WO1992018740A1 - Appareil de forage petrolier, gazier ou geothermique - Google Patents

Appareil de forage petrolier, gazier ou geothermique Download PDF

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Definitions

  • the object of the invention is an oil, gas or geothermal drilling rig, comprising a central tool and a coaxial drill bit, in which the central tool is driven by the rotor of a downhole motor powered by drilling mud. and in which the drill bit is driven from the surface by the rods of a drilling train belonging to a rotary system, these same rods subjecting the apparatus to an axial force.
  • a device meeting this definition in such an apparatus, the combined action of the two tools aims to use the energy contained in the mud to increase the overall energy of the drilling, which becomes necessary to keep a sufficient speed of advance when the diameter of the well becomes large .
  • Another possible advantage of this organization is to allow the central tool to rotate at a higher angular speed than the drill bit, and thus to achieve more uniform linear cutting speeds over the major part of the diameter of the drilled well.
  • the drilling rig securely fastens the base of the drill bit and the stator of the downhole motor.
  • the power distribution is optimal in the only case where the drilled ground and the cutting conditions imposed on the two tools are such that the feed speeds which would be taken by each of them would be identical if they acted separately . Any deviation from this ideal situation manifests itself in a poor instantaneous distribution of power and a problematic realization of the expected benefits.
  • the drilling device which is the subject of the invention comprises a prismatic connection so as to allow the relative translation of the two tools along their common axis.
  • any means comprising an elasticity, which we will call spring, is interposed between the stator of the downhole motor and the base of the drill bit so that the stator forces this spring when the central tool tends to fall behind the drill bit in their respective advance movements.
  • the stator of the downhole motor and the base of the drill bit have shapes delimiting between them an orifice whose section is a function of their relative positions, allowing the deviation of a variable part of the flow of mud, which thus avoids the intake port of the bottom engine.
  • the drilling rig modifies the deflection orifice so as to increase the flow admitted into the motor when the relative axial displacement of the stator is in the direction in which it tends to constrain the spring and vice versa.
  • a freewheel can be interposed between the base of the central tool and the drill bit.
  • This freewheel is obviously of a type which makes it powerless to oppose the relative axial displacement of the two tools and it is mounted so as to lock when the absolute rotation speed of the central tool tends to become lower than that of the drill bit.
  • FIG. 1 to 3 of the accompanying drawing describe by way of example an embodiment of the drilling rig, object of the invention, in which are present all the provisions listed above.
  • Figure 1 shows an axial section of
  • Figure 2 shows, on an enlarged scale, a partial section II-II of Figure 1 (the engine being viewed from above without being cut).
  • FIG. 3 is a part, on an enlarged scale, of the axial neck presented in FIG. 1.
  • the device Between the stator 4 of the downhole motor and the base 5 of the drill bit, the device comprises a prismatic connection 450.
  • the base is here in two parts assembled by the conical thread 51.
  • the prismatic connection 450 is here produced by a groove comprising four teeth 40 on the stator, engaged between teeth 50 belonging to the base 5 of the drill bit.
  • the spring 5 working in compression bears, in 570, on the base of the drill bit and, in 416, on four projections 41 of the stator 4, the head surfaces of these projections forming, in 451, a complementary cylindrical guide of the stator in the base of the drill bit.
  • the projections 41 of the stator 4 have, on the other hand, bearing faces 452 which may constitute, with bearing faces 532 on the projections 53 of the base 5 of the drill bit, a stop enabling the device to be extracted from the well without lose part of it.
  • the flow of mud which has passed through the orifice 7 circulates in the annular space 453 between the base 5 of the drill bit and the stator 4 of the downhole motor, crosses the orifices 52 which constitute restrictors, then crosses the drill bit and reaches the well by holes 20 formed in the body of the drill bit.
  • the drilling rig also comprises a free roller wheel (211) interposed between the surface 21 of the bore of the base of the drill bit 2 and a bearing surface of the base 11 of 1 Outi 1 cent al 1.
  • This freewheel is mounted so that it locks when the absolute rotation speed of the central tool tends to fall below that of the drill bit.

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Abstract

L'objet de l'invention est un appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique comportant un outil central et un trépan coaxiaux dans lequel l'outil central est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et dans lequel le trépan est entraîné, depuis la surface, par les tiges d'un train de forage appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort axial. Il est caractérisé en ce que, entre le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan, existe une liaison prismatique qui permet le déplacement axial relatif des deux outils et en ce qu'un ressort (6) est interposé entre le stator (4) et l'embase (5) de manière à être contraint par le stator quand l'outil central tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs, afin de contrôler le déplacement axial relatif des deux outils et de répartir entre eux, en fonction de ce déplacement, l'effort axial auquel l'appareil est soumis. Application à l'industrie du matériel de forage notamment pétrolier, gazier ou géothermique.

Description

APPAREIL DE FORAGE PETROLIER, GAZIER OU GEOTHERMIQUE
L'objet de l'invention est un appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique, comportant un outil central et un trépan coaxiaux, dans lequel l 'outil central est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et dans lequel le trépan est entraîné, depuis la surface, par les tiges d'un train de forage appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant l 'appareil à un effort axial. On connaît (US-A-4.862.974) un appareil répondant à cette définition ; dans un tel appareil, l 'action combinée des deux outils vise à utiliser l'énergie contenue dans la boue pour accroître l'énergie globale du forage, ce qui devient nécessaire pour garder une vitesse d'avance suffisante quand le diamètre du puits devient important.
Un autre intérêt possible de cette organisation est de permettre à l'outil central de tourner à une vitesse angulaire olus élevée que le trépan, et de réaliser ainsi des vitesses linéaires de coupe plus uniformes sur la majeure partie u diamètre du puits foré.
Dans l'appareil de forage décrit par le brevet (US-A-4.862.S74) , l 'appareil de forage solidarise cornDlètement l'embase du trépan et le stator du moteur de fond. Dans ces conditions, la répartition de puissance est optimale dans le seul cas où le terrain foré et les conditions de coupe imposées aux deux outils sont tels que les vitesses d'avance qui seraient prises par chacun d'eux seraient identiques s'ils agissaient séparément. Tout écart par rapport à cette situation idéale se manifeste par une médiocre répartition instantanée de la puissance et une concrétisation problématique des avantages espérés.
FEUILLE DE REMPLACEMENT L'un des résultats visés par l 'invention est de remédier à cet inconvénient.
Entre le stator du moteur de fond et l'embase du trépan, l'appareil de forage objet de l'invention comprend une liaison prismatique de manière à permettre la translation relative des deux outils selon leur axe commun.
Pour contrôler automatiquement ce déplacement axial relatif, un moyen quelconque comportant une élasticité, et que nous appellerons ressort, est interposé entre le stator du moteur de fond et l'embase du trépan de manière que le stator contraigne ce ressort quand l'outil central tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs.
Pour parfaire l'efficacité du système ainsi conçu, le stator du moteur de fond et l'embase du trépan présentent des formes délimitant entre elles un orifice dont la section est fonction de leurs positions relatives, permettant la déviation d'une part variable du débit de boue, qui évite ainsi l'orifice d'admission du moteur du fond. L'appareil de forage modifie l'orifice de déviation de manière à accroître le débit admis dans le moteur quand le déplacement axial relatif du stator se fait dans le sens où il tend è contraindre le ressort et réciproquement.
Enfin, pour éviter ue le moteur de fond puisse fonctionner en pompe si, pour quelque raison que ce soit, la vitesse de rotation de l'outil central venait à tomber en dessous de celle du trépan, une roue libre peut être interposée entre l'embase de l'outil central et le trépan.
Cette roue libre est évidemment d'un type qui la rend impuissante à s'opposer au déplacement axial relatif des deux outils et elle est montée de manière à se verrouiller quand la vitesse de rotation absolue de l'outil central tend à devenir inférieure à celle du trépan.
Les avantages de l 'appareil de forage objet de l'invention sont les suivants :
FEUILLE DE REMPLACEMENT - il impose aux deux outils une vitesse d'avance égale en moyenne sans imposer l'égalité, inopportune, des vitesses d'avance instantanées,
- il réalise automatiquement, à fond de trou, la variation des conditions de coupe imposées à chacun des outils en fonction des variations de résistance du terrain et permet ainsi, dans toutes les circonstances, une répartition instantanée convenable de la puissance disponible ; ainsi, quand l'outil central tend à prendre du retard dans son mouvement d'avance et se trouve freiné dans sa rotation, le ressort contrôle l'accroissement de l'effort sur l 'outil central et le soulagement simultané du trépan, tandis que l'étranglement de l'écoulement de la boue par l 'orifice variable accroît la puissance hydraulique disponible pour le moteur de fond : ceci permet au moteur de délivrer un couple plus élevé et à l'appareil ce réagir en souplesse contre le ralentissement de l'outil central,
- il permet de solidariser automatiquement les deux outils en rotation, sans devoir interrompre le forage en cours, lorsque, pour une raison quelconque, le moteur de fond est immobilisé ou n'a plus la puissance nécessaire pour permettre à l'appareil de fonctionner dans des conditions nor a les.
Les figures 1 à 3 du dessin ci-annexé décrivent à titre d'exemple une réalisation de l'appareil de forage, objet de l'invention, dans laquelle sont présentes toutes les dispositions énu érées ci-cessus.
La figure 1 présente est une coupe axiale de
1 ' apparei 1 de forage. La figure 2 présente, à échelle majorée, une coupe partielle II-II de la figure 1 (le moteur étant vu de dessus sans être coupé) .
La figure 3 est une partie, à échelle agrandie, de la coune axiale présentée à la fiαure 1.
FEUILLE DE REMPLACEMENT On reconnaît sur ces figures, l'outil central 1 entraîné en rotation par un moteur de fond identifié par son stator 4 ainsi que le trépan 2 et son embase 5 entraînés depuis la surface par des tiges 3 d'un train de forage appartenant à un système rotary.
Entre le stator 4 du moteur de fond et l'embase 5 du trépan, l'appareil comprend une liaison prismatique 450.
L'embase est ici en deux pièces assemblées par le filet conique 51. La liaison prismatique 450 est ici réalisée par une cannelure comportant quatre dents 40 sur le stator, engagées entre des dents 50 appartenant à l'embase 5 du trépan.
Le ressort 5 travaillant en compression prend appui, en 570, sur l'embase du trépan et, en 416, sur quatre saillants 41 du stator 4, les surfaces de tête de ces saillants formant, en 451, un guidage cylindrique complémentaire du stator dans l'embase du trépan.
Les saillants 41 du stator 4 présentent d'autre part des faces d'appui 452 qui peuvent constituer avec des faces d'appui 532 sur des saillants 53 de l'embase 5 du trépan une butée permettant d'extraire l'appareil du puits sans en perdre une partie.
L'orifice 7 par où passe la boue déviée de l'orifice d'aαmission 8 du moteur de fond est étranglé par le stator 4 du moteur de fond quand celui-ci comprime le ressort 6, de sorte qu'un débit de boue croissant est alors acmis dans le moteur par son orifice d'admission 8.
Le débit de boue qui a franchi l 'orifice 7 circule dans l'espace annulaire 453 entre l'embase 5 du trépan et le stator 4 du moteur de fond, traverse les orifices 52 qui constituent des restricteurs, puis traverse le trépan et gagne le puits par des orifices 20 ménagés dans le corps du trépan .
FEUILLE DE
REMPLACEMENT Le débit de boue qui a été admis dans le moteur par l 'orifice 8 traverse le moteur en lui cédant de l'énergie et s'échappe finalement dans le puits par des orifices 10 ménagés dans l 'outil central. L'appareil de forage comprend encore une roue libre à rouleaux (211) interposée entre la surface 21 de l'alésage de l'embase du trépan 2 et une portée de l'embase 11 de 1 Outi 1 cent al 1.
Cette roue libre est montée de manière qu'elle se verrouille quand la vitesse de rotation absolue de l 'outil central tend à tomber en dessous de celle du trépan.
FEUILLE DE REMPLACEMENT

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique comportant un outil central (1) et un trépan (2) coaxiaux, dans lequel l 'outil central (1) est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et dans lequel le trépan (2) est entraîné, depuis la surface, par les tiges (3) d'un train de forage appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort axial, cet appareil de forage étant CARACTERISE en ce que, entre le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan, il comprend une liaison prismatique (450) qui permet le déplacement axial relatif des deux outils et en ce qu'un moyen élastique (6) est interposé entre le stator (4) et l'embase (5) de manière à être contraint par le stator quand l'outil central tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs, afin de contrôler le déplacement axial relatif des deux outils et de répartir entre eux, en fonction de ce déplacement, l'effort axial auquel l'appareil est soumis.
2. Appareil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan présentent des formes délimitant entre elles un orifice (7) dont la section est fonction de leurs positions relatives, par lequel orifice (7) la boue est déviée de l'orifice d'admission (8) du moteur, de manière à accroître le débit admis dans le moteur quand le déplacement axial relatif du stator se fait dans le sens où il tend à contraindre le ressort (6) et réciproquement.
3. Appareil de forage conforme aux revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'une roue libre (211), d'un type permettant le déplacement axial relatif des deux outils, est interposée entre l'embase (11) de l'outil central (1) et le trépan (2), et montée de manière à se verrouiller quand la vitesse de rotation absolue de l 'outil central tend à tomber en dessous de celle du trépan.
FEUILLE DE REMPLACEMENT
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