A ESOIR To hope
La présente invention concerne un elargisseur de trou de forage, en particulier de ce trou en dessous d'un cuvelage dans le domaine de la prospection pétrolière, l'élargisseur comportant un corps à axe longitudinal, un conduit de fluide de forage ménagé longitudinalement dans le corps, et présentant une section de passage de fluide d'un rayon Intérieur i, et au moins deux bras d'élargissement qui présentent une partie active munie de moyens de coupe, qui sont agencés pour pouvoir coulisser entre une position de repos dans le corps et une position active partiellement hors du corps, qui sont guidés et soutenus à cet effet dans le corps sur une distance g et qui, en position active, font saillie du corps d'une longueur o.The present invention relates to a borehole enlarger, in particular of this hole below a casing in the field of oil exploration, the enlarger comprising a body with a longitudinal axis, a drilling fluid conduit arranged longitudinally in the body, and having a fluid passage section of an interior radius i, and at least two widening arms which have an active part provided with cutting means, which are arranged to be able to slide between a rest position in the body and an active position partially outside the body, which are guided and supported for this purpose in the body over a distance g and which, in the active position, protrude from the body by a length o.
Ce genre d'outil d'élargissement présente par exemple un diamètre de corps compris par exemple entre 119 et 427 millimètres. Cela ne laisse que peu d'espace pour y construire un mécanisme simple, y prévoir les éléments cités ci-dessus et donner à ceux-ci des proportions leur assurant, ainsi qu'à l'élargisseur dans son ensemble, une solidité relative équilibrée.This kind of enlargement tool has for example a body diameter of, for example, between 119 and 427 millimeters. This leaves little space to build a simple mechanism, provide the elements mentioned above and give them proportions ensuring them, as well as the enlarger as a whole, a balanced relative strength.
La présente invention a pour but d'apporter une solution à ce problème et propose de respecter une proportionnalité déterminée entre, d'une part, les valeurs respectives ci-dessus de rayon intérieur i, de distance g, de longueur o et, d'autre part, la somme s de ces trois valeurs.The object of the present invention is to provide a solution to this problem and proposes to respect a determined proportionality between, on the one hand, the above respective values of internal radius i, of distance g, of length o and, of on the other hand, the sum s of these three values.
A cet effet, suivant l'invention, les valeurs de î, g et o sont choisies pour satisfaire simultanément aux conditions suivantes : i + g + o = s ; 0,30 < i/s < 0,45, 0,40 < g/s < 0,60, 0,07 < o/s < 0,20.To this end, according to the invention, the values of i, g and o are chosen to simultaneously satisfy the following conditions: i + g + o = s; 0.30 <i / s <0.45, 0.40 <g / s <0.60, 0.07 <o / s <0.20.
De manière surprenante, il s'est avéré que ces conditions
sont avantageusement applicables avec succès à différentes tailles d'élargisseurs, comme expliqué ci-après.Surprisingly, it turned out that these conditions are advantageously successfully applicable to different sizes of expanders, as explained below.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, pour son guidage de coulissement dans le corps, chaque bras peut comporter une portion cylindrique de diamètre d dont la valeur est au moins égale à la valeur de g ci-dessus.According to one embodiment of the invention, for its sliding guide in the body, each arm can comprise a cylindrical portion of diameter d whose value is at least equal to the value of g above.
Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, pour son déplacement de la position de repos à la position active, chaque bras d'élargisseur comporte une face, interne au corps, agencée pour être soumise directement, à la manière d'une face active de piston, à la pression du fluide de forage circulant dans le corps.According to a particular embodiment of the invention, for its displacement from the rest position to the active position, each expander arm has a face, internal to the body, arranged to be subjected directly, in the manner of a face active piston, at the pressure of the drilling fluid circulating in the body.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications ci-jointes et de la description des dessins schématiques annexés au présent mémoire et qui illustrent à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'élargisseur de l'invention.Other details and particularities of the invention will emerge from the appended claims and from the description of the schematic drawings annexed to this specification and which illustrate by way of nonlimiting example, a preferred embodiment of the enlarger of the invention.
La figure 1 montre en coupe axiale un elargisseur, un bras visible sur la figure étant en position de repos.Figure 1 shows in axial section a widener, an arm visible in the figure being in the rest position.
La figure 2 montre une coupe axiale partielle dans laquelle le bras visible est en position active.Figure 2 shows a partial axial section in which the visible arm is in the active position.
Les figures 3 et 4 montrent chacune une coupe transversale dans laquelle sont représentés trois bras d'élargissement en position de repos et respectivement en position active.Figures 3 and 4 each show a cross section in which are shown three widening arms in the rest position and respectively in the active position.
La figure 5 montre à une échelle supérieure, en coupe longitudinale, un ensemble comprenant un bras et un support intermédiaire, en vue d'un montage et d'un échange rapide de bras.Figure 5 shows on a larger scale, in longitudinal section, an assembly comprising an arm and an intermediate support, for mounting and rapid exchange of arms.
Dans les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments semblables ou analogues.In the different figures, the same references designate similar or analogous elements.
L'élargisseur 1 , tel que représenté à titre d'exemple dans les figures 1 à 4, comprend un corps 2 à axe longitudinal 3, un conduit 4 de fluide de forage, ménagé longitudinalement dans le corps 2, et au
moins deux bras d'élargissement 5 qui sont répartis symétriquement dans le corps 2, autour de l'axe longitudinal 3, pour assurer un fonctionnement sensiblement équilibré de l'élargisseur 1. Les figures 3 et 4 montrent que l'on peut aisément disposer dans le corps 2 trois bras 5 selon des angles de 120° entre deux bras 5 successifs.The widener 1, as shown by way of example in FIGS. 1 to 4, comprises a body 2 with a longitudinal axis 3, a conduit 4 of drilling fluid, formed longitudinally in the body 2, and at at least two widening arms 5 which are distributed symmetrically in the body 2, around the longitudinal axis 3, to ensure a substantially balanced operation of the widener 1. Figures 3 and 4 show that one can easily arrange in the body 2 three arms 5 at angles of 120 ° between two successive arms 5.
Les bras 5 présentent chacun une partie active 7 munie de moyens de coupe 8 (figures 3 à 5), connus et expliqués ci-dessous. Les bras 5 sont agencés dans le corps 2 pour pouvoir être déplacés entre une position de repos 9 dans ce corps 2 et une position active 10 partiellement hors de ce même corps 2.The arms 5 each have an active part 7 provided with cutting means 8 (Figures 3 to 5), known and explained below. The arms 5 are arranged in the body 2 so that they can be moved between a rest position 9 in this body 2 and an active position 10 partially outside this same body 2.
Chaque bras 5 peut comporter, pour son déplacement de la position de repos 9 à la position active 10, une face 12, interne au corps 2, agencée pour être soumise directement, à la manière d'une face active de piston, à la pression du fluide de forage circulant dans le corps 2. Par cette disposition, on évite des pièces mécaniques intermédiaires entre le fluide qui doit actionner le bras 5 et ce dernier, et les problèmes connus de l'homme du métier et qui peuvent en résulter.Each arm 5 may include, for its displacement from the rest position 9 to the active position 10, a face 12, internal to the body 2, arranged to be subjected directly, in the manner of an active piston face, to the pressure drilling fluid circulating in the body 2. By this arrangement, mechanical parts are avoided between the fluid which must actuate the arm 5 and the latter, and the problems known to those skilled in the art and which may result therefrom.
Par face interne 12 du bras 5, il faut comprendre toute face/surface en contact, à un quelconque moment de fonctionnement de forage et/ou d'élargissement, avec le fluide sous pression circulant dans le conduit 4. Il apparaît que certaines de ces faces/surfaces soumises à la même pression se compensent mais, dans l'ensemble, il reste une surface positive suffisante pour qu'avec par exemple une différentielle positive de pression de l'ordre de 2 MPa (environ 300 psi) entre la pression du fluide dans le conduit 4 et celle du fluide à l'extérieur du corps 2, au niveau du ou des bras 5, on obtienne une force de poussée de l'ordre de 2.000 Kg pour sortir le bras 5 du corps 2.By internal face 12 of arm 5, it is necessary to understand any face / surface in contact, at any moment of drilling and / or widening operation, with the pressurized fluid circulating in the conduit 4. It appears that some of these faces / surfaces subjected to the same pressure compensate each other but, overall, there remains a sufficient positive surface so that with, for example, a positive pressure differential of the order of 2 MPa (approximately 300 psi) between the pressure of the fluid in the duct 4 and that of the fluid outside of the body 2, at the level of the arm (s) 5, a thrust force of the order of 2,000 kg is obtained to remove the arm 5 from the body 2.
Le bras 5 est monté de manière à pouvoir coulisser parallèlement à lui-même dans le corps 2, pour passer de la position de repos 9 à la position active 10 et inversement. Le choix d'un tel mouvement est des plus favorable pour le fonctionnement à la manière
d'un piston.The arm 5 is mounted so that it can slide parallel to itself in the body 2, in order to pass from the rest position 9 to the active position 10 and vice versa. The choice of such a movement is most favorable for operation in the manner of a piston.
Le déplacement du bras 5 peut être orienté radialement et/ou suivant toute autre direction favorable, que ce soit vers le haut, vers le bas par rapport à un sens de travail de l'élargisseur eVou vers l'avant, vers l'arrière par rapport à un sens de rotation de l'élargisseur, éventuellement suivant une combinaison quelconque de ces directions de déplacement.The movement of the arm 5 can be oriented radially and / or in any other favorable direction, whether it is upwards, downwards with respect to a working direction of the expander eVou forwards, rearwards by relative to a direction of rotation of the expander, possibly along any combination of these directions of movement.
Un mouvement de pivotement autour d'un axe (non représenté) perpendiculaire à l'axe longitudinal 3 et à la direction de la course du bras 5, et disposé quelque peu à l'écart du bras 5, est cependant aussi possible mais sa mise en oeuvre nécessiterait des usinages particuliers sensiblement plus coûteux que ceux de la forme de réalisation précédente.A pivoting movement around an axis (not shown) perpendicular to the longitudinal axis 3 and to the direction of travel of the arm 5, and arranged somewhat away from the arm 5, is however also possible but its setting implemented would require specific machining operations that are significantly more expensive than those of the previous embodiment.
Pour assurer la fonction de piston susdite, des moyens d'etanchéité 11 sont prévus aux endroits connus de l'homme de métier.To perform the above-mentioned piston function, sealing means 11 are provided at the locations known to those skilled in the art.
Pour son déplacement de la position active 10 à la position de repos 9 lorsque la pression dans le conduit 4 est diminuée, le ou chaque bras 5 comporte avantageusement des moyens de rappel élastiques 13, par exemple des ressorts hélicoïdaux de compression 14 comme cela est représenté dans les dessins. Cet agencement permet de retirer sans difficulté l'élargisseur 1 du trou de forage.For its displacement from the active position 10 to the rest position 9 when the pressure in the duct 4 is reduced, the or each arm 5 advantageously comprises elastic return means 13, for example helical compression springs 14 as shown in the drawings. This arrangement allows the expander 1 to be easily removed from the borehole.
Le bras 5 peut présenter, en position active 10 hors du corps 2, une face postérieure 16 (par rapport à un sens F d'avance d'élargissement dans le trou) en biais, adaptée pour aider, par exemple en cas de déficience des ressorts 14, le bras 5 à rentrer dans le corps 2 lors d'un retrait de l'élargisseur 1 hors du trou de forage.The arm 5 may have, in the active position 10 outside the body 2, a posterior face 16 (relative to a direction F of advance of enlargement in the hole) at an angle, adapted to help, for example in the event of deficiency of the springs 14, the arm 5 to enter the body 2 during a withdrawal of the expander 1 out of the borehole.
Le bras 5 peut être monté dans le corps 2 au moyen d'un support intermédiaire 15 qui sert de logement et de guidage du bras 5 dans le corps 2 et qui est fixé à ce dernier, par exemple par des vis 17. Des moyens d'etanchéité 18 peuvent être prévus alors entre le corps 2 et ledit support intermédiaire 15.
Le conduit de fluide 4 présente (figures 2 et 4) une section de passage d'un rayon intérieur i. Le terme de rayon doit être compris dans un sens large, par exemple de demi-dimension linéaire moyenne de cette section de passage. Les bras 5 sont guidés, au moins en position active, dans le corps 2 ou, le cas échéant, dans leur support intermédiaire 15 respectif sur une distance g. Les mêmes bras 5, en position active, font saillie du corps 2 d'une longueur o.The arm 5 can be mounted in the body 2 by means of an intermediate support 15 which serves to house and guide the arm 5 in the body 2 and which is fixed to the latter, for example by screws 17. sealing 18 can then be provided between the body 2 and said intermediate support 15. The fluid conduit 4 has (FIGS. 2 and 4) a section for the passage of an internal radius i. The term radius must be understood in a broad sense, for example of an average linear half-dimension of this passage section. The arms 5 are guided, at least in the active position, in the body 2 or, where appropriate, in their respective intermediate support 15 over a distance g. The same arms 5, in the active position, protrude from the body 2 with a length o.
Comme le montrent les figures 2 et 4, - la somme s des trois valeurs i, g et o correspond au rayon ou moitié du diamètre d'ouverture des bras 5,As shown in Figures 2 and 4, - the sum s of the three values i, g and o corresponds to the radius or half of the opening diameter of the arms 5,
- le diamètre extérieur du corps 2 est égal à (i + g) x 2 ou à (s - o) x 2,- the outside diameter of the body 2 is equal to (i + g) x 2 or to (s - o) x 2,
- donc la longueur de saillie o est égale à s - g - i.- therefore the projection length o is equal to s - g - i.
L'invention propose de maintenir entre des valeurs déterminées respectives les trois valeurs i, g et o rapportées à leur somme s. Ceci découle de diverses expérimentations qui ont donné de manière surprenante des fourchettes assez serrées pour les trois proportions suivantes :The invention proposes to maintain between respective determined values the three values i, g and o related to their sum s. This follows from various experiments which surprisingly gave fairly tight ranges for the following three proportions:
0,30 < i/s < 0,45, 0,40 < g/s < 0,60, 0,07 < o/s < 0,20. La valeur de o considérée est la valeur maximale possible pour le déplacement du bras 5 dans l'élargisseur.0.30 <i / s <0.45, 0.40 <g / s <0.60, 0.07 <o / s <0.20. The value of o considered is the maximum possible value for the movement of the arm 5 in the expander.
Le tableau 1 ci-joint donne pour sept élargisseurs de tailles différentes, allant en croissant de la taille 1 à la taille 7, des dimensions caractéristiques et les proportions correspondantes. Il en ressort que l'on peut préférer les fourchettes respectives suivantes pour lesdites proportions :Table 1 attached gives for seven expanders of different sizes, increasing from size 1 to size 7, characteristic dimensions and corresponding proportions. It appears that the following respective ranges may be preferred for said proportions:
0,34 < i/s < 0,39, 0,45 < g/s < 0,53, 0,10 < o/s < 0,16.0.34 <i / s <0.39, 0.45 <g / s <0.53, 0.10 <o / s <0.16.
Pour toute autre condition de construction identique, des proportions en dehors de ces fourchettes n'ont pas donné lieu à des élargisseurs aussi performants que ceux dont les proportions sont dans les fourchettes ci-dessus, qu'il s'agisse de fiabilité de fonctionnement, de
durée de vie, de qualité de travail, de performances, etc.For any other identical construction condition, proportions outside of these ranges have not given rise to wideners as efficient as those whose proportions are in the above ranges, whether it is operating reliability, of service life, quality of work, performance, etc.
Pour son guidage de coulissement dans le corps 2 ou dans le support intermédiaire 15, chaque bras 5 peut comporter une portion de préférence cylindrique de diamètre d dont la valeur est avantageusement au moins égale à la valeur de g ci-dessus. On recherche par cela une réalisation d'un bras 5 massif et solide.For its sliding guide in the body 2 or in the intermediate support 15, each arm 5 may comprise a preferably cylindrical portion of diameter d whose value is advantageously at least equal to the value of g above. We are looking for an embodiment of a massive and solid arm 5.
Cette portion avantageusement cylindrique du bras 5, en forme de piston, peut être constituée d'un acier par exemple trempé superficiellement sur la surface de guidage de manière à atteindre une dureté de l'ordre d'au moins 120 ou même 140 ou jusqu'à 240 kg/mm2. La cavité de guidage du corps 2 ou du support intermédiaire 15, à fonction de cylindre pour ledit piston, peut être formée dans un acier , traité par exemple par trempe dans la masse de la surface de guidage pour obtenir une dureté d'au moins 120 ou de préférence 140 kg/mm2. On recherche bien sûr la combinaison économique et technique la plus favorable quant au choix de ces duretés.This advantageously cylindrical portion of the arm 5, in the shape of a piston, can be made of a steel, for example surface hardened on the guide surface so as to reach a hardness of the order of at least 120 or even 140 or up to at 240 kg / mm 2 . The guide cavity of the body 2 or of the intermediate support 15, having the function of a cylinder for said piston, can be formed from a steel, treated for example by quenching in the mass of the guide surface to obtain a hardness of at least 120 or preferably 140 kg / mm 2 . We are of course looking for the most favorable economic and technical combination for the choice of these hardnesses.
De préférence, avant une opération d'élargissement, chaque bras 5 est maintenu dans la position de repos 9 dans le corps 2 par au moins une broche 19 agencée pour se rompre lorsque la pression du fluide de forage circulant dans le corps 2 dépasse une valeur déterminée supérieure à une valeur maximale usuelle de forage.Preferably, before a widening operation, each arm 5 is held in the rest position 9 in the body 2 by at least one pin 19 arranged to rupture when the pressure of the drilling fluid circulating in the body 2 exceeds a value determined greater than a usual maximum drilling value.
A cet effet, la broche 19 peut comporter une zone affaiblie 19A, de manière calibrée, à l'endroit ou à chaque endroit de transition 20 où la broche 19 passe, selon le cas, soit du corps 2 soit du support intermédiaire 15 dans le bras 5. Il est clair que, contrairement à ce qui est représenté aux figures 3 et 4, la broche 19 ne doit pas nécessairement sortir des deux côtés du bras 5.To this end, the pin 19 may include a weakened zone 19A, in a calibrated manner, at the place or at each transition point 20 where the pin 19 passes, as the case may be, either from the body 2 or from the intermediate support 15 in the arm 5. It is clear that, contrary to what is shown in FIGS. 3 and 4, the pin 19 does not necessarily have to come out on both sides of the arm 5.
Cette broche 19 peut fixer le bras 5 uniquement au support intermédiaire 15 (figures 3 et 4). On aperçoit à la figure 4 la broche 19 brisée en une partieThis pin 19 can fix the arm 5 only to the intermediate support 15 (Figures 3 and 4). We see in Figure 4 the pin 19 broken in part
19B dans le bras et deux parties 19C dans le support intermédiaire 15.
Le support intermédiaire 15, le bras 5, les moyens élastiques 14 précités et la broche 19 peuvent constituer alors un ensemble 21 (figure 5) agencé pour être assemblé préalablement en dehors du corps 2 et pour y être installé ensuite. Ainsi on peut faciliter non seulement le montage de l'élargisseur 1 mais aussi son entretien, sa réparation en cas d'avarie, etc.19B in the arm and two parts 19C in the intermediate support 15. The intermediate support 15, the arm 5, the above-mentioned elastic means 14 and the spindle 19 can then constitute an assembly 21 (FIG. 5) arranged to be assembled beforehand outside the body 2 and to be installed thereafter. Thus we can facilitate not only the mounting of the expander 1 but also its maintenance, repair in the event of damage, etc.
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications données ci-dessous.It should be understood that the present invention is in no way limited to the embodiments described above and that many modifications can be made thereto without departing from the scope of the claims given below.
Le corps 2 peut présenter sur sa face externe, entre deux bras 5 successifs, un canal longitudinal 22, pour un retour de fluide de forage vers la surface, et un bossage 23 agencé dans ce canal 22 de manière à dévier et/ou projeter sur la partie de paroi du trou que les bras 5 attaquent le fluide de forage qui remonte vers la surface. Le canal 22 et le bossage 23 sont réalisés de manière à ne pas former de restriction trop sensible au passage du fluide en retour.The body 2 may have on its external face, between two successive arms 5, a longitudinal channel 22, for a return of drilling fluid towards the surface, and a boss 23 arranged in this channel 22 so as to deflect and / or project onto the wall part of the hole that the arms 5 attack the drilling fluid which rises towards the surface. The channel 22 and the boss 23 are produced so as not to form a restriction that is too sensitive to the passage of the return fluid.
Dans la forme de réalisation préférée de l'élargisseur 1, la course d'un bras 5 entre la position de repos 9 et celle active 10 est limitée dans les deux sens de déplacement par des butées. En position de repos 9, le bras 5 est usuellement complètement rentré dans le corps 2 et y est retenu par des surfaces de butée réciproques 25 (figure 3) ou, le cas échéant, par la broche 19. En position active 10, le bras 5, retenu par des surfaces de butée réciproques 26 (figures 2 et 4), balaye un espace dont le plus grand diamètre est égal à entre 1 ,05 et 1,3 fois, de préférence à 1,2 fois, le diamètre nominal d'une tête de forage associée à l'élargisseur 1 pour une opération combinée de forage et d'élargissement.In the preferred embodiment of the expander 1, the stroke of an arm 5 between the rest position 9 and the active position 10 is limited in the two directions of movement by stops. In the rest position 9, the arm 5 is usually completely retracted into the body 2 and is retained there by reciprocal abutment surfaces 25 (FIG. 3) or, where appropriate, by the spindle 19. In the active position 10, the arm 5, retained by reciprocal abutment surfaces 26 (Figures 2 and 4), scans a space whose largest diameter is equal to between 1.05 and 1.3 times, preferably 1.2 times, the nominal diameter d 'a drilling head associated with the expander 1 for a combined drilling and widening operation.
Les moyens de coupe 8 sur les bras 5 sont disposés par l'homme de métier de manière à par exemple obtenir une efficacité de coupe semblable à celle des moyens de coupé de la tête de forage
associée.The cutting means 8 on the arms 5 are arranged by the skilled person so as for example to obtain a cutting efficiency similar to that of the cutting means of the drilling head associated.
Les surfaces de butée réciproques 26 peuvent être agencées sur des éléments échangeables ou réglables de manière à permettre à un utilisateur de l'élargisseur 1 de choisir le degré de sortie des bras 5 hors du corps 2 en cours de service.
The reciprocal abutment surfaces 26 can be arranged on exchangeable or adjustable elements so as to allow a user of the expander 1 to choose the degree of output of the arms 5 from the body 2 during service.
Tableau 1Table 1
II
Légende des figuresLegend of figures
1 elargisseur1 widener
2 corps2 bodies
3 axe longitudinal conduit bras d'élargissement partie active moyens de coupe position de repos 0 position active 1 moyens d'etanchéité 2 face interne 3 moyens de rappel élastiques 4 ressorts hélicoïdaux 5 support intermédiaire 6 face postérieure 7 vis 8 moyens d'etanchéité 9 broche 9A zone(s) affaiblie(s) 9B partie de broche 9C partie de broche 0 endroit de transition 1 ensemble 2 canal longitudinal 3 bossage 5 surfaces de butée réciproques 6 surfaces de butée réciproques sens d'avance d'un processus d'élargissement/de forage
3 longitudinal axis duct widening arm active part cutting means rest position 0 active position 1 sealing means 2 internal face 3 elastic return means 4 helical springs 5 intermediate support 6 rear face 7 screws 8 sealing means 9 spindle 9A weakened area (s) 9B spindle part 9C spindle part 0 transition location 1 assembly 2 longitudinal channel 3 boss 5 reciprocal abutment surfaces 6 reciprocal abutment surfaces direction of advance of enlargement process / drilling