiculaires à l'axe de cette colonne et repérés IV-IV et V-V, respectivement, sur la figure 3.
  • Conformément à la figure 1 la partie inférieure d'une colonne de forage généralement cylindrique de révolution est entrainée en rotation à partir du sol, à une petite vitesse, par exemple 80 tours par minute, dans un sens que l'on peut appeler "sens normal", de manière notamment à faciliter la descente de la colonne au fur et à mesure du travail de l'outil de forage 51.
  • Une boue de forage est injectée dans le train de tiges à partir de la surface du sol. Elle traverse successivement, de haut en bas,
    • - un moteur de fond, ou plus précisément un élément actif de moteur 50 chargé d'entraîner l'outil de forage 51 en rotation et recevant pour cela son énergie de la boue sous pression. Ce moteur peut être avantageusement du type connu appelé "moteur Moineau". Il peut par exemple tourner à 300 tours par minute comme l'outil 51.
    • - un dispositif déviateur tubulaire 1, 2, selon l'invention, ce dispositif étant ici dans sa configuration rectiligne qui lui donne la forme d'un tube rectiligne coaxial à la colonne, c'est-à-dire ne créant aucune déviation à cette étape du forage,
    • - un élément (cartouche) de pivoterie 30 pour supporter les efforts axiaux du moteur 50 et de l'outil 51 tout en permettant leur rotation à grande vitesse.
    • - un stabilisateur 31 comportant des lames qui sont disposées dans des plans axiaux radiaux et font saillies radialement pour maintenir la colonne dans l'axe du trou
    • - et l'outil de forage 51.
  • La référence 60 désigne 1'"ensemble moteur" comprenant le moteur proprement dit 50, la cartouche de pivoterie 30 et le stabilisateur 31.
  • La boue sortant par l'outil de forage 51 remonte de la manière classique autour de la colonne de forage jusqu'à la surface du sol en entrainant les débris de roche formés par le travail de l'outil.
  • La même partie de la colonne est représentée sur la figure 2 avec le dispositif déviateur selon l'invention dans sa configuration coudée pour forer un tronçon de puits courbe.
  • Sur la figure 3 le dispositif déviateur selon l'invention est représenté dans sa configuration rectiligne. Il présente les dispositions précédemment mentionnées selon l'invention.
  • Il comporte:
    • - un manchon inférieur 1 dont l'extrémité inférieure est aménagée pour recevoir coaxialement la cartouche de pivoterie 30 et dont la partie supérieure possède des aménagements destinés à recevoir un pivot 3,
    • - un manchon supérieur 2 dont l'extrémité supérieure est aménagée pour recevoir coaxialement l'élément moteur 50 et dont la partie inférieure possède des aménagements destinés à recevoir le pivot 3,
    • - un pivot 3 tubulaire, qui comporte un épaulement inférieur 5, une clavette 6 et une extrémité supérieure filetée 7,
    • - un écrou de blocage 4 coopérant avec l'extrémité filetée 7 pour appuyer les manchons 1 et 2 l'un contre l'autre entre l'épaulement 5 et cet écrou
    • - et des joints d'étanchéité toriques 52 pour empêcher la boue de forage de s'insérer entre les surfaces frottantes.
  • Des faces 8 du manchon 1 et 9 du manchon 2 sont des faces de section planes en appui l'une contre l'autre. Elles sont obliques par rapport à l'axe commun 10, 10A des surfaces extérieures 11 et 12 de ces manchons: Leur plan coupe l'axe 10 en un point 0 et est très légèrement écarté du plan perpendiculaire en 0 à l'axe 10. Leur axe 14 passant par 0 est également l'axe du pivot 3 et fait un angle A très faible avec l'axe 10, par exemple de 0 à 10 degrés.
  • Le raccord est prêt à être utilisé lorsque l'écrou 4 est bloqué sur le pivot 3 et que sa face 15 et l'épaulement 5 sont appuyés sans jeu sur les faces de logements correspondants usinés dans les manchons 1 et 2.
  • La clavette 6 du pivot 3 est ajustée dans le manchon 2 et s'y appuye sur ses faces 21 et 22.
  • Par contre, lors de la rotation du pivot, elle évolue entre les faces d'extrémités 23 et 24 d'un logement en forme de secteur angulaire plus large usiné dans le manchon 1. Son angle de pivotement constitue le secteur angulaire de pivotement précédemment mentionné.
  • Lors du forage rectiligne, le manchon 2 est entraîné en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre constituant le sens normal précédemment mentionné. Le manchon 1, lié à la cartouche de pivoterie 30, elle-même équipée d'un stabilisateur 31, est ralenti par le frottement du stabilisateur 31 sur le terrain.
  • L'entraînement du manchon 2 provoque celui du pivot 3 par la clavette 6. Cette dernière vient alors en appui sur la face 24 du secteur angulaire usiné dans le manchon. Cette position correspond à la coincidence des axes 10 et 10A.
  • Quand on effectue une rotation inverse de quelques tours, le frottement du stabilisateur 31 sur le terrain s'oppose à ce mouvement. Le manchon 2 entraîne donc le pivot 3 à tourner, la clavette 6 venant au contact de la face d'extrémité 23. Cette rotation angulaire relative s'effectue autour de l'axe oblique 14 du pivot 3 et avec glissement rotatif des faces 8 et 9 l'une sur l'autre. En conséquence de cette rotation d'angle R, les axes 10 et 10A ne sont plus confondus mais font un angle D: D = 2A sin R/2
  • Si par exemple on usine le logement 23, 24 pour avoir R = 60°, on obtient D = A
  • On voit dans la formule ci-dessus que l'angle de déviation D du raccord dépend du choix des deux variables A, l'angle dit d'inclinaison de pivot, et R, l'angle dit de secteur de pivotement.
  • Les deux axes 10 et 10A n'étant plus confondus, les arbres de transmission de mouvement 40 et 41 contenus et guidés dans les deux manchons 50 et 30 ne sont plus alignés; en conséquence le raccord coudé est situé au droit d'un accouplement universel 39 du type cardan par exemple qui assure la transmission du couple de l'élément moteur 50 à l'outil 51 tout en autorisant les inclinaisons relatives des deux arbres 40 et 41 de l'élément moteur et de la cartouche de pivoterie. Dans cette configuration l'angle des deux manchons permet donc, après orientation par les moyens classiques, d'exécuter l'opération de déviation.
  • Il est à noter que les moteurs volumétriques de type Moineau se prêtent particulièrement bien à ce type de raccord, mais son utilisation peut être étendue sans problème aux moteurs turbines.
  • L'opération de déviation effectuée et contrôlée, la simple reprise de rotation directe de la garniture permet la reprise de la configuration de forage rectiligne dans les conditions adéquates.
  • Il apparait que le dispositif selon l'invention permet de combiner dans le forage les avantages de l'utilisation d'un raccord coudé et ceux de la méthode dans laquelle le forage rectiligne résulte de la rotation d'un stabilisateur excentré, et ceci sans en avoir les inconvénients. Il permet en outre d'effectuer chacune des deux opérations dans la configuration la mieux adaptée à celle-ci.
  • Il apparaît particulièrement avantageux dans le cas des déviations "de correction" précédemment mentionnées.

Claims (8)

1. Colonne de forage pour forage à déviations, cette colonne présentant un axe en tous points de sa longueur et comportant
- un outil de forage rotatif (51) porté par un arbre d'outil (41) au bas de la colonne, cet outil présentant un axe d'outil (10) qui constitue en même temps localement l'axe de la colonne,
- un élément actif (50) d'un moteur de fond (60) pour entraîner cet outil en rotation rapide par rapport à cette colonne,
- un élément de pivoterie (30) de ce même moteur placé entre cet élément moteur et cet outil et portant ledit arbre d'outil pour transmettre à cet outil une poussée axiale appliquée à cette colonne tout en permettant la rotation de cet outil,
- un dispositif déviateur commandable pouvant prendre une configuration coudée pour couder localement la colonne afin de réaliser un tronçon de forage courbe, et pouvant prendre une configuration rectiligne pour rétablir la rectilinéarité de la colonne afin de réaliser un tronçon de forage droit,
- et une succession de tubes de forage pour transmettre une poussée axiale audit élément de pivoterie, et pour permettre d'entraîner l'ensem-. ble de la colonne en rotation lente, à partir de la surface du sol,
- ledit dispositif déviateur comportant un manchon inférieur (1) constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit outil, et présentant un axe (10) qui est localement l'axe de cette colonne et qui est solidaire dudit axe d'outil (10),
- un manchon supérieur (2) constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit manchon inférieur, et présentant un axe (10A) qui est localement l'axe de cette colonne,
- et des moyens de pivotement (3) reliant ces deux manchons (1, 2), ces moyens présentant un axe de pivotement (14) incliné d'un même petit angle (A) par rapport aux deux axes (10, 10A) de ces deux manchons et maintenant ces deux manchons l'un par rapport à l'autre tout en permettant une rotation du manchon inférieur (1) par rapport au manchon supérieur (2) autour de cet axe de pivotement, une position "d'alignement" (24) de ce manchon inférieur assurant l'alignement des axes (10, 10A) de ces deux manchons, pour mettre ce dispositif dans sa configuration rectiligne, une position "de déviation" de ce manchon créant un angle de déviation (D = 2 A sin R/2) entre les axes de ces deux manchons pour mettre le dispositif dans sa configuration coudée, ces moyens de pivotement laissant un passage libre à l'intérieur de la colonne au moins pour une boue de forage,
- cette colonne étant caractérisée par le fait que lesdits moyens de pivotement (3) du dispositif déviateur permettent seulement au manchon inférieur (1) une rotation sur un secteur angulaire de pivotement limité (R) autour dudit axe de pivotement, lesdites positions d'alignement (24) et de déviation (23) étant définies par des butées aux deux extrémités de ce secteur,
- cette colonne comportant, au dessous du dispositif déviateur et au dessus de l'outil (51), un organe (31) frottant contre la paroi du puits pour qu'un entraînement en rotation de cette colonne de forage dans un sens normal fasse apparaître un couple de frottement qui amène le manchon inférieur (1) en butée à ladite extrémité d'alignement (24) du secteur de pivotement, et pour qu'un entraînement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse fasse apparaître un couple de frottement qui amène ce manchon en butée à ladite extrémité de déviation, des moyens étant prévus pour maintenir ce manchon à cette extrémité de déviation en l'absence de rotation de la colonne.
2. Colonne de forage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit dispositif déviateur est placé entre ledit élément moteur (50) et ledit élément de pivoterie (30) et est traversé axialement par un accouplement (39) assurant la transmission du mouvement de ce moteur audit arbre d'outil (41), ce moteur entraînant cet accouplement en rotation dans ledit sens normal, pour que le frottement de cet arbre dans cet élément de pivoterie (30) tende à entraîner et à maintenir ledit manchon inférieur (1) en butée à ladite extrémité de déviation (23) en l'absence de rotation de la colonne de forage.
3. Colonne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit organe frottant contre la paroi du puits au dessous du dispositif déviateur (1, 2, 3) et au dessus de l'outil de forage (51) est un stabilisateur (31) pour maintenir la colonne dans l'axe du puits.
4. Procédé de forage de puits avec déviations, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on utilise une colonne selon la revendication 1,
- cette colonne de forage étant entraînée en rotation continue dans ledit sens normal à partir de la surface du sol pendant des étapes de forage rectiligne pour maintenir ledit manchon inférieur (1) en butée à ladite extrémité d'alignement (24) du secteur de pivotement (R),
- le passage d'une étape de forage rectiligne à une étape de forage courbe comportant les étapes suivantes:
- entraînement temporaire de la colonne de forage en rotation dans ledit sens inverse à partir de la surface du sol pour amener ledit manchon inférieur en butée à ladite extrémité de déviation (23) du secteur de pivotement,
- et mesure de la position angulaire de l'extrémité inférieure de la colonne de forage autour de son axe (10) et poursuite limitée de l'entraînement en rotation de cette colonne dans le sens inverse pour que cet axe arrive dans un plan prédéterminé de courbure dans lequel un tronçon de puits courbe doit être foré,
- ladite étape de forage courbe ayant lieu ensuite sans rotation de la colonne de forage,
- et la passage d'une étape de forage courbe à une étape de forage rectiligne se faisant par reprise de la rotation de la colonne de forage dans le sens normal.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, lors du passage à une étape de forage courbe, après ladite étape de poursuite limitée de l'entraînement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse, on prévoit une étape de détorsion de colonnes au cours de laquelle la colonne de forage est entraînée en rotation dans le sens normal pour éviter que le couple de torsion élastique qui est apparu dans la colonne entraîne ultérieurement l'axe (10) dudit manchon inférieur à dépasser ledit plan de courbure.
6. Dispositif déviateur pour forage, ce dispositif étant destiné à être inséré dans une colonne de forage dont l'extrémité inférieure porte un outil forage (51) entraîné par un moteur de fond (60) en rotation autour d'un axe d'outil
- ce dispositf comportant un manchon inférieur (1) constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit outil, et présentant un axe (10) qui est localement l'axe de cette colonne et qui est solidaire dudit axe d'outil (10),
- un manchon supérieur (2) constituant un tronçon de ladite colonne de forage au-dessus dudit manchon inférieur, et présentant un axe (10A) qui est localement l'axe de cette colonne,
- et des moyens de pivotement (3) reliant ces deux manchons (1, 2), ces moyens présentant un axe de pivotement (14) incliné d'un même petit angle (A) par rapport aux deux axes (10, 10A) de ces deux manchons et maintenant ces deux manchons l'un par rapport à l'autre tout en permettant une rotation du manchon inférieur (1) par rapport au manchon supérieur (2) autour de cet axe de pivotement, une position "d'alignement" (24) de ce manchon inférieur assurant l'alignement des axes (10, 10A) de ces deux manchons pour mettre ce dispositif dans sa configuration rectiligne, une position "de déviation" de ce manchon créant un angle de déviation (D = 2 A sin R/2) entre les axes de ces deux manchons pour mettre le dispositif dans sa configuration coudée, ces moyens de pivotement laissant un passage libre à l'intérieur de la colonne au moins pour une boue de forage,
- ce dispositif étant caractérisé par le fait que lesdits moyens de pivotement (3) permettent seulement au manchon inférieur (1) une rotation sur un secteur angulaire de pivotement limité (R) autour dudit axe de pivotement, lesdites positions d'alignement (24) et de déviation (23) étant définies par des butées aux deux extrémités de ce secteur.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits moyens de pivotement sont constitués par un pivot (3) de forme générale tubulaire allongée selon ledit axe de pivotement (14), avec une surface latérale constituant des portées de guidage qui sont cylindriques de révolution autour de cet axe et qui coopèrent avec la surface intérieure d'un logement formé dans l'un (1) desdits manchons (1, 2) qui constitue un manchon mobile, pour guider la rotation de ce manchon mobile, ce pivot comportant également un épaulement de retenue
(5) coopérant avec un épaulement interne de ce manchon pour empêcher son déplacement axial et le maintenir au contact de l'autre desdits manchons, qui est un manchon fixe (2), ce pivot comportant encore des moyens de retenue (4) et des moyens de blocage angulaire (6) pour l'immobiliser dans ledit manchon fixe, ce pivot ou ce manchon mobile comportant enfin une saillie (6) s'étendant dans un secteur angulaire évidé (23, 24) pratiqué dans ce manchon mobile ou ce pivot, respectivement, pour permettre ladite rotation du manchon inférieur par rapport au manchon supérieur sur un secteur angulaire limité (R).
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