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Trépan pour forage rotary avec une partie centrale exempte de calibre.
Arrière-plan de l'invention.
Domaine de l'invention.
La présente invention concerne de manière générale des trépans pour forage rotary destinés à forer dans des formations terrestres souterraines comprenant des formations géothermiques, des puits d'eau et des formations productrices d'hydrocarbures, et plus particulièrement, des trépans de forage comportant une partie centrale située au-dessus d'une pluralité d'éléments de coupe et dont le diamètre est inférieur au diamètre formé par une périphérie extérieure d'éléments de coupe de telle sorte que le gâteau de filtration se formant sur la paroi d'un trou de forage au cours de l'opération de forage ne soit pas perturbé par la partie centrale et que la perte de fluide vers la formation soit fortement réduite.
Etat de la technique.
L'équipement utilisé au cours d'opérations de forage est bien connu dans la technique et comporte de manière générale un trépan de forage fixé à un train de tiges, comprenant une tige d'entraînement, une tige de forage, et des masses-tiges. Une table de rotation ou un autre dispositif tel qu'une tête d'injection d'entraînement est utilisé pour entraîner en rotation la tige de forage, provoquant une rotation correspondante du trépan de forage.
Les masses-tiges qui sont plus lourdes que la tige de forage, sont normalement utilisées sur la partie inférieure du train de tiges pour peser sur le trépan de forage. Le poids de ces masses-tiges presse le trépan de forage contre la formation en cours de forage au fond du trou de forage, et l'amène à forer lors de sa rotation.
Le trépan de forage lui-même comporte de manière générale un corps de trépan avec une structure de connexion
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pour relier le corps de trépan au train de tiges, telle qu'une partie filetée, et une structure de coupe pour tailler dans une formation terrestre. En général, si le trépan est un trépan à éléments de coupe fixes ou un trépan dit"à lames", la structure de coupe comporte une série d'éléments de coupe faits d'une substance superdure, telle que du diamant polycristallin, orientés sur la face du trépan suivant un certain angle par rapport à la surface taillée. Les éléments de coupe radialement les plus à l'extérieur sont qualifiés d'éléments de coupe de calibrage, et ont typiquement un profil extérieur aplati pour tailler un diamètre de calibre précis dans le trou de forage.
Dans un arrangement de trépan typique, le calibre du trépan se trouve à côté et au-dessus des éléments de coupe de calibrage et s'étend radialement dans le sens longitudinal le long du corps de trépan à un certain rayon de la ligne centrale du trépan. Dans un arrangement à calibre lisse, le rayon du calibre est essentiellement le même que celui des éléments de coupe de calibrage.
Différentes techniques de fabrication connues dans la technique sont utilisées pour réaliser un tel trépan de forage. En général, le corps de trépan peut être formé à partir d'une matrice de carbure de tungstène moulée sur une ébauche qui est soudé à un embout fileté tubulaire. Des filets sont formés sur l'extrémité libre de l'embout fileté de manière à correspondre aux filets d'une masse-tige. Les éléments de coupe faits de diamant naturel, ou de diamant polycristallin synthétique, sont ensuite fixés à l'autre extrémité du corps de trépan par brasage ou suivant d'autres procédés connus dans la technique. Des trépans à corps d'acier moulés ainsi que des trépans à corps d'acier usinés sont également connus dans la technique.
Dans une formation productrice d'hydrocarbures, la formation est composée à la fois de matières solides et d'hydrocarbures. Les hydrocarbures se trouvent dans des pores de la formation par lesquels un trépan de forage peut passer. Les pores s'étendent de la paroi du trou de forage
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dans la formation, et des pores peuvent se croiser au niveau d'un rétrécissement de pores à l'écart de la paroi du trou de forage.
Une fois que le trépan de forage commence à tailler dans une formation et que la différence de pression positive entre la formation et la boue de forage dans le trou de forage est établie, au bout d'un certain temps, une substance connue sous le nom de gâteau de filtration se forme sur la paroi du trou de forage. Le gâteau de forage est composé d'une couche de substances solides concentrées provenant de la boue de forage et de fines particules générées par l'opération de forage. Eventuellement, le gâteau de filtration forme un barrage entre le trou de forage et la formation productrice, restreignant ainsi la pénétration de la phase fluide de la boue de forage et des fines associées dans les pores de la formation productrice.
Dans un arrangement à calibre lisse, comme le calibre du trépan de forage passe devant le gâteau de filtration, le gâteau de filtration peut être comprimé et forcé dans une plus forte mesure dans les pores du trou de forage, réduisant réellement la perméabilité de la formation productrice. De la même manière, le passage du calibre devant le gâteau de filtration peut réellement le détruire.
Si le gâteau de filtration est perturbé ou détruit au cours de l'opération de forage, une perte à l'à-coup de pression peut survenir là où la boue de forage et les fines associées peuvent pénétrer plus profondément dans les pores de la formation, créant une zone endommagée. Ces particules se coincent et obstruent alors les rétrécissements de pores de la formation. Le puits devient alors particulièrement difficile à produire.
Une fois que le trou de forage a été foré, on peut devoir le traiter d'une certaine façon pour permettre la production d'hydrocarbures ou d'autres substances dans toutes les zones endommagées du trou de forage créées au cours de l'opération de forage. Un procédé de traitement consistant à injecter de l'acide dans le trou de forage est
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connu sous le nom d'acidification.
Dans des formations faites de calcaire ou de dolomite, l'acide dissout la formation dans toute la zone endommagée, attaquant efficacement des canaux dans la paroi du trou de forage. Les hydrocarbures provenant de la formation peuvent alors entrer dans le trou de forage par ces canaux.
La perforation est une autre technique utilisée pour permettre aux hydrocarbures de la formation de s'écouler dans le trou de forage et pour améliorer la zone superficielle disponible pour la production de la formation.
La perforation implique l'utilisation de charges creuses qui pénètrent dans la formation avec un jet de gaz à haute pression, à grande vitesse généré à la détonation de la charge. Les trous faits par les charges s'étendent sur une certaine distance dans la formation et permettent à l'huile ou au gaz d'entrer dans le trou de forage par ces perforations.
La fracturation est une autre approche utilisée pour produire un puits. Lors de la fracturation, des particules d'une composition et d'une taille souhaitées, qualifiées d'"agents de soutènement", sont pompées dans une suspension fluide à l'intérieur du trou de forage à des pressions élevées. La pression du fluide est suffisante pour littéralement fracturer la formation. Les agents de soutènement entrent dans les fractures et maintiennent les fractures ouvertes une fois que la pression de fluide est tombée.
Suivant l'importance des dégâts causés au trou de forage, un traitement supplémentaire ou plus vaste peut être requis pour que la formation produise des volumes d'hydrocarbures rentables. Dans tous les cas, les procédés de traitement sont extrêmement coûteux. Ainsi, il est hautement souhaitable d'utiliser ces procédés au minimum.
En outre, les zones endommagées peuvent s'étendre au-delà de la profondeur de traitement effective. Dans ce cas, le puits peut être impossible à traiter et abandonné pour
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manque de production. Cette impossibilité de traitement, toutefois, peut ne pas être connue jusqu'à ce que des millions de dollars aient été dépensés à différents procédés de traitement.
Un dispositif utilisé pour forer dans des formations productrices est décrit dans le brevet U. S. 5 199 511 de Tibbitts et al. Ce brevet décrit un trépan de forage dans lequel le fluide de forage circule dans des canaux internes du trépan de forage pour enlever les déblais de la face de coupe. Un tel trépan de forage isole le fluide de forage de l'espace présent entre le calibre du trépan et le gâteau de filtration.
Le brevet U. S. 5 361 859 de Tibbitts décrit un trépan de forage comportant des organes de coupe mobiles.
Lorsque l'organe de coupe est amené de force en contact avec le fond du trou de forage, les organes de coupe coulissent vers une position dans laquelle le diamètre défini par les organes de coupe est supérieur au diamètre du corps du trépan de forage.
La Fig. 6 des dessins montre un trépan de la technique antérieure avec un calibre lisse mis à un diamètre imposé légèrement inférieur au diamètre extérieur des éléments de coupe de calibrage, 1,270 à 1,524 mm (0,050 à 0,060 pouce). Comme on peut le voir, le gâteau de filtration F est comprimé en une couche très mince et ce, dans la paroi du trou de forage par le calibre du trépan de la technique antérieure. Les lignes en traits interrompus de la Fig. 6 représentent la formation du gâteau de filtration F', qui serait obtenu s'il n'était pas perturbé par le calibre du trépan.
Les références mentionnées ci-dessus, cependant, n'abordent pas la différence nécessaire entre le diamètre de la partie centrale et le diamètre extérieur des éléments de coupe de calibrage relativement à l'épaisseur du gâteau de filtration. En outre, la technique antérieure n'assure pas que le gâteau de filtration ne soit pas perturbé par la partie centrale du trépan une fois que les éléments de coupe
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de calibrage du trépan de forage taillent la formation. Ainsi, il serait souhaitable de procurer un trépan de forage avec un diamètre prédéterminé pour la partie centrale, de telle sorte que le gâteau de filtration ne soit pas perturbé par la partie centrale du trépan au cours de l'opération de forage.
Résumé de l'invention.
La présente invention procure un processus et un trépan de forage pour forer un trou de forage dans une formation souterraine, et un procédé de fabrication de ce trépan, dans lequel le diamètre de la partie centrale du trépan de forage est réduit, de telle sorte que le gâteau de filtration puisse se former sur la paroi d'un trou de forage au cours de l'opération de forage sans être attaqué ni entravé par la partie centrale. Le trépan de forage comprend de manière générale un corps de trépan, une structure de connexion pour relier le trépan de forage à un train de tiges, et au moins une structure de coupe pour tailler dans une formation terrestre. La structure de connexion peut être un raccord fileté mâle ou femelle ou tout autre type de raccord connu dans la technique.
La structure de coupe comprend typiquement une pluralité d'éléments de coupe et peut comporter une série d'éléments de coupe de calibrage. Entre la structure de coupe et la structure de connexion se trouve la partie centrale du trépan de forage, qui s'étend dans le sens longitudinal depuis les éléments de coupe de calibrage sur une certaine longueur du corps de trépan.
La partie centrale a un diamètre qui est inférieur au diamètre formé par la périphérie extérieure des éléments de coupe ou des éléments de coupe de calibrage, et lorsque l'on regarde la face du trépan suivant la ligne médiane ou l'axe du trépan, est donc en retrait derrière les éléments de coupe. La dimension du diamètre de la partie centrale est fonction de l'épaisseur du gâteau de filtration qui se formera sur la paroi du trou de forage au cours de l'opération de forage. Ainsi, le diamètre de la partie
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centrale par rapport au diamètre de la structure de coupe est tel que la partie centrale peut passer dans le trou de forage et le gâteau de filtration formé sur la paroi de ce dernier sans endommager ni détruire le gâteau de filtration.
L'épaisseur du gâteau de filtration qui se forme dans un trou de forage peut être prédite de plusieurs façon, à savoir par modélisation mathématique ou par des essais effectués en laboratoire pour simuler le forage d'un trou de forage dans une formation productrice. Typiquement, l'épaisseur du gâteau de filtration est de l'ordre de 1,524 mm (0,06 pouce) ou plus. En termes mathématiques, la vitesse de filtration dynamique peut être calculée par la loi de Darcy. En conséquence, le flux (Q) du filtrat dans la formation est fonction de la zone (A) à travers laquelle le filtrat s'écoule, de la perméabilité (k), de la viscosité
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du filtrat (y), et du gradient de pression sur une certaine longueur du trou de forage (AP/AL).
Ainsi,
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Grâce à cette équation, on peut calculer l'épaisseur (d), connaissant le volume du filtrat (V), l'intervalle de temps
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(At), la température (pour la constante fonction de la température, K), la viscosité du filtrat liquide (), la contrainte tangentielle (T), la compressibilité du gâteau de filtration (-v + 1), et le frottement entre les substances solides (f). L'épaisseur approximative du gâteau de filtration (d) est donc calculée comme :
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L'épaisseur du gâteau de filtration peut également être simulée dans un laboratoire en mettant sous pression un spécimen de roche. Le spécimen est ensuite foré au moyen d'un petit trépan dans des conditions similaires à celles observées sur un site de forage.
Les conditions en laboratoire peuvent être modifiées pour simuler différentes
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formations, ce qui donne une gamme d'épaisseurs de gâteau de filtration qui dépend des facteurs mentionnés ci-dessus.
Une fois formé, le gâteau de filtration ne doit être ni affecté ni perturbé par la partie centrale du trépan soit parce que la partie centrale a un diamètre plus grand que le diamètre du trou de forage défini par le côté intérieure ou la surface côté trou de forage du gâteau de filtration soit parce que le fluide de forage est forcé dans la formation par la partie centrale. Ainsi, l'invention procure un trépan de forage tel que le fluide de forage peut circuler sans endommager le gâteau de filtration ni y pénétrer.
Suivant un aspect plus particulier de l'invention, le trépan de forage est pourvu d'au moins un passage interne pour diriger le fluide de forage depuis le train de tiges, à travers le corps de trépan, jusqu'à un endroit proche de la face du trépan pour enlever les déblais de formation présents à l'intérieur du trépan et à l'extérieur du trépan en un endroit situé au-dessus du calibre du trépan. Ceci empêche la boue de forage d'être poussée dans le gâteau de filtration au niveau de la partie centrale.
Suivant un autre aspect plus particulier de l'invention, le trépan de forage est pourvu au moins d'un passage interne pour diriger le fluide de forage du drain de tiges, à travers le corps de trépan, hors de ce corps vers les éléments de coupe par des ajutages, une caracole ou d'autres ouvertures dans la face de trépan. La partie centrale est à nouveau de dimension sensiblement réduite et peut être pourvue d'une large rainure externe de dimension et de configuration adéquates pour permettre à la boue de forage de passer librement entre le gâteau de filtration et la partie centrale du corps de trépan.
Le profil du trépan, tout comme le diamètre de la partie centrale, est également très important. Avec un profil faiblement invasif tel qu'il est décrit dans le brevet'511 de Tibbitts mentionné plus haut, tout dégât causé à la formation par l'écoulement du fluide de filtration est taillé et évacué par le trépan de forage.
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Ainsi, l'invention procure un trépan avec un profil faiblement invasif qui dirige le flux de filtration vers le fond du trou de forage au lieu de le diriger vers la paroi latérale du trou de forage, comme dans le cas de trépans classiques.
L'invention surmonte les inconvénients constatés dans la technique, associés aux formations productrices de forage. En d'autres termes, le gâteau de filtration peut se former sur la paroi du trou de forage sans être perturbé ou peu par le corps de trépan ou par le fluide de forage. Le fluide de forage est acheminé à l'écart du gâteau de filtration au niveau de la partie centrale au-dessus des éléments de coupe de calibrage, ou peut passer librement à des vitesses relativement faibles entre la partie centrale et le gâteau de filtration.
Une partie centrale réduite offre d'autres avantages, tels qu'une vitesse d'avancement accrue grâce aux forces de frottement réduites, une orientabilité du trépan aisée, des données de diagraphie plus précises, et une fabrication aisée parce que la partie centrale ne doit pas être mise à un diamètre précis.
Ce qui précède ainsi que d'autres objectifs, particularités et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée suivante des formes de réalisation préférées avec référence aux dessins.
Brève description des dessins. la Fig. 1 est une vue fragmentaire en coupe d'un trépan de forage construit conformément à l'invention ; la Fig. 2 est une vue en coupe d'une partie du trépan de forage représenté sur la Fig. 1 ; la Fig. 3 est une vue fragmentaire en coupe d'une variante de réalisation d'un trépan de forage construit conformément à l'invention ; la Fig. 4 est une vue fragmentaire en coupe d'une autre forme de réalisation préférée d'un trépan de forage construit conformément à l'invention ;
la Fig. 5 est une vue fragmentaire en coupe d'une
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autre forme de réalisation préférée d'un trépan de forage ayant un profil faiblement invasif, construit conformément à l'invention, et la Fig. 6 est une vue en élévation schématique partielle de côté d'un trépan de forage de la technique antérieure dans un trou de forage, représentant le profil et la disposition des éléments de coupe, une zone de calibrage de diamètre légèrement réduit et la formation d'un gâteau de filtration.
Description détaillée des formes de réalisation illustrées.
Comme le montre la Fig. 1, le trépan de forage 10 comprend un corps de trépan 12 comportant un raccord fileté 14 à son extrémité proximale 16 et une face de coupe 18 à son extrémité distale 20. A proximité de la face de coupe 18, le trépan a une partie centrale 22 de diamètre extérieur OD1 s'étendant dans le sens longitudinal depuis la face de coupe 18 jusqu'à une partie tronconique 24. La partie tronconique 24 s'étend radialement vers l'intérieur et longitudinalement vers le haut depuis la partie centrale 22 jusqu'à une partie cylindrique 26. La partie cylindrique 26 s'étend dans le sens longitudinal depuis la partie tronconique 24 jusqu'au raccord fileté 14.
La face de coupe 18 a une surface courbée 30 s'étendant radialement depuis la partie centrale 22 jusqu'à l'extrémité distale 20. Une pluralité d'éléments de coupe 28 sont fixés sur la surface courbée 30 au niveau de la face de coupe 18. Une partie des éléments de coupe 28, comprenant une pluralité d'éléments de coupe de calibrage 28', s'étendent au-delà de la face de coupe 18. Un diamètre extérieur OD2 est formé par les éléments de coupe de calibrage 28'et dépasse le diamètre extérieur OD1 de deux fois la distance Dl s'étendant radialement de la partie centrale 22 au bord extérieur 23 de l'élément de coupe de calibrage 28'.
Comme on peut le voir sur la Fig. 1, le trépan de forage 10 a un alésage interne 32 qui s'étend depuis l'extrémité proximale 16 sur une longueur Ll dans le corps
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de trépan 12. Un passage interne 34 est relié à l'alésage 32 et en contact d'écoulement de fluide avec ce dernier au niveau de son extrémité distale 36. Le passage 34 est ménagé entre une surface interne 38 de la face 18 et une partie 40 définissant une paroi 42 de l'alésage 32. La surface interne 38 suit le contour de la face 18, et s'étend à travers la partie centrale 22 jusqu'à une sortie 48 à un certain endroit au-dessus de la partie centrale 22.
Comme représenté par des flèches, à l'endroit des éléments de coupe 28, le passage 34 comporte une ouverture 44 qui permet aux déblais produits au cours du forage de s'écouler depuis les éléments de coupe 28 à travers la face de coupe de 18 dans le passage 34. Le mélange de fluide de forage et de déblais (boue de forage) remonte par le passage 34 et sort par la sortie 48. Ainsi, la boue de forage entre dans l'espace annulaire 50 (voir Fig. 2) créé entre le train de tiges (non représenté) et le gâteau de filtration 52 au niveau de la sortie 48.
La Fig. 2 est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la forme de réalisation représentée sur la Fig. 1 et illustre l'orientation du trépan de forage 10 par rapport au trou de forage 54 et au gâteau de filtration 52. A mesure que le trépan de forage 10 tourne dans la formation productrice 56 et taille le trou de forage 54, une couche de gâteau de filtration 52 se forme presque instantanément à un point 53 adjacent de l'élément de coupe de calibrage 28'.
Pour empêcher le trépan de forage 10 de perturber le gâteau de filtration 52 une fois taillé par la pluralité d'éléments de coupe 28, on conçoit le diamètre extérieur OD1 (deux fois R1) de la partie centrale 22 plus petit, et de préférence sensiblement plus petit, que le diamètre extérieur OD2 (deux fois R2) des éléments de coupe de calibrage 28'd'une quantité supérieure ou égale au double de l'épaisseur Tl du gâteau de filtration 52.
Comme mentionné plus haut, l'épaisseur Tl du gâteau de filtration 52 est égale à [KAt (T/f) )]/ [AV (-v+l)]. En outre, comme on peut le voir sur la Fig. 2, la sortie 48 se trouve à un
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endroit 55 au-dessus de la partie centrale 22, de telle sorte que le fluide de forage sortant par la sortie 48 ne soit pas poussé entre la partie centrale 22 et le gâteau de filtration 52.
La Fig. 3 montre une autre forme de réalisation préférée pratiquement semblable à la forme de réalisation représentée sur la Fig. 1, en ce que le diamètre extérieur OD1 de la partie centrale 65 est inférieur au diamètre extérieur OD2 des éléments de coupe de calibrage 78'd'une quantité égale ou supérieure au double de l'épaisseur Tl du gâteau de filtration 52. Le trépan de forage 70 de la Fig. 3, cependant, comporte un ajutage 58 à l'extrémité extérieure d'un alésage interne 60 s'étendant depuis l'extrémité distale 66 du diffuseur 68 jusqu'à une face courbée 72 du trépan. Le trépan de forage 70 comporte un corps de trépan 71. Des lames 74, portant des éléments de coupe 78 et 78', font saillie de la face 72.
En outre, la partie centrale 65 comporte une rainure ou fente à sédiments longitudinale 62 qui s'étend depuis une extrémité proximale 64 de la surface courbée 72 jusqu'à un point 67 proche de la partie cylindrique 69 ou situé dans celle-ci. La fente à sédiments 62 réduit la vitesse de l'écoulement de fluide. De la sorte, le gâteau de filtration 52 sera perturbé au minimum par le lavage du fluide (c'est-à-dire, la filtration dynamique).
Comme le fluide de forage s'écoule par l'alésage interne 68, par l'alésage interne 60 et sort par l'ajutage 58, l'espace entre la face de trépan 72 et les lames 74 permet au fluide de forage de s'écouler vers les éléments de coupe 78. La boue de forage s'écoule ensuite par la fente à sédiments 62 et en sort dans l'espace annulaire 50, de telle sorte que le fluide de forage ne soit pas forcé dans le gâteau de filtration 52.
De même, le trépan de forage 80 représenté sur la Fig. 4 comporte un ajutage 82 et une partie courbée en retrait 84 pour permettre la circulation du fluide de forage vers les éléments de coupe 88. Cependant, le diamètre
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extérieur OD1 de la partie centrale 86 est inférieur au diamètre extérieur OD2 formé par les éléments de coupe de calibrage 88'd'une distance 2x D2, qui est au moins égale au double de l'épaisseur Tl du gâteau de filtration 52 plus une certaine quantité suffisante pour permettre au fluide de forage de s'écouler librement devant le gâteau de filtration 52 à des vitesses relativement basses, de telle sorte que le fluide de forage ne soit ni forcé dans ou à travers le gâteau de filtration 52, ni ne perturbe la surface de ce dernier.
Finalement, la Fig. 5 montre en coupe un trépan à profil faiblement invasif 100. Le trépan 100 comporte un ou plusieurs éléments de coupe de calibrage 101'qui s'étendent sur une distance D3 au-delà de la partie centrale 102. Comme représenté par des flèches, l'écoulement du fluide F est dirigé vers le bas et radialement vers l'intérieur vers le fond 104 du trou de forage 106. Cela empêche le fluide de forage d'être dirigé dans la paroi 108 du trou de forage 106. Ainsi, à mesure que le trépan 100 tourne dans la formation 112, les éléments de coupe 101 évacuent la formation 112 endommagée par le fluide de forage.
En outre, comme dans les autres formes de réalisation décrites ici, la dimension réduite de la partie centrale 102 permet au gâteau de filtration 110 de se former sur la paroi 108 du trou de forage 106 sans être perturbé par la partie centrale 102.
La référence dans le présent mémoire à des détails spécifiques de la forme de réalisation illustrée est donnée à titre d'exemple et non de limitation. Il apparaîtra aux experts en la technique que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la forme de réalisation illustrée de base sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention tels que définis par les revendications.