Dispositif pour le suivi d'une opération de forage ou de carottage et installation comprenant un tel dispositif
Domaine de l' invention L'invention se rapporte aux installations pour le forage ou le carottage, notamment pour le forage de puits pétroliers .
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif destiné à être associé à une installation de forage ou de carottage, pour en assurer le suivi, au moyen de mesures de paramètres dans le puits .
Etat de la technique
Le forage et le carottage de puits sont normalement effectués au moyen d'un trépan qui est relié à un moteur d'entraînement, localisé en surface, au moyen d'un train de tiges.
Au fur et à mesure de la progression du trépan dans le puits, on ajoute des tiges au train de tiges.
Il est souhaitable de disposer d'un maximum d'informations concernant les opérations de forage ou de carottage, notamment en ce qui concerne le milieu dans lequel on fore et le comportement du trépan et de sa tête de coupe. Des informations concernant le milieu dans lequel on fore comprennent notamment le type de formation rocheuse attaquée, la composition de la boue de forage, la présence de pétrole ou d'autres fluides.
Des informations concernant le trépan et sa tête de coupe comprennent sa vitesse instantanée de rotation, les variations de la vitesse de rotation, la position de la tête de coupe par rapport à la paroi du puits foré, les variations de la vitesse de rotation et de progression dans le puits, les chocs latéraux et axiaux subis par le trépan, le mouvement de précession du trépan (généralement dénommé hirling dans la littérature anglo-saxonne) .
Ces informations ou paramètres de forage peuvent être mémorisés pendant l'opération de forage ou de carottage et exploités ultérieurement pour analyser les problèmes éventuellement survenus pendant l'opération de forage ou de carottage (tels que, par exemple,
un ralentissement momentané et imprévu de la vitesse de pénétration de la tête de coupe dans la formation rocheuse ou une usure anormalement rapide de la tête de coupe) ou pour adapter les conditions d'autres opérations de forage ou de carottage.
Pour la détection des informations ou paramètres dont il est question plus haut, on dote les installations de forage d'équipements de mesure appropriés, que l'on dispose dans le train de tiges ou dans la tête de forage. Ainsi, dans le document BE-1007274, on décrit un trépan dont la tête de coupe contient des accéléromètres judicieusement répartis pour déterminer les vibrations auxquelles elle est soumise pendant une opération de forage.
Dans ce trépan connu, les accéléromètres sont positionnés dans la tête de forage, ce qui rend l'acquisition des paramètres uniquement possible pour cette tête de forage particulière ainsi équipée.
Dans le document US-4 303 994, on décrit une installation de forage comprenant un trépan, un train de tiges et des jauges de mesure, qui sont logées dans le train de tiges. Dans ce document, les jauges de mesure sont disposées dans la partie supérieure du train de tiges mais on ne fournit pas d' information sur la manière dont elles sont insérées dans le train de tiges. La disposition des jauges de mesure dans la partie supérieure du train de tiges constitue un désavantage, car les mesures qu'elles réalisent ne tiennent pas compte des déformations subies localement par la partie inférieure du train de tiges entre les jauges de mesure et le trépan.
Ces déformations comprennent notamment des cintrages et des torsions dont les caractéristiques varient au cours du temps, pendant la progression du forage. Il s'ensuit une imprécision parfois importante dans la concordance des mesures relevées par les jauges et les caractéristiques réelles de fonctionnement du trépan et de sa tête de coupe. En outre l'ensemble des jauges de mesure est relativement long, de sorte qu'il est normalement impossible de le positionner entre le trépan et un moteur de fond.
Par ailleurs, les équipement de mesure connus, décrits dans les documents précités ne sont généralement pas standards, mais doivent être adaptés, dans chaque cas, au trépan ou au train de tiges utilisés, ce qui complique la construction de ces dispositif, fait obstacle à une fabrication en grande série et en accroît le coût .
Résumé de l'invention
L'invention vise à remédier aux inconvénients et désavantages des dispositifs de mesure connus, décrits plus haut. L' invention vise plus particulièrement à fournir un dispositif de mesure autonome, qui puisse facilement être séparé de l'installation de forage et récupéré, au cas où celle-ci serait détériorée.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif de mesure qui puisse être positionné dans une installation de forage de manière à éviter une discordance entre les mesures effectuées et les caractéristiques instantanées du trépan et de sa tête de forage.
Un objectif supplémentaire de l'invention consiste à fournir un dispositif de mesure de construction standard, qui puisse dès lors être fabriqué en grande série et dont le coût soit modéré.
L'invention vise aussi à fournir un dispositif de mesure suffisamment compact pour pouvoir être disposé à proximité immédiate du trépan (ou de sa tête de coupe) , entre celui-ci et un moteur de fond.
En conséquence, l'invention concerne un dispositif comprenant un équipement de mesure pour le suivi d'une opération de forage ou de carottage au moyen d'un trépan fixé à l'extrémité d'un train de tiges, le dispositif se caractérisant en ce que l'équipement de mesure est logé dans au moins une chambre ménagée dans un manchon qui est conçu pour être interposé entre deux tiges du train de tiges ou entre le trépan et une tige du train de tiges.
Dans l'installation selon l'invention, le trépan n'est pas critique et peut être tout trépan connu, communément utilisé pour le carottage ou le forage de puits minier, de puits de pétrole,
de puits de gaz ou de puits artésiens. Le trépan comprend normalement, de manière usuelle, une tête de coupe et un raccord de jonction, fixé à la tête de coupe. Le raccord de jonction est destiné à fixer le trépan à l'extrémité d'un train de tiges.
Par définition, la tête de coupe comprend les outils coupants destinés à attaquer la roche du puits en cours de forage. Les outils coupants ne sont pas critiques pour l'invention et peuvent comprendre des outils fixes ou des molettes ou associer des outils fixes et des molettes.
Des exemple d'outils fixes sont ceux connus en technique de forage sous les dénominations outils PDC (ou Polycrystalline Diamond Compact dans la littérature anglo-saxonne), TSD (ou Thermally Stable Synthetic Diamond dans la littérature anglo-saxonne) et Imprégnés .
Le raccord de jonction porte la tête de coupe et comprend un organe d'accouplement amovible à un train de tige. L'organe d'accouplement est avantageusement standardisé, par exemple conforme à la norme API (American Petroleum Institute) , bien que cela ne soit pas indispensable pour la définition de l'invention.
Le train de tiges sert de connexion mécanique entre le trépan, situé au fond du puits, et un moteur. Celui-ci peut être un moteur de fond ou un moteur situé en surface. Le train de tige est normalement formé d'un assemblage de tiges.
Les tiges sont normalement assemblées les unes à la suite des autres, pendant la progression du trépan dans le puits en cours de forage. II peut être vertical, oblique, horizontal, cintré ou présenter tout autre profil adapté à celui du puits à forer. Pour réaliser leur jonction, les tiges sont pourvues d'organes d'accouplement qui sont généralement standardisés. Ces organes d'accouplement comprennent habituellement des embouts filetés, vissés dans des embouts taraudés correspondant.
Ils sont avantageusement conforme à la norme API (American Petroleum Institute) .
L' équipement de mesure sert à relever et mesurer des paramètres de forage, tels que la vitesse instantanée de rotation du trépan et ses variations de vitesse au cours du temps, la position du trépan dans le puits, les efforts mécaniques auxquels il est soumis dans le puits, notamment la grandeur et la direction des contraintes axiales et latérales au contact de la paroi du puits, la conductibilité électrique des boues de forage (liste exemplative et non exhaustive).
L'équipement de mesure n'est pas critique pour la définition de l'invention et peut notamment comprendre des accéléromètres, des magnétomètres, des thermomètres, des manomètres, des électrodes de mesure de résistance électrique, des jauges de contrainte mécanique ou toutes autres jauges de mesure de grandeurs physiques ou chimiques communément utilisées dans les équipements de mesures des installations de forage ou de carottage de puits. Des informations complémentaires concernant l'équipement de mesure utilisable dans le dispositif selon l'invention sont notamment accessibles dans les documents BE-1007274 et EP-0377235. L'équipement de mesure peut comprendre un dispositif autonome d'enregistrement.
En variante, il peut être relié à un dispositif d'enregistrement et d'analyse situé en surface.
Par définition, dans le cadre de la présente invention, l'expression équipement de mesure incorpore le circuit d'alimentation électrique des jauges de mesures dudit équipement de mesure. Cette alimentation électrique peut comprendre une ou plusieurs piles électriques ou un ou plusieurs accumulateurs électriques, ainsi que des composants électroniques normalement nécessaires au fonctionnement des jauges de mesure.
Selon l'invention, l'équipement de mesure est logé dans au moins une chambre ménagée dans un manchon et celui-ci est conçu pour être interposé entre deux tiges du train de tiges ou entre le trépan et une tige du train de tiges.
Le manchon est une pièce mécanique de jonction,
qui est conçue pour assurer la jonction mécanique entre deux tiges du train de tiges ou entre une tige du train de tiges et le trépan. Il est dès lors équipé d'un organe d'accouplement au train de tiges. Des détails concernant cet organe d'accouplement seront communiqués plus loin.
Le manchon peut avoir toute forme compatible avec son insertion dans le train de tige ou entre celui-ci et le trépan. Ses dimensions doivent évidemment être compatibles avec son passage dans le puits, sans contrecarrer le forage et la progression du trépan dans le puits. Il est de préférence cylindrique et il est de préférence percé d'un conduit axial pour la circulation d'un fluide de forage, notamment une boue de forage.
La chambre ménagée dans le manchon doit avoir des dimensions suffisantes pour accueillir l'équipement de mesure.
Il peut s'agir d'une chambre unique ou de deux ou plusieurs chambres. Le manchon et la ou les chambre (s) sont avantageusement conformés de manière à éviter la formation d'un balourd lorsque le manchon, chargé de l'équipement de mesure, est incorporé dans le train de tiges . La (ou chaque) chambre du manchon débouche normalement à la périphérie du manchon pour permettre d' y loger l'équipement de mesure. Sa fermeture peut être réalisée par tout moyen approprié, capable de réaliser une obturation hermétique. Ce moyen peut être inamovible et comprendre un panneau soudé ou collé sur le manchon. On préfère, selon l'invention, un moyen de fermeture amovible .
Dans une forme de réalisation avantageuse du dispositif selon l'invention, le manchon est cylindrique et la chambre est formée dans une gorge qui est ménagée à la périphérie du manchon cylindrique.
Dans le cas d'une chambre unique, la gorge est de préférence annulaire. Dans le cas où le manchon comprend plusieurs chambres, celles-ci peuvent avantageusement être formées dans des gorges qui sont uniformément réparties à la périphérie du manchon .
Dans la forme de réalisation avantageuse qui vient d' être décrite, l'obturation de la ou des gorge (s) peut être réalisée par tout moyen connu adéquat. On préfère, selon l'invention, utiliser un fourreau disposé autour du manchon .
Le dispositif selon l'invention, conforme à la forme de réalisation décrite ci-dessus, présente la particularité intéressante d'être compact et d'encombrement réduit, du fait que l'ensemble de l'équipement de mesure est logé dans une gorge unique ou dans un nombre limité de gorges, à la périphérie du manchon.
Cette compacité permet de disposer le dispositif à proximité immédiate du trépan, idéalement entre celuici et un moteur de fond. Dans une variante préférée de la forme de réalisation avantageuse précitée, des composants de l'équipement de mesure sont superposés dans la gorge, dans une direction transversale par rapport à l'axe de symétrie du manchon. Toutes autres choses étant égales par ailleurs, cette variante de réalisation de l'invention renforce la compacité du dispositif et réduit son encombrement.
Dans un mode d'exécution particulier de la variante de réalisation décrite ci-dessus, l'un des composants est disposé dans le fond de la gorge et l'autre composant est posé sur un cavalier qui chevauche le composant disposé au fond de la gorge.
Ce mode d'exécution de l'invention facilité la construction du dispositif et le positionnement optimum de l'équipement de mesure dans la gorge.
Comme exposé plus haut, le manchon est conçu pour être inséré, soit entre deux tiges du train de tiges et assurer leur jonction, soit entre un tige et le trépan et assurer alors leur jonction. Le manchon est dès lors équipé d'organes d'accouplement conçus pour réaliser ces jonctions. Ces organes d'accouplement peuvent avantageusement être du type de ceux décrits plus haut pour l'assemblage des tiges du train de tiges et comprendre une extrémité filetée et une extrémité taraudée. Ils sont avantageusement standardisés, par exemple conforme à la norme API (American Petroleum Institute) .
Dans cette forme de réalisation de l'invention, l'extrémité filetée du manchon est destinée à être vissée dans une extrémité taraudée correspondante d'une tige du train de tige et son extrémité taraudée est destinée à être vissée sur l'extrémité filetée correspondante d'une autre tige du train de tiges ou sur l'extrémité filetée d'un raccord de jonction du trépan. Dans cette forme de réalisation de l'invention, le manchon (et l'équipement de mesure qu'il contient) peut être disposé à volonté à tout endroit le long du train de tiges. On a intérêt à le disposer au voisinage immédiat du trépan, pour éviter que les mesures effectuées par l'équipement de mesure soient perturbées par des déformations locales du train de tiges.
Cette forme de réalisation de l'invention présente toutefois la particularité avantageuse qu'elle permet d'insérer à tout moment un équipement de mesure supplémentaire dans le train de tiges, par exemple pour réaliser des mesures complémentaires ou pour pallier à une déficience occasionnelle d'un équipement de mesure situé dans le fond du puits en cours de forage. Grâce à son très faible encombrement, le dispositif selon l'invention permet dorénavant de disposer un équipement de mesure à proximité immédiate de la tête de coupe du trépan et du front de taille, idéalement entre le trépan et un moteur de fond ou tout autre dispositif de forage permettant une déviation, tel que les systèmes récents de déviation en forage rotatoire ( Rotary Steering System dans la littérature anglo-saxonne) .
Le dispositif selon l'invention constitue une pièce standard pour l'insertion d'équipements de mesure à volonté dans des installations de forage de puits, à tout endroit approprié à proximité immédiate du trépan ou dans le train de tiges. Il peut être monté en un exemplaire unique ou en plusieurs exemplaires dans le train de tiges et il peut par ailleurs être récupéré, avec son équipement de mesure, pour être utilisé ultérieurement dans une autre installation de forage.
Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention, le manchon est conçu pour être fixé directement et de manière amovible à la tête de coupe du trépan. Dans cette forme de réalisation de l'invention, le manchon constitue le raccord de jonction du trépan au train de tige.
Une des extrémités du manchon comprend un organe de fixation amovible à la tête de coupe du trépan et son autre extrémité comprend un organe d' accouplement usuel à un train de tiges. L'organe de fixation à la tête de coupe doit être conçu pour assurer une connexion rigide. A cet effet, le manchon peut avantageusement être boulonné à la tête de coupe. L'organe d'accouplement au train de tiges comprend normalement, de manière usuelle, un embout fileté, destiné à être vissé dans un embout taraudé correspondant d'une tige du train de tiges. Il est avantageusement standardisé, par exemple conforme à la norme API (American Petroleum Institute) .
Dans la forme de réalisation qui vient d'être décrite, l'utilisation de boulons ou de vis pour fixer le manchon sur la tête de coupe présente l'avantage de faciliter les opérations de montage et de démontage, qui ne nécessitent pas un outillage spécial et peuvent par conséquent être effectuées directement sur un chantier d'exploitation. Par comparaison, un assemblage dans lequel le manchon serait vissé sur la tête de coupe impliquerait des couples de serrage importants, nécessitant des machines spécialisées . La forme de réalisation qui vient d'être décrite présente l'avantage que l'équipement de mesure est situé dans le trépan, au voisinage immédiat de la tête de coupe et du front de forage du puits.
Il s'ensuit, toutes autres choses étant égales par ailleurs, une fiabilité optimum des mesures effectuées, celles-ci n'étant pas perturbées par des déformations locales subies par le train de tiges .
Dans la forme de réalisation particulièrement avantageuse qui vient d'être décrite, le manchon du dispositif selon l'invention fait partie intégrante du trépan .
L' invention concerne dès lors également un trépan comprenant, classiquement, une tête de coupe et un raccord fileté pour sa jonction à un train de tiges, dans lequel le raccord fileté est un manchon conforme à
1' invention .
L' invention concerne également une installation pour le forage et/ou le carottage, comprenant un trépan et un train de tiges, l'installation se caractérisant en ce qu'elle incorpore un dispositif conforme à l'invention.
Dans l'installation selon l'invention,
le dispositif peut être disposé entre deux tiges du train de tiges ou entre une tige et un raccord de jonction d'une tête de coupe du trépan. Bien que cela ne soit pas obligatoire pour la réalisation de l'invention, on préfère que le dispositif soit disposé au voisinage immédiat du trépan.
Dans une forme de réalisation préférée de l'installation selon l'invention, le trépan qui l'équipe est un trépan conforme à l'invention, dans lequel le dispositif constitue le raccord de jonction de la tête de coupe au train de tiges.
Brève description des figures
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui représentent quelques formes de réalisation particulières de l'invention.
La figure 1 montre une forme de réalisation particulière du dispositif selon l'invention, en section axiale ;
La figure 2 est une coupe selon le plan II-II de la figure 1 ;
La figure 3 montre une forme de réalisation du trépan selon l'invention, en section longitudinale axiale ; et
La figure 4 est une coupe selon le plan IV-IV de la figure 3.
Dans les figures, les mêmes numéros de référence désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de réalisation particuliers
Le dispositif conforme à l'invention, représenté aux figures 1 et 2 comprend un manchon 1 sensiblement de révolution autour d'un axe rectiligne X. Une extrémité 2 du manchon 1 est tronconique et filetée et l'autre extrémité 3 présente une ouverture tronconique taraudée 4. L'extrémité filetée 2 est agencée pour être vissée dans une ouverture taraudée correspondante d'une tige (non représentée) d'un train de tige d'une installation de forage ou de carottage.
L'ouverture taraudée 4 est agencée pour venir se visser sur une extrémité filetée correspondante d'une autre tige du train de tige ou sur l'extrémité filetée du raccord de jonction d'un trépan (non représenté) . Les embouts filetés 2 et taraudés 4 sont conformes à la norme API (American Petroleum Institute) .
Entre ses extrémités 2 et 3, le manchon présente une gorge annulaire 5, formant une chambre qui peut être obturée au moyen d'un fourreau cylindrique [beta]. La chambre annulaire 5 contient un équipement de mesure. Celui-ci comprend une jauge de mesure 7 et un ensemble de piles électriques ou d'accumulateurs 10. La jauge 7 est posée sur un cavalier 8 qui chevauche les piles 10 et qui est fixé sur le noyau interne 9 du manchon 1 au moyen de vis 22 (Figure 2) .
L'équipement de mesure est conçu pour relever des paramètres de fonctionnement d'une opération de forage ou de carottage. Il peut comprendre plus d'une jauge 7, celle-ci pouvant par exemple comprendre, de manière usuelle, un accéléromètre, un magnétomètre, un thermomètre, un manomètre, une électrode de mesure de résistance électrique ou une jauge de contrainte mécanique (liste non exhaustive). L'équipement de mesure peut également comprendre un ensemble de composants et de circuits électroniques servant à l'enregistrement et au traitement des grandeurs physiques et, le cas échéant, chimiques relevées par la ou les jauge (s) de mesure. La chambre 5 peut également comprendre un organe de régulation (non représenté) pour le démarrage ou la mise en veille automatique de la ou des jauge (s) de mesure.
Cet organe de régulation, bien connu en technique, comprend normalement une horloge et un détecteur de mouvement du trépan, qui est programmé pour relever l'état de mouvement ou de contrainte du trépan à intervalles de temps prédéfinis (par exemple sa vitesse de rotation ou un couple) et mettre la ou chaque jauge de mesure en état de veille tant que le trépan est au repos ou l'actionner si le trépan est en mouvement ou sous sollicitations . La fixation du fourreau 6 sur le corps du manchon 1 est assurée au moyen de vis 13. Des joints toriques 14 assurent l'herméticité de la chambre 5. Un obturateur hermétique et amovible 12 donne accès à une partie du circuit électrique logé dans la chambre 5. Le noyau interne 9 est percé d'un conduit axial 11, qui se prolonge dans les extrémités ou embouts 2 et 3 du manchon 1.
Lorsque le manchon 1 est monté dans un train de tiges d'une installation de forage ou de carottage, son conduit axial 11 est disposé dans le prolongement de conduits correspondants du train de tiges et sert alors à la circulation d'un fluide de forage ou de carottage.
Le manchon 1 est destiné à être inséré entre deux tiges du train de tiges d'une installation de forage ou de carottage ou entre le trépan et la première tige du train de tiges. A cet effet, on visse l'embout fileté 2 du manchon dans un embout taraudé correspondant d'une tige du train de tiges et on visse son embout taraudé 3 sur l'embout fileté du trépan ou d'une autre tige du train de tiges .
Le trépan selon l'invention, représenté aux figures 3 et 4 comprend une tête de coupe 15 munie de lames longitudinales 16 portant des outils coupants 17.
Des têtes de coupe de ce type sont bien connues dans les techniques de forage de puits de pétrole.
La tête de coupe 15 est fixée à un raccord de jonction 18, au moyen d'une couronne de vis 19, traversant une bride annulaire 20 du raccord 18. Un assemblage de cannelures et nervures 21 renforce la fixation de la tête de coupe 15 au raccord 18 et une jonction tronconique 23 renforce la résistance de l'assemblage à la flexion. Le raccord de jonction 18 est pourvu, à son extrémité postérieure, d'un embout tronconique fileté 2, destiné à être inséré et vissé dans un embout taraudé correspondant d'une tige d'un train de tiges.
Le raccord de jonction 18 est de conception similaire au manchon 1 décrit aux figures 1 à 3 et comprend comme lui, une chambre annulaire 5, obturée hermétiquement par un fourreau 6 et destinée à contenir un équipement 7-10 pour la mesure de paramètres de fonctionnement d'une opération de forage ou de carottage. Pour ce qui concerne cet équipement de mesure 7-10, on peut répéter ce qui a été dit plus haut pour l'équipement de mesure 7, 10 du dispositif des figures 1 et 2.