Stabilisateur de forage.
La présente invention concerne des appareils à forer des puits et en particulier des stabilisateurs de masses-tiges.
Les stabilisateurs de masses-tiges sont utilisés dans les opérations de forage dirigé pour régir l'angle d'un sondage foré à partir de la surface. En utilisant des stabilisateurs de masses-tiges, on peut forer un sondage formant un angle avec la verticale. On peut aussi utiliser des stabilisateurs de masses-tiges pour guider une garniture de forage et un trépan en ligne lors du forage d'un sondage vertical.
Pour réaliser un sondage sous un angle par rapport à la verticale, on monte habituellement des stabilisateurs entre une série de masses-tiges. Les masses-tiges sont des éléments tubulaires longs et lourds qui peuvent fléchir longitudinalement pendant une opération de forage. Le degré de flexion d'un ensemble de masses-tiges est réglé par la disposition des stabilisateurs par rapport à une série de masses-tiges. Les stabilisateurs qui portent contre la
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un ensemble de masses-tiges peut fléchir. La disposition espacée des stabilisateurs sur les masses-tiges, ainsi que le poids ou la force des masses-tiges déterminent le degré de flexion de l'ensemble de masses-tiges. Les stabilisateurs règlent non seulement le degré de flexion des masses-tiges directement adjacentes au trépan, mais également celui des autres masses-tiges espacées le long du sondage.
Il est devenu courant de forer à des profondeurs de plus en plus grandes pour exploiter du pétrole et du gaz et d'utiliser un forage dirigé, c'est-à-dire un forage formant un angle avec la verticale. D'une manière correspondante, les opérations et l'équipement de forage sont devenus de plus en plus élaborés et compliqués, en particulier les opérations et les équipements de forage offshore. Par exemple, plusieurs sondages peuvent être forés à partir d'un appareil de forage offshore fixé en un seul endroit, chaque sondage s'étendant dans une direction différente. A cet effet, on fore d'une manière dirigée plusieurs sondages sous des angles différents par rapport à la verticale et dans des directions différentes.
Les sondages sont relativement étroitement espacés à la surface de telle sorte que plusieurs sondages puissent être forés à partir de l'emplacement d'un seul appareil de forage. A mesure que le forage progresse, l'angle de forage de chaque sondage est réglé pour que les emplacements et les profon-deurs des sondages soient espacés sur une zone relativement grande suivant un réseau. Les sondages peuvent aussi être dirigés de manière à se trouver dans plusieurs strates qui peuvent chacune se trouver à un endroit et à une profondeur diff érents. Pour atteindre plusieurs emplacements différents, il est nécessaire de régler l'angle de forage avec une précision extrême pour chaque sondage, afin que le fond du sondage ne se trouve pas à plus de quelques décimètres d'un emplacement prédéterminé.
L'emplacement où les stabilisateurs sont disposés le long d'un ensemble de masses-tiges et le poids des masses-tiges règlent la flexion de l'ensemble et ainsi l'angle de forage. Cela étant, il est nécessaire de positionner les stabilisateurs en plusieurs endroits différents le long des masses-tiges pour régler l'angle de forage. On utilise des ordinateurs pour déterminer la position adéquate des stabilisateurs sur un ensemble de masses-tiges.
Pour régler l'angle de forage et la direction d'un
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c'est-à-dire des lectures basées sur le champ magnétique de
la terre et sur le déplacement de l'indication de l'angle du sondage, peuvent être effectuées dans le sondage et, conjointement avec la profondeur à laquelle ces lectures sont faites, elles produisent une détermination spatiale du sondage.
Pour permettre un contrôle magnétique, les masses-tiges sont faites d'une matière non magnétique.
Il n'est pas rare de forer à des profondeurs de
4.200 mètres ou davantage. Le poids du train de tiges est supporté par l'appareil à la surface, mais le trépan est chargé verticalement par le poids prédéterminé de plusieurs masses-tiges. Cela étant, des forces considérables sont rencontrées par les masses-tiges et les stabilisateurs pendant une opération de forage ou pendant la remontée ou l'abaissement du train de tiges. Par exemple, des forces axiales de l'ordre de 90.800 kg peuvent être exercées sur un stabilisateur pendant la remontée ou l'abaissement d'un ensemble de masses-tiges et des couples de l'ordre de 8.298 m kg peuvent être rencontrés par les stabilisateurs pendant le forage.
Pendant un forage dirigé, un stabilisateur sert de point d'appui entre la paroi d'un sondage et l'ensemble de masses-tiges. Cela étant, des couples énormes peuvent être exercés sur un stabilisateur. Par conséquent, des stabilisateurs de masses-tiges doivent être construits de manière à résister à ces forces et à ces couples. De plus, les surfaces d'usure des stabilisateurs peuvent être faites de matières dures telles que de l'acier, du carbure de tungstène ou des matiè-
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Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n[deg.] 3.916.998 accordé le 4 novembre 1975 décrit un stabilisateur rigide qui peut être glissé par-dessus une section de masse-tige
et qui peut être positionné axialement à un endroit souhaité. Le stabilisateur comprend une douille principale cylindrique présentant un passage axial, qui est glissée par-dessus une section de masse-tige et qui peut être positionnée axialement sur celle-ci. Des anneaux divisés sont prévus près des extrémités de la douille principale. Des douilles de coiffage sont glissées par-dessus la section de masse-tige et sont vissées sur les extrémités de la douille principale. Le serrage des douilles de coiffage sur la douille principale, conjointement avec l'action des anneaux divisés, provoque l'engagement du stabilisateur en prise avec la masse-tige.
Un couple considérable doit être exercé pour engager le stabilisateur en prise avec la masse-tige. Si le stabilisateur doit être utilisé en association avec des instruments magnétiques, il doit être fait d'une matière non magnétique. En raison de ces couples importants, le stabilisateur du brevet n[deg.] 3.916.998, lorsqu'il est fait d'une matière non magnétique, est sujet à une éraillure ou à une oxydation par frottement pendant le fonctionnement.
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accordé le 15 mars 1977 et 3.945.446 accordé le 23 mars 1976 décrivent des stabilisateurs comportant une surface intérieure conique, qui sont emmanchés à retrait sur une surface conique extérieure correspondante d'une masse-tige. Comme il est nécessaire de visser des sections de la masse-tige pour emmancher à retrait les stabilisateurs sur cette masse-tige, les stabilisateurs décrits dans ces brevets ne peuvent être disposés sur les masses-tiges qu'à l'endroit de la surface conique externe.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n[deg.] 3.410.613, <EMI ID=5.1>
2.813.697 décrivent des dispositifs qui sont utilisés pour protéger, supporter ou guider un train de tiges de forage ou un tube de production. Chacun d'eux est fait d'une matière élastomère et ne convient par conséquent d'une manière générale pas comme stabilisateur de masse-tige. Les dispositifs décrits dans les brevets n[deg.] 3.410.613, 3.894.780, 3.164.216
et 2.813.697 sont faits de deux éléments semi-cylindriques, tandis que les dispositifs décrits dans les brevets n[deg.] 3.933.203, <EMI ID=6.1> ou un boulon. Dans certains de ces brevets, le tube ou la tige tourne par rapport au dispositif.
Un autre dispositif a éléments multiples est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n[deg.] 3.292.708 accordé le 20 décembre 1966. Le centreur de tube décrit dans le brevet n[deg.] 3.292.708 est destiné à un tube de production et comprend deux parties de serrage qui sont articulées l'une à une extrémité et boulonnées l'une à l'autre à-1'autre extrémité.
Des ailes radiales, maintenues par les parties de serrage, sont prévues pour attaquer le tubage du puits de production.
Les dispositifs divisés à deux ou plus de deux éléments décrits plus haut peuvent se séparer et tomber dans le sondage.
Les dispositifs divisés élastomères peuvent aussi se séparer de la masse-tige en raison de la nature élastique du dispositif.
L'invention a notamment pour buts de procurer :
un dispositif stabilisateur qui puisse être positionné à n'importe quel endroit souhaité sur une masse-tige;
un stabilisateur qui puisse être serré sur la surface externe d'une masse-tige sans usure ni détérioration
du stabilisateur ou de la masse-tige pendant l'utilisation;
un stabilisateur qui assure une stabilisation adéquate sans augmenter le nombre d'assemblages vissés dans le train de tiges de forage;
un stabilisateur qui puisse être positionné et repositionné rapidement à la surface;
un stabilisateur en matière non magnétique qui ne nuise pas à la surveillance magnétique du fond du sondage.
Ces buts et d'autres encore de l'invention sont réalisés au moyen d'un stabilisateur divisé qui comprend un corps creux dans l'ensemble cylindrique comportant une fente ouverte qui s'étend sur toute sa longueur. Le stabilisateur peut recevoir, dans une ouverture qui le traverse de part en part, un long élément tubulaire qui entraîne un trépan de forage en rotation. Des moyens sont disposés sur la partie externe du corps creux pour appuyer sur la surface interne d'un sondage en vue de stabiliser le long élément tubulaire
et des moyens sont prévus pour serrer ou bloquer le stabilisateur sur l'élément tubulaire, de préférence d'une manière telle que des parties constitutives de ces moyens ne se séparent pas du stabilisateur pendant le service. Suivant un aspect de l'invention, le stabilisateur est fait d'une matière non magnétique.
Suivant l'invention, le stabilisateur est destiné
à un long élément tubulaire servant à entraîner un trépan
de forage en rotation dans un sondage et comprend un corps cylindrique creux en matière dure flexible présentant une ouverture centrale qui s'étend sur toute sa longueur et qui correspond, en substance, aux dimensions transversales externes du long élément tubulaire, l'ouverture étant destinée
à recevoir une longueur du long élément tubulaire. Le corps cylindrique creux comporte une fente ouverte qui s'étend sur toute sa longueur et qui va de la partie externe du corps
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moyens faits d'une matière rigide sont disposés sur la partie externe du corps cylindrique creux et appuient sur la surface interne du sondage pour stabiliser le long élément tubulaire dans le sondage lorsqu'ils entraînent un trépan de forage en rotation. Des moyens sont prévus pour attaquer le corps cylindrique creux près d'un côté de sa fente et s'étendent en travers de la fente de manière à attaquer le corps cylindrique creux près de l'autre côté de la fente pour serrer le corps cylindrique en contact avec la surface externe du long élément tubulaire et pour résister au couple et aux forces linéaires exercés sur le stabilisateur en réaction à l'engagement des moyens d'appui avec la sur face interne d'un sondage.
Le corps cylindrique creux a une épaisseur de paroi qui est relativement petite comparée aux dimensions transversales externes du corps cylindrique creux, l'épaisseur de paroi relativement petite permettant à la matière flexible dure de fléchir élastiquement à l'intervention du dispositif de serrage pour bloquer le stabilisateur le long du long élément tubulaire.
La fente ouverte du corps cylindrique creux qui s'étend sur toute sa longueur dans une forme d'exécution est en substance parallèle à son axe longitudinal et, dans une autre forme d'exécution, elle s'étend en substance angulairement par rapport à son axe longitudinal. Dans une forme d'exécution préférée, la fente ouverte qui s'étend sur toute sa longueur a, en substance, la forme d'une hélice.
Les moyens faits d'une matière rigide disposée sur
la partie externe du corps cylindrique creux comprennent plusieurs longues lames espacées les unes des autres et s'étendant en substance dans le sens de l'axe longitudinal
du corps cylindrique creux, chaque lame comportant une plage tournée vers l'extérieur qui appuie sur la surface interne du soudage et qui forme une rainure par rapport à la lame adjacente, la rainure formant un passage d'écoulement pour le liquide de forage entre la partie externe du corps cylindrique creux et la surface interne d'un sondage. La fente ouverte s'étend de préférence tout le long d'une des lames.
La surface de l'extrémité de chaque lame contient de préférence une matière résistant à l'usure. Dans une forme d'exécution, la longueur de chaque lame s'étend en substance parallèlement à l'axe longitudinal du corps cylindrique creux et dans une autre forme d'exécution, la longueur de chaque lame s'étend angulairement par rapport à l'axe longitudinal du
corps cylindrique creux. Dans l'autre forme d'exécution, la longueur de chaque lame s'étend de préférence sous la forme d'une hélice.
Dans les formes d'exécution décrites, le dispositif
de serrage propre à attaquer le corps cylindrique creux comprend des moyens d'assemblage qui, dans une forme d'exécution préférée, comprennent plusieurs boulons ou vis, plusieurs écrous correspondants et plusieurs paires de trous coïncidants près de la fente. Le boulons comportent de préférence des têtes creuses et les ouvertures sont de préférence contre-alésées, un écrou et un boulon à tête creuse correspondants étant disposés dans chaque ouverture contre-alésée.
Pour retenir l'écrou dans l'ouverture contre-alésée, un ajustage serré est de préférence prévu entre la surface externe de l'écrou et la surface interne de l'ouverture de telle sorte que, lorsqu'on serre le boulon, l'écrou soit attiré de force dans l'ouverture contre-alésée et y soit engagé. L'écrou est donc retenu dans l'ouverture contre-alésée indépendamment de sa fixation au boulon. De même, pour retenir le boulon dans l'ouverture indépendamment de sa fixation à l'écrou, un organe de retenue flexible est de préférence placé dans l'ouverture contre-alésée près de la tête creuse du boulon. L'organe de retenue est donc engagé élastiquement dans l'ouverture contre-alésée de telle sorte que la tête du boulon puisse sortir axialement de l'ouverture.
Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description de la forme d'exécution préférée donnée ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la Fig. 1 est une vue en élévation schématique illustrant un appareil de forage offshore placé à la surface d'une masse d'eau et plusieurs sondages qui peuvent être forés à partir d'un seul emplacement de l'appareil de forage;
la Fig. 2 est une vue en plan schématique d'un ensemble de sondages à effectuer au moyen de l'appareil représenté à la Fig. 1;
la Fig. 3 est une vue schématique illustrant, en traits pleins,un sondage vertical avec un train de tiges de forage prévu pour un forage dirigé et auquel plusieurs stabilisateurs sont fixés;
la Fig. 4 est un schéma illustrant la relation entre l'espacement des stabilisateurs et la flexion des masses-tiges;
la Fig. 5 est une vue en perspective d'un stabilisateur conforme à l'invention:
la Fig. 6 est une vue en coupe transversale du stabilisateur de la Fig. 5 suivant la ligne 6-6 et illustre le stabilisateur- bloqué sur une masse-tige;
la Fig. 7 est une vue en élévation du stabilisateur
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la Fig. 8 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 8-8 de la Fig. 7;
la Fig. 9 est une vue fragmentaire suivant la ligne 9-9 de la Fig. 7, illustrant le boulon de retenue;
la Fig. 10 est une vue en perspective d'un stabilisateur selon une autre forme d'exécution de l'invention;
la Fig. 11 est une vue en perspective du stabilisateur de la Fig. 9 fixé à une masse-tige, et
la Fig. 12 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 12-12 de la Fig. 11.
Comme le montrent en particulier les dessins, un appareil de forage de surface 10 (Fig. 1 et 2) est supporté à un endroit situé au large des côtes (offshore) pour forer
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mités inférieures des sondages sont situés dans des zones
ou des strates de pétrole A, B, respectivement, dont la profondeur varie; d'une manière correspondante, les profondeurs des parties inférieures des sondages pauvent également varier.
Un des sondages 12' est un sondage vertical,tandis que les autres sondages font un angle avec la verticale. Les empla-cements des parties inférieures de chaque sondage sont disposés en un réseau et peuvent s'étendre sur une surface d'environ 10,4 m<2>, c'est-à-dire sur une surface carrée mesurant
3.000 mètres de chaque côté. Pour diriger la partie inférieure de chaque sondage vers les divers endroits, l'angle
de chaque sondage est différent des autres et est réglé au moyen de stabilisateurs. Il est à noter que la profondeur
de l'eau peut être d'environ plusieurs centaines de mètres ou davantage, tandis que la profondeur de la strate B peut être de 4.200 mètres ou davantage.
Le train de tiges de forage représenté sur la Fig. 3 est formé de masses-tiges 20 reliées les unes aux autres et d'un trépan de forage 22 relié de manière à former l'élément du train. Chacune des masses-tiges peut avoir, par exemple, une longueur d'environ 9 mètres, un diamètre extérieur d'environ 20,3 cm, un diamètre intérieur d'environ 5,1 cm et un poids d'environ 2.270 kg. Comme la profondeur du sondage peut
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est supporté à leur partie supérieure sinon le train de tiges s'affaisserait. Par conséquent, en réaction au poids des masses-tiges, un poids prédéterminé est supporté par le trépan. Toutes les masses-tiges, à l'exception d'une petite partie de celles-ci, sont maintenues sous traction. Plusieurs sections de masses-tiges, par exemple vingt, sont supportées par le trépan et fournissent le poids nécessaire pour le
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cesse d'agir. En dessous du point neutre, les masses-tiges sont sollicitées en compression.
L'angle sous lequel un sondage est foré est déterminé en partie par le poids des masses-tiges qui provoque leur flexion. L'angle est en outre déterminé par les emplacements des stabilisateurs 26 sur les masses-tiges. A mesure que les stabilisateurs sont placés plus près les uns des autres le long de l'ensemble des masses-tiges, la flexion des masses-tiges augmente et le forage dirigé peut être réalisé sous des angles accrus. Suivant l'invention, les stabilisateurs peuvent être placés en n'importe quel endroit sur les masses-tiges et pa:
conséquent, des angles précis peuvent être obtenus pour les sondages.
La Fig. 4 illustre la manière selon laquelle les stabilisateurs déterminent la flexion des masses-tiges et,
par conséquent, l'angle de sondage. Avec un espacement de
Ll entre des stabilisateurs, la flexion des masses-tiges est importante et, par conséquent, l'angle du sondage est accru.
Pour un espacement accru des stabilisateurs, par exemple un
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et, par conséquent, un plus petit angle du sondage est obtenu.
L'espacement entre des stabilisateurs peut aussi être variable, de telle sorte que l'angle du sondage puisse être modifié. Ceci est souhaitable lorsqu'on observe que le sondage va rater le but qui lui est destiné, ce qui est déterminé, par exemple, par une surveillance magnétique.
La Fig. 5 représente un stabilisateur 26 qui est construit d'une pièce et présente une rainure ou une fente hélicoïdale 28 s'étendant sur toute sa longueur. Le stabilisateur 26 présente une ouverture axiale 30 ayant un diamètre intérieur suffisant pour qu'il puisse être glissé
sur une masse-tige 20. Plusieurs lames hélicoïdales espacées 32 sont prévues pour attaquer le sondage (Fig. 7-8). Les espaces ou rainures entre les lames permettent le passage du fluide de forage entre la surface du sondage et la surface
33 du corps située entre les lames. Les lames comportent des
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Les parties périphériques externes 35 des lames attaquent la surface interne du sondage (Fig. 7) et stabilisent ainsi la masse-tige. De plus, les lames peuvent servir d'alésoirs pour ouvrir le sondage ou le maintenir ouvert. Comme les lames sont sujettes à usure, des particules dures 36, par exemple en carbure de tungstène, en éclats de tungstène, en une matière à base de stellite, etc., peuvent être noyées dans
sa périphérie.
Les lames sont également espacées autour de la périphérie du stabilisateur, à l'exception des deux lames 32A et
32B qui sont adjacentes l'une à l'autre. Les lames 32A et
32B présentent chacune plusieurs trous 37 dont des paires opposées coïncident. Des boulons à tête creuse ou des vis
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lisés pour bloquer le stabilisateur sur la masse-tige. Le serrage d'un boulon à tête creuse sur un écrou resserre le stabilisateur à fente, c' est-à-dire les lames d'extrémité
32A et 32B, pour bloquer le stabilisateur sur la masse-tige 20.
Le stabilisateur représenté sur la Fig. 5 comporte des lames 32 qui se chevauchent dans le sens longitudinal de telle sorte que, lorsque le stabilisateur se trouve dans un sondage, ce sondage soit attaqué à chaque endroit longitudinal
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attaqué par la lame d'extrémité 32A.
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est introduite dans une partie contre-alésée 52 de l'ouver-
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l'ouverture 37 de la lame 32. Par conséquent, lorsqu'on serre le boulon 38 sur l'écrou 40, les cannelures de l'écrou sont usées ou rectifiées à mesure que l'écrou est attiré dans l'ou-verture et cet écrou est bloqué par l'ajustage serré dans
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des boulons 38 venait à céder, les deux moitiés d'un boulon rompu seraient retenues dans les ouvertures correspondantes et ne se détacheraient pas du stabilisateur 26. Les divers boulons 38 permettent au stabilisateur divisé d'exercer d'énormes forces de serrage également réparties sur la surface externe de la masse-tige. De plus, les boulons peuvent être convenablement installés par des outils à main classiques.
Dans la forme d'exécution de l'invention représentée sur les Fig. 10 à 12, le stabilisateur 60 présente une fente ouverte linéaire axiale 62. Le stabilisateur 60 comprend
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par rapport à l'ouverture du stabilisateur. Les lames du stabilisateur sont espacées de manière à permettre au fluide de forage de passer entre elles. Le stabilisateur 60 est fixé à une masse-tige 20, de la même manière que celle décrite pour le stabilisateur 26, au moyen de boulons 38 et d'écrous
40. Le stabilisateur 60 peut présenter une fente axiale 66
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Les stabilisateurs sont avantageusement calibrés de manière
à s'ajuster sur ces masses-tiges. Cependant, les masses-tiges, après une période d'utilisation, peuvent avoir un diamètre extérieur d'environ 20 cm ou 19,7 cm en raison de l'usure. Pour monter le même stabilisateur sur ces masses-tiges de plus petit diamètre, on peut utiliser une cale d'épaisseur tubulaire 68 (Fig. 12). La cale d'épaisseur est de forme cylindrique et présente une fente axiale 70. Pour une masse-tige de 19,7 cm, l'épaisseur de la cale peut, à titre d'exemple, être d'environ 3,2 mm, tandis que la fente 70 peut avoir une largeur d'environ 1,27 cm. La cale 68 est initialement placée autour de la masse-tige 20 et le stabilisateur est ensuite placé autour de la cale. Le serrage des boulons 38 amène le stabilisateur à serrer la cale directement sur la surface externe de la masse-tige.
L'intervalle radial entre le stabilisateur et une masse-tige avant le serrage du stabilisateur sur la masse-tige est d'environ 1,27 cm, pour une masse-tige ayant un diamètre extérieur de 20,3 cm, et d'environ 3,2 mm,pour une masse-tige usée jusqu' à environ 20 cm.
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présente des lames hélicoïdales 62 qui se chevauchent, c'est-à-dire qu'une ligne qui s'étend suivant la longueur du stabilisateur recoupe au moins deux lames différentes. En variante, les lames du. stabilisateur peuvent s'étendre en hélice et ne pas se chevaucher. Le chevauchement maintient un contact continu des lames avec la surface interne du sondage. S'il n'y a pas de chevauchement, ou si on utilise des lames droites, les lames peuvent recouper les parois du sondage sur une base aléatoire.
Pour permettre une surveillance magnétique du son-
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magnétique, comme de l'acier inoxydable, du Monel, etc. Le stabilisateur conforme à l'invention offre un avantage supplémentaire en ce qu'il peut aussi être fait d'une matière
non magnétique. Le stabilisateur conforme à l'invention fonctionne également bien, qu'il soit fait d'une matière magnétique ou d'une matière non magnétique,car le contact serré conforme
à l'invention peut fixer le stabilisateur sans risque d'éraillure et d'oxydation par frottement.
Le stabilisateur conforme à l'invention est facilement fixé à une masse-tige et peut être placé à un endroit quelconque dans le sens axial de celle-ci. De plus, le stabilisateur conforme à l'invention ne se sépare pas de la masse-tige, même si tous les organes d'assemblage cédaient, car le stabilisateur est d'une pièce dans l'ensemble tubulaire et enferme la masse-tige. De plus, les écrous et les boulons qui serrent le stabilisateur sur la masse-tige sont empêchés de tomber dans le sondage s'ils cédaient ou s'ils se détachaient.
Les avantages conformes à l'invention ainsi que certaines variations et certaines modifications des formes d'exécution décrites apparaîtront clairement aux yeux des spécialistes. Bien entendu, l'invention n'est en aucune
manière limitée aux détails d'exécution décrits auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés
sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS
1.- Stabilisateur pour un long élément tubulaire servant à entraîner en rotation un trépan de forage dans un sondage, caractérisé en ce qu'il comprend :
(a) un corps cylindrique creux en matière dure comportant une paroi et une ouverture centrale qui s'étend sur toute sa longueur, qui correspond en substance aux dimensions transversales externes du long élément tubulaire et qui est à même de recevoir une longueur du long élément tubulaire, la paroi ayant
une épaisseur telle qu'elle puisse fléchir;
(b) des moyens faits d'une matière rigide disposés sur la partie externe du corps cylindrique creux et s'étendant en
substance sur toute sa longueur pour appuyer sur la surface
interne d'un sondage en vue de stabiliser le long élément
tubulaire dans le sondage lorsqu'il entraîne le trépan en ro-
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cylindrique creux dans la longueur des moyens d'appui et qui recoupe l'ouverture du corps cylindrique creux, et
(c) des moyens propres à attaquer les moyens faits d'une matière rigide près d'un côté de la fente et s'étendant en travers de cette fente pour attaquer les moyens d'appui près
de l'autre côté de la fente en vue de modifier les dimensions
de l'ouverture pour serrer le corps cylindrique creux flexible en contact de serrage avec la surface externe du long
élément tubulaire, le contact de serrage permettant au stabilisateur d'être fixé le long du long élément tubulaire et de résister au couple et aux forces linéaires exercés sur le stabilisateur en réaction à l'engagement des moyens d'appui
avec la surface interne d'un sondage.
Drilling stabilizer.
The present invention relates to apparatus for drilling wells and in particular rod stabilizers.
Rod stabilizers are used in directional drilling operations to control the angle of a borehole drilled from the surface. Using rod stabilizers, a borehole can be drilled at an angle to the vertical. Rod stabilizers can also be used to guide a drill string and a drill bit in line when drilling a vertical borehole.
To perform a survey at an angle to the vertical, stabilizers are usually mounted between a series of drill collars. Rods are long, heavy tubular elements that can flex longitudinally during a drilling operation. The degree of flexion of a set of drill collars is regulated by the arrangement of the stabilizers in relation to a series of drill collars. The stabilizers which bear against the
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a set of drill sticks can flex. The spacing of the stabilizers on the drill collars, as well as the weight or strength of the drill collars, determines the degree of bending of the drill collector assembly. The stabilizers regulate not only the degree of flexion of the drill collars directly adjacent to the drill bit, but also that of the other drill collars spaced along the borehole.
It has become common to drill deeper and deeper to exploit oil and gas and to use directional drilling, that is, drilling at an angle to the vertical. Correspondingly, drilling operations and equipment have become increasingly sophisticated and complicated, in particular offshore drilling operations and equipment. For example, multiple boreholes can be drilled from an offshore drilling rig attached in one location, each borehole extending in a different direction. To this end, several holes are drilled in a directed manner at different angles to the vertical and in different directions.
The holes are relatively closely spaced at the surface so that multiple holes can be drilled from the location of a single rig. As drilling progresses, the drilling angle of each hole is adjusted so that the locations and depths of the holes are spaced over a relatively large area in a network. The soundings can also be conducted so as to be in several strata which can each be in a different location and depth. To reach several different locations, it is necessary to adjust the drilling angle with extreme precision for each hole, so that the bottom of the hole is not more than a few decimeters from a predetermined location.
The location where the stabilizers are placed along a set of drill collars and the weight of the drill collars regulate the bending of the assembly and thus the drilling angle. However, it is necessary to position the stabilizers in several different places along the drill collars to adjust the drilling angle. Computers are used to determine the proper position of the stabilizers on a set of drill collars.
To adjust the drilling angle and direction of a
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i.e. readings based on the magnetic field of
the earth and on the displacement of the indication of the angle of the sounding, can be carried out in the sounding and, together with the depth at which these readings are made, they produce a spatial determination of the sounding.
To allow magnetic control, the drill collars are made of a non-magnetic material.
It is not uncommon to drill to depths of
4,200 meters or more. The weight of the drill string is supported by the device on the surface, but the drill bit is loaded vertically by the predetermined weight of several drill collars. However, considerable forces are encountered by the drill collars and the stabilizers during a drilling operation or during the raising or lowering of the drill string. For example, axial forces of the order of 90,800 kg can be exerted on a stabilizer during the raising or lowering of a set of drill collars and torques of the order of 8,298 m kg can be encountered by stabilizers during drilling.
During a directed drilling, a stabilizer serves as a fulcrum between the wall of a borehole and the set of drill collars. However, huge torques can be exerted on a stabilizer. Therefore, drill collars must be constructed to withstand these forces and torques. In addition, the wear surfaces of the stabilizers can be made of hard materials such as steel, tungsten carbide or other materials.
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U.S. Patent 3,916,998 granted November 4, 1975 describes a rigid stabilizer which can be slid over a drill collar section
and which can be positioned axially at a desired location. The stabilizer includes a cylindrical main bushing having an axial passage, which is slid over a drill collar section and which can be positioned axially thereon. Divided rings are provided near the ends of the main sleeve. Cap sleeves are slid over the drill collar section and are screwed onto the ends of the main sleeve. The tightening of the styling sleeves on the main sleeve, together with the action of the divided rings, causes the engagement of the stabilizer in engagement with the drill collar.
Considerable torque must be exerted to engage the stabilizer in engagement with the drill collar. If the stabilizer is to be used in combination with magnetic instruments, it must be made of non-magnetic material. Because of these large torques, the stabilizer of patent no. 3,916,998, when made of a non-magnetic material, is subject to scuffing or oxidation by friction during operation.
<EMI ID = 4.1>
granted March 15, 1977 and 3,945,446 granted March 23, 1976 describe stabilizers having a conical inner surface, which are retracted onto a corresponding outer conical surface of a drill collar. As it is necessary to screw sections of the drill collar to push the stabilizers back onto this drill collar, the stabilizers described in these patents can only be placed on the drill collars at the location of the conical surface. external.
Patents of the United States of America n [deg.] 3,410,613, <EMI ID = 5.1>
2,813,697 describe devices which are used to protect, support or guide a drill string or a production tube. Each of them is made of an elastomeric material and is therefore generally not suitable as a drill collar stabilizer. The devices described in patents n [deg.] 3,410,613, 3,894,780, 3,164,216
and 2,813,697 are made of two semi-cylindrical elements, while the devices described in patents n [deg.] 3,933,203, <EMI ID = 6.1> or a bolt. In some of these patents, the tube or the rod rotates relative to the device.
Another device with multiple elements is described in the patent of the United States of America n [deg.] 3,292,708 granted on December 20, 1966. The tube centering device described in patent n [deg.] 3,292,708 is intended to a production tube and comprises two clamping parts which are articulated one at one end and bolted to each other at the other end.
Radial wings, held by the clamping parts, are provided to attack the casing of the production well.
Devices divided into two or more than two elements described above may separate and fall into the borehole.
Split elastomeric devices can also separate from the drill collar due to the elastic nature of the device.
The invention particularly aims to provide:
a stabilizing device which can be positioned at any desired location on a drill collar;
a stabilizer which can be clamped onto the external surface of a drill collar without wear or damage
stabilizer or drill collar during use;
a stabilizer which provides adequate stabilization without increasing the number of assemblies screwed into the drill string;
a stabilizer that can be quickly positioned and repositioned on the surface;
a non-magnetic stabilizer which does not interfere with the magnetic monitoring of the bottom of the borehole.
These and other objects of the invention are achieved by means of a divided stabilizer which comprises a hollow body in the cylindrical assembly comprising an open slot which extends over its entire length. The stabilizer can receive, in an opening which passes right through it, a long tubular element which drives a drilling drill bit in rotation. Means are arranged on the external part of the hollow body for pressing on the internal surface of a borehole in order to stabilize the long tubular element
and means are provided for clamping or locking the stabilizer on the tubular element, preferably in such a way that parts of these means do not separate from the stabilizer during service. According to one aspect of the invention, the stabilizer is made of a non-magnetic material.
According to the invention, the stabilizer is intended
with a long tubular element used to drive a drill bit
of drilling in rotation in a borehole and comprises a hollow cylindrical body of flexible hard material having a central opening which extends over its entire length and which corresponds, in essence, to the external transverse dimensions of the long tubular element, the opening being intended
to receive a length of the long tubular element. The hollow cylindrical body has an open slit which extends over its entire length and which extends from the external part of the body
<EMI ID = 7.1>
means made of a rigid material are arranged on the external part of the hollow cylindrical body and press on the internal surface of the borehole to stabilize the long tubular element in the borehole when they drive a rotary drill bit. Means are provided to attack the hollow cylindrical body near one side of its slot and extend across the slot so as to attack the hollow cylindrical body near the other side of the slot to clamp the cylindrical body in contact with the external surface of the long tubular element and to resist the torque and the linear forces exerted on the stabilizer in reaction to the engagement of the support means with the internal face of a borehole.
The hollow cylindrical body has a wall thickness which is relatively small compared to the external transverse dimensions of the hollow cylindrical body, the relatively small wall thickness allowing the hard flexible material to flex elastically with the intervention of the clamping device to block the stabilizer along the long tubular member.
The open slot of the hollow cylindrical body which extends over its entire length in one embodiment is substantially parallel to its longitudinal axis and, in another embodiment, it extends substantially angularly with respect to its longitudinal axis. In a preferred embodiment, the open slot which extends over its entire length has, in essence, the shape of a helix.
The means made of a rigid material arranged on
the external part of the hollow cylindrical body comprises several long blades spaced from each other and extending substantially in the direction of the longitudinal axis
of the hollow cylindrical body, each blade having an outwardly facing pad which presses on the internal surface of the weld and which forms a groove with respect to the adjacent blade, the groove forming a flow passage for the drilling fluid between the external part of the hollow cylindrical body and the internal surface of a borehole. The open slit preferably extends along one of the blades.
The surface of the end of each blade preferably contains a wear-resistant material. In one embodiment, the length of each blade extends substantially parallel to the longitudinal axis of the hollow cylindrical body and in another embodiment, the length of each blade extends angularly relative to the longitudinal axis of
hollow cylindrical body. In the other embodiment, the length of each blade preferably extends in the form of a helix.
In the embodiments described, the device
clamp suitable for attacking the hollow cylindrical body comprises assembly means which, in a preferred embodiment, comprise several bolts or screws, several corresponding nuts and several pairs of coincident holes near the slot. The bolts preferably have hollow heads and the openings are preferably counterbored, a nut and a corresponding hollow head bolt being disposed in each counterbored opening.
To retain the nut in the counterbored opening, a tight fit is preferably provided between the outer surface of the nut and the inner surface of the opening so that when the bolt is tightened, the nut is forcibly drawn into and engaged in the counterbored opening. The nut is therefore retained in the counter-bored opening independently of its fixing to the bolt. Likewise, to retain the bolt in the opening independently of its attachment to the nut, a flexible retaining member is preferably placed in the counterbored opening near the hollow head of the bolt. The retaining member is therefore engaged elastically in the counter-bored opening so that the head of the bolt can extend axially from the opening.
These aspects of the invention as well as others will emerge clearly from the description of the preferred embodiment given below by way of example with reference to the appended drawings, in which:
Fig. 1 is a schematic elevational view illustrating an offshore drilling rig placed on the surface of a body of water and several boreholes which can be drilled from a single location of the drilling rig;
Fig. 2 is a schematic plan view of a set of soundings to be carried out by means of the apparatus shown in FIG. 1;
Fig. 3 is a schematic view illustrating, in solid lines, a vertical borehole with a drill string provided for directional drilling and to which several stabilizers are attached;
Fig. 4 is a diagram illustrating the relationship between the spacing of the stabilizers and the bending of the drill collars;
Fig. 5 is a perspective view of a stabilizer according to the invention:
Fig. 6 is a cross-sectional view of the stabilizer of FIG. 5 along line 6-6 and illustrates the stabilizer locked on a drill collar;
Fig. 7 is an elevational view of the stabilizer
<EMI ID = 8.1>
Fig. 8 is a cross-sectional view along line 8-8 of FIG. 7;
Fig. 9 is a fragmentary view along line 9-9 of FIG. 7, illustrating the retaining bolt;
Fig. 10 is a perspective view of a stabilizer according to another embodiment of the invention;
Fig. 11 is a perspective view of the stabilizer of FIG. 9 attached to a drill collar, and
Fig. 12 is a cross-sectional view along line 12-12 of FIG. 11.
As shown in particular in the drawings, a surface drilling rig 10 (Figs. 1 and 2) is supported at an offshore location for drilling
<EMI ID = 9.1>
lower pits of polls are located in areas
or petroleum strata A, B, respectively, the depth of which varies; correspondingly, the depths of the lower parts of the boreholes may also vary.
One of the holes 12 'is a vertical hole, while the other holes make an angle with the vertical. The locations of the lower parts of each borehole are arranged in a network and can extend over an area of approximately 10.4 m <2>, i.e. over a square area measuring
3,000 meters on each side. To direct the bottom of each survey to the various locations, the angle
of each survey is different from the others and is adjusted by stabilizers. It should be noted that the depth
water can be about several hundred meters or more, while the depth of stratum B can be 4,200 meters or more.
The drill string shown in FIG. 3 is formed by drill collars 20 connected to each other and by a drill bit 22 connected so as to form the element of the train. Each of the drill rods can have, for example, a length of about 9 meters, an outside diameter of about 20.3 cm, an inside diameter of about 5.1 cm and a weight of about 2,270 kg. As the depth of the survey can
<EMI ID = 10.1>
is supported at their upper part otherwise the drill string would collapse. Therefore, in response to the weight of the drill collars, a predetermined weight is supported by the drill bit. All drill rods, except a small part of them, are kept under tension. Several sections of drill rods, for example twenty, are supported by the drill bit and provide the necessary weight for the
<EMI ID = 11.1>
stops acting. Below the neutral point, the drill collars are stressed in compression.
The angle at which a borehole is drilled is determined in part by the weight of the drill collars that cause them to flex. The angle is further determined by the locations of the stabilizers 26 on the drill collars. As the stabilizers are placed closer together along the drill set, the drill bit flexion increases and directional drilling can be performed at increased angles. According to the invention, the stabilizers can be placed anywhere on the drill collars and pa:
therefore, precise angles can be obtained for soundings.
Fig. 4 illustrates the manner in which the stabilizers determine the bending of the drill collars and,
therefore, the survey angle. With a spacing of
Ll between stabilizers, the bending of the drill collars is important and, consequently, the angle of the drilling is increased.
For increased spacing of the stabilizers, for example a
<EMI ID = 12.1>
and therefore a smaller survey angle is obtained.
The spacing between stabilizers can also be variable, so that the angle of the sounding can be changed. This is desirable when it is observed that the survey will miss the goal intended for it, which is determined, for example, by magnetic monitoring.
Fig. 5 shows a stabilizer 26 which is constructed in one piece and has a groove or a helical slot 28 extending over its entire length. The stabilizer 26 has an axial opening 30 having an internal diameter sufficient for it to be slid
on a drill collar 20. Several spaced helical blades 32 are provided to attack the borehole (Fig. 7-8). The spaces or grooves between the blades allow the passage of drilling fluid between the surface of the borehole and the surface
33 of the body located between the blades. The blades have
<EMI ID = 13.1>
The external peripheral parts 35 of the blades attack the internal surface of the borehole (FIG. 7) and thus stabilize the drill collar. In addition, the blades can be used as reamers to open the borehole or keep it open. As the blades are subject to wear, hard particles 36, for example tungsten carbide, tungsten shards, stellite-based material, etc., can be embedded in
its periphery.
The blades are also spaced around the periphery of the stabilizer, with the exception of the two blades 32A and
32B which are adjacent to each other. The blades 32A and
32B each have several holes 37 of which opposite pairs coincide. Socket head bolts or screws
<EMI ID = 14.1>
to lock the stabilizer on the drill collar. Tightening a socket head bolt on a nut tightens the slot stabilizer, i.e. the end blades
32A and 32B, to lock the stabilizer on the drill collar 20.
The stabilizer shown in FIG. 5 comprises blades 32 which overlap in the longitudinal direction so that, when the stabilizer is in a borehole, this borehole is attacked at each longitudinal location
<EMI ID = 15.1>
attacked by the end blade 32A.
<EMI ID = 16.1>
is introduced into a counterbored part 52 of the opening
<EMI ID = 17.1>
<EMI ID = 18.1>
the opening 37 of the blade 32. Consequently, when the bolt 38 is tightened on the nut 40, the grooves of the nut are worn or corrected as the nut is drawn into the opening and this nut is blocked by the tight fitting in
<EMI ID = 19.1>
of the bolts 38 would fail, the two halves of a broken bolt would be retained in the corresponding openings and would not come off from the stabilizer 26. The various bolts 38 allow the divided stabilizer to exert enormous tightening forces equally distributed over the outer surface of the drill collar. In addition, the bolts can be properly installed by conventional hand tools.
In the embodiment of the invention shown in Figs. 10 to 12, the stabilizer 60 has an axial linear open slot 62. The stabilizer 60 comprises
<EMI ID = 20.1>
relative to the opening of the stabilizer. The stabilizer blades are spaced to allow drilling fluid to pass between them. The stabilizer 60 is fixed to a drill collar 20, in the same manner as that described for the stabilizer 26, by means of bolts 38 and nuts
40. The stabilizer 60 may have an axial slot 66
<EMI ID = 21.1>
The stabilizers are advantageously calibrated so
to fit on these drill sticks. However, the drill rods, after a period of use, may have an outside diameter of approximately 20 cm or 19.7 cm due to wear. To mount the same stabilizer on these drill rods of smaller diameter, one can use a shim of tubular thickness 68 (Fig. 12). The shim is of cylindrical shape and has an axial slot 70. For a 19.7 cm drill collar, the thickness of the shim may, for example, be approximately 3.2 mm, while the slot 70 can have a width of about 1.27 cm. The wedge 68 is initially placed around the drill collar 20 and the stabilizer is then placed around the wedge. Tightening the bolts 38 causes the stabilizer to tighten the shim directly on the external surface of the drill collar.
The radial interval between the stabilizer and a drill collar before the stabilizer is clamped on the drill collar is approximately 1.27 cm, for a drill collar having an outside diameter of 20.3 cm, and approximately 3.2 mm, for a worn drill rod up to approximately 20 cm.
<EMI ID = 22.1>
has overlapping helical blades 62, that is to say that a line which extends along the length of the stabilizer intersects at least two different blades. Alternatively, the blades of the. stabilizer can extend helically and not overlap. The overlap maintains continuous contact of the blades with the internal surface of the borehole. If there is no overlap, or if straight blades are used, the blades may intersect the walls of the borehole on a random basis.
To allow magnetic monitoring of the sound-
<EMI ID = 23.1>
magnetic, such as stainless steel, Monel, etc. The stabilizer according to the invention offers an additional advantage in that it can also be made of a material
not magnetic. The stabilizer according to the invention also works well, whether it is made of a magnetic material or of a non-magnetic material, because the tight contact conforms
to the invention can fix the stabilizer without risk of scuffing and oxidation by friction.
The stabilizer according to the invention is easily attached to a drill collar and can be placed anywhere in the axial direction thereof. In addition, the stabilizer according to the invention does not separate from the drill collar, even if all the assembly members failed, because the stabilizer is in one piece in the tubular assembly and encloses the drill collar. In addition, the nuts and bolts that tighten the stabilizer to the drill collar are prevented from falling into the borehole if they fail or come loose.
The advantages according to the invention as well as certain variations and certain modifications of the embodiments described will appear clearly to the specialists. Of course, the invention is in no way
limited to the described execution details to which many changes and modifications can be made
without going beyond its framework.
CLAIMS
1.- Stabilizer for a long tubular element used to rotate a drill bit in a borehole, characterized in that it comprises:
(a) a hollow cylindrical body of hard material comprising a wall and a central opening which extends over its entire length, which corresponds in substance to the external transverse dimensions of the long tubular element and which is capable of receiving a length of the long element tubular, the wall having
a thickness such that it can flex;
(b) means made of a rigid material arranged on the external part of the hollow cylindrical body and extending in
substance along its entire length to press on the surface
internal survey to stabilize the long element
tubular in the borehole when it drives the drill bit in ro-
<EMI ID = 24.1>
cylindrical hollow in the length of the support means and which intersects the opening of the hollow cylindrical body, and
(c) means suitable for attacking the means made of a rigid material near one side of the slot and extending across this slot to attack the support means near
on the other side of the slot to change the dimensions
opening to clamp the flexible hollow cylindrical body in clamping contact with the outer surface of the
tubular element, the clamping contact allowing the stabilizer to be fixed along the long tubular element and to resist the torque and the linear forces exerted on the stabilizer in reaction to the engagement of the support means
with the internal surface of a borehole.