CA1069113A

CA1069113A - Procede de forage de roches et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede

Info

Publication number: CA1069113A
Application number: CA279,076A
Authority: CA
Inventors: Daniel Milan
Original assignee: S BV
Current assignee: S BV
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1980-01-01
Also published as: FR2352943A1; FR2352943B1; US4114705A

Abstract

Procédé de forage de roches opérant par destruction mécanique de la roche et utilisant une boue de forage sous pression en circulation pour la mise en mouvement et l'entraînement à l'extérieur du trou des débris de roche, caractérisé par le fait que le fluide de forage est envoyé sur le fond du trou sous forme de deux jets pulsés dont les débits instantanés varient de façon alternative entre une valeur maximale et la valeur nulle, le débit total étant pratiquement constant et les jets étant dirigés sur des zones diamétrement opposées du fond du trou pour la production de flux contrariés de boue de forage. Ce procédé permet une utilisation optimale des molettes et donc une vitesse d'avance forte aussi bien dans le cas du forage rotary que dans le cas du forage à la turbine, grâce à une élimination rapide et efficace des débris de roche formé: lors du forage.

Description

~06~ 3 L'invention concerne un procédé de forage de roches opérant par destruction mécanique de la roche et utilisant une ' boue de forage sous pression en circulation ainsi qu'un disposi- ' tif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Dans les procédés de forage habituels, la destruction de ' ';
la roche s'effectue par percussion des dents de molettes en rota-tion sur la surface de la roche à percer. Cette destruction méca-nique de la roche provoque la formation de débris qu'on doit éva-cuer au fur et à mesùre de leur formation afin que les éléments coupants des outils de forage travaillent à tout moment sur une -formation vierge. Cette élimination des débris est nécessaire pour obtenir une bonne vitesse d'avancement de l'outil compte ~ ~
tenu du poids appliqué sur cet outil et de la vitesse de rotation ` ' des molettes. -Afin d'éliminer les débris formés au cours du forage, les outils comportent généralement des évents et des buses calibrés ~ ~
dirigeant la boue de forage vers le fond du trou, la circulation ~ -du fluide provoquant l'entraînement des débris et leur élimination.
- La circulation du fluide entxe le fond du trou et la surface et entre la surface et le'fond du trou a plusieurs fonc tions essentielles au niveau de l'outil : l'équilibrage des pres- ;
sions dans la roche et dans le trou, le refroldissement de l'outil, le nettoyage des éléments coupants, le nettoyage du fond du trou ~' et l'évacuation des débris de roche. Pour une charge'appliquée sur l'outil à une vitesse de rotation des molettes donnée, la vitesse d'avancement de l'outil dépend de l'efficacité du balayage des déblais dans la zone de l'outil.
Afin d'éviter que les déblais repris par le jet des buses ne soient broyés plusieurs fois par les dents de molettes, ce qui diminue leur rendement, il faut diminer le temps de séjour de ces déblais dans la zone de travail de l'outil et contrôler la ~;

puissance hydraulique des buses. En effet, la vitesse d'élimina-,. . . . . .

~ 9~L~L3 ~ ~
tion des débris qui est égale à la vitesse de circulation dela boue de forage diminuée de la vitesse de sédimentation de ces débris, peut être insuffisante en fonction de la vitesse de forage recherchée et la surpression due au jet peut provoquer un blocage des morceaux de roche sur le fond du trou, ce qui provoque une ;
diminution du rendement de l'outil et dans certain cas un bourrage ~`
tel que l'outil ne peut plus avancer.
Afin d'éviter ces inconvénients, on a proposé différen-tes solutions visant soit à diminuer le plaquage des débris sur 7a surface du trou soit à réduire l'importance du recyclage des débris soit encore à favoriser l'évacuation rapide de ces déblais.
C'est ainsi qu'on a provoqu~ d'abaisser les buses ou d'incliner -.
le jet par rapport au front de taille, d'aménager un plus grand passage du fluide entre le puits et l'outil ou encore d'aspirer ~;
le courant vers le haut par des dispositifs spéciaux.
Ces dispositifs ont cependant l'inconvénient de compli- ;~
quer la construction des outils de forage sans que pour autant les procédés correspondants soient suffisamment efficaces dans ~
le cais o~ l'élimination des débris est rendue particulièrement ~ -~ difficile par les conditions spéciflques du forage ~ grande vitesse.
En particulier, dans le cas où l'on utilise des outils de turbo-forage tournant à grande vitesse de rotation, l'effet centrifuge :
sur les déblais, provenant de~la rotation du fluide, rend très difficile le nettoyage du trou. ~
Le but de l'invention est donc de pxoposer un procédé ~ -.. :, .
de forage de roches opérant par destruction mécanique de la roche -`
et utilisant une boue de forage sous pression en circulation pour la mise en mouvement et l'entraînement à l'extérieur du trou des débris de roche qui permette une utilisation optimale des molettes et donc uné vites~e d'avance forte aussi bien dans le cas du forage rotary, que du forage à la turbine grâce à une élimination rapide et efficace des débris de roche formés lors du forage.

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~6~13L3 Dans ce but, l'invention propose un procédé de forage où la boue de forage est envoyée sur le fond du trou sous forme de deux jets pulses dont les dé~its instantanés varient de facon alternative entre une valeur maximale e-t la valeur nulle, le débit total étant pratiquement constant et les jets etant ;
diriges sur des zones diametralement opposées du fond du trou pour la production d'une intense turbulence au niveau où les débris sont arraches par rencontre de deux je-ts pulses contra-riés.
L'invention propose également un outil de forage pour la mise en oeuvre du procéde précité, outil caractérisé par le ~;~
fait qu'il comporte des organes d'attaque de la roche et un ~corps renfermant une chambre de distribution en communication -avec une conduite d'amenée de la boue de forage et avec deux ; buses calibrées dirigées vers le front de taille lorsque l'outil est en service par l'intermédiaire de deux canalisations dont :~ ~
les extrémités non reliées aux buses sont saillantes dans la -chambre de distribution. Cette chambre renferme également une boule occupant une position dite d'équilibre en l'absence de toute force extér.ieure, laissant libres les extrémités saillan-tes des canalisations et mobiles entre deux positions extrêmes dans chacune desquelles la boule obture l'une des extrémités saillantes des canalisations. Le système constitué par la boule ;~
et son dispositif de liaison avec le corps de l'outil est ~
instable lorsque la conduite d'amenée de la boue de forage est `
alimentée à son débit et à sa pression de service, la boule ~
étant alors soumise à un ensemble de forces d'origine hydraulique ~ -et mécanique provoquant son mouvement alternatif entre les deux positions extremes.
On va maintenant décrire à titre d'exemples non limi-tatifs en se reportant aux figures jointes en annexe, un mode de r~alisation de l'outil de forage destiné à la mise en oeuvre ' , ` ~6~3 du prccede ainsi qu'une variante de realisation du pulsateur hydraulique utilisé.
La figure 1 est une vue en élevation avec coupe par-tielle de l'outil de forage dans le plan perpendiculaire au plan de symétrie des buses.
La figure 2 est une vue en élévatlon avec coupe par- ~`
tielle du meme outil de forage dans le plan des buses.
La figure 3 es-t une vue en perspective d'une variante de réalisa-tion du dispositif pulseur pour la production des ~;
jets pulsés.
Sur la figure 1, on voit l'outil de forage composé
d'un corps 1 et de deux bras 2 qui portent chacun un organe d'attaque du terrain 3 constitué par une molette conique. Cha-cun des organes 3 comporte des dents ou d'au*res éléments taillants capables d'attaquer et de detruire le terrain au niveau du front de taille. La partie supérieure du corps d'ou~
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til presente un filetage 4 pour son raccord avec un porte-outil 5~qui entraine l'outil en rotation. Le porte-outil peut être constitué par la colonne de forage dans le cas du forage ' ~;~
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rotary ou par le rotor du moteur de fond lorsque l'outil est ;`~
entraln8 directement en rotation par le moteur. Dans le r~
corps de l'outil 1 est ménagée une chambre 6 communiquant avec :
l'espace intérieur de la colonne de forage par ou arrive la boue ~
de forage sous pression. ~ -;

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,9~L~3 Le corp~ de l'outil 1 est d'autre part percé de deux ouvertures communiquant avec l'intérieur du puits 7 ~ l'intérieur desquelles sont disposées des canalisations 10 visibles à la figu-re 2~ L'extrémité de la canalisation 10 saillante à l'intérieur du puits 7 présente une partie renforcée pour permettre le raccor-dement de buses calibrées 8 sur ces extrémités. Les buses cali~
brées 8 sont dirigées vers Le fond du puits 7 et légèrement incli-`~ n~es vers l'extérieur par rapport à l'axe vertical de l'outil.
On voit sur les figures 1 et 2, à l'intérieur de la cham bre 6 ménagée dans le corps de l'outil 1, une boule 9 reliée parl'intermédiaire d'un: bras rigide 11 à une barre de torsion 12 fixée rigidement à l'intérieur du corps de l'outil dans la direction .
perpendiculaire au plan de sysmétrie des buses 8.
La barre de torsion 12 en l'absence de toute force appli- ;`
quée sur la boule 9 rambne celle-ci en position d'équilibre sur l'axe de l'outil à égale distance entre les entrées des canalisa-~ tlons 10 saillantes à l'intérieur de la chambre 6.
On va maintenant décrire en se reportant aux figures 1 et 2, le fonctionnement de l'outil en cours de forage d'un puits 7. L'outil de forage du type bicone fixé à l'extrémité du porte-outil qui l^entraîne en rotation attaque la roche au fond du puits 7 et arrache des débris par choc.des dents dont sont équipées les molettes sur la roche non désagrégée constituant le fond du trou.
Le fluide de forage et d'irrigation du front de taille est admis sous pression dans la cavité 6 de l'outil 1. Ce fluide de forage ~ est amené ~ la cavité 6 par la colonne de forage dont l'extrémité
: inférieure fixée sur l'outil constitue le porte-outil 5. Si Ia.~ . .
boule est maintenue ~ égale distance des deux orifices d'entrée : des canalisations 10, le fluide peut s'engager dans les deux cana-lisations 10 d'alimentation des buses 8. En fait le système est dimensionné de telle sorte que les différentes forces qui s'appli- `.
quent sur la boule 9 créent un mouvement alternatif de celle-ci entre deux positions extrêrnes où la boule vient obturer l'entrée ~ .

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., , 93~13 de chacune des canalisations 10 le fluide ne pouvant s'achapper alors que par l'autre canalisation. Les forces agissant sur la boule 9 sont d'une part les forces hydrauliques exercées par l'écoulement, d'autre part la force de rappel du système a barre de torsion 12 et enfin la force centrifuge due au mouvement de ~ -l'outil. Si l'on suppose que la vitesse de rotation de l'outil ainsi que la pression et le débit du fluide de forage injecté dans la chambre 6 sont déterminés par les conditions dans lesquelles on effectue le forage, on peut déterminer la dimension de la boule 9 et du bras 11 ainsi que la rigidité de la barre de torsion 12 pour obtenir un mouvement d'oscillation de la boule 9 entre ses deux positions extrêmes à une fréquence déterminée. Le système est ainsi calculé de telle sorte que la boule, une fois déplacée de sa position d'équilibre, subit des forces tendant ~ amplifier le déplacement initial. Le mouvement de la boule est donc entretenu sans faire intervenir d'autres forces que celles liées au fluide de forage et à la rotation du trépan.
Le mouvement de la boule 9 coupe alternativement le débit d'alimentation des buses 8 de sorte que deux jets pulsés de fluide~sont envoyés sur le fond du puits 7. Le débit total de - fluide injecté par l~ensemble des deux buses 8 est pratiquement cons~
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ta~t quelle que soit la position de la boule. Le débit de chacune des buses ainsi que la pression du fluide injecté ont des valeurs instantanées variables entre la valeur nulle et une valeur maximale de telle sorte qu'au débit maximal sur une des buses correspond un débit nul sur l'autre buse et vice versa. L~injection de la boue de forage par jets puls~s qur le fond du puits 7 en deux points qui sont sensiblement diamétralement opposés à l'intérieur du puits provoque la fomation d'une turbulence importante au niveau de l'outil, c'est-à-dire à l'endroit où les débits de roche sont arrachés ce qui permet leur décollement de la surface du puits . , .
et leur entraînement par la boue de forage à la partie périphérique ~LO~9~L3 du puits entourant la colonne de forage. Le procédé de forage selon l'invention présente l'avantage par rapport aux proc~dés connus antérieurement, de créer une intense -turbulence au niveau où les débris sont arrachés par rencontre de deux jets pulsés contrariés, la vitesse d'entraînement des débris étant ainsi forte-ment augmentée. Le rendement de l'outil est ainsi considérablement amélioré.
D'autre part si la même pression motrice est conservée ~ ;.
dans l'espace 6, le débit moyen des buses n'est pratiquement pas ::
modifié car les buses 8 provoquent les pertes de charge les plus importantes lors de la circulation de la boue de forage.
Le dispositif puls~ur qui vient d'être décrit a d'autre part l'avantage de pouvoir être miniaturisé très facilement et sa disposition dans un outillage quelconque ne présente aucune ~ ~
difficulté si bien que la pulsation peut être produite au niveau ~ i , de l'outil lui-même.
On a représenté à la figure 3 un dispositi~ de pulsation différent de celui qui vient d'être décrit dans le cas de 1'outil -de ~orage représenté aux figures 1 et 2. La chambre 6 ménagée .. , i-, . à l'intérieur du corps de l'outil 1 est alors remplacée par une enceinte fermée 16 dont le fond est constitué par une surface cylindrique de roulement sur laquelle peut se déplacer une boule ~:
qui dans ses positions extr8mes vient obturer des canalisations 20 débouchant à l'intérieur de la chambre 16. Les canalisations 20 sont disposées en opposition sur deux faces opposées de la chambre 16. Si on associe-le pulseur repr~senté à la figure 3 à un outil de forage et qu'on fait arriver le fluide de forage par la partie supérieure de la chambre 16, la boule est soumise à un ensemble de for.ces d'origine hydraulique créées par le fluide en circulation entre l'entrée de la chambre 16 et les canalisations 20 ainsi qu'à son propre poids et accessoirement ~ la force centri~

fuge causée par la rotation de l'outil auquel est associé le dispo-. gitif pulseur.

~CÇ69~L~3 On peut calculer le système de telle sorte qu'il soit instable c'est-~-dire qu'un déplacement tendant à écarter la boule de sa position d'equilibre crée des forces qui augmentent ce dépla~ement. Ainsi la boule se d~place alternativement entre les deux positions de fermeture entraînant deux débits pulsatoires alternatifs par les buses 20. Le résuLtat du calcul donne une re lation entre le débit d'alimentation du pulseur, les section~ des canalisations ~0 et de la chambre 16 perpendiculaire ~ l'écoule-ment, la masse de la boule, les rayonq de la boule et de la partie cylindrique de la chambre 16 ainsi que les poids spécifiques du fluide de forage et de la matière constituant la boule. Etant donné un débit d'entrée du fluide forage, on peut donc déterminer ~-les dimensions de la partie cylindrique de la chambre et de la boule -pour obtenir un système instable. On peut également jouer sur les divers paramètres envisagés pour faire varier la fréquence de .
pulsation des jets de liquide sortant par les buses 20. Le dispo~
sitif représenté ~ la figure 3 a l'avantage de ne présenter aucune partie mécanique susceptible de se détériorer en cours de fonction-nement de longue durée et de pouvoir e~re réalisé dans des dimen-sions très divexses suivant l'utilisation à laquelle on destine ;~
ce pulseur. i Mais l'invention ne se limite pas aux exemples de réalisa-.~ ~
tions qui viennent d'être décrits, elle en comprend au contraire i toutes les variantes et l'on peut imaginer l'utilisation de moyens équivalents sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi que le dispositif dè pulsation peut être associé à des outils de forage quelle qu'en soit la structure, qu'il s'agisse de bicônes comme dans le cas de l'outillage qui vient d'être décrit ou de tricônes utilisés de facon classique dans le domaine du forage pétrolier. Lorsqu'on utilise un tricône de type courant, on place le pulseur sur l'alimentation de deux des trois buses associées aux molettes, la troisième étant obturée. On sait d'ailleurs que . "- ': ~ .
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dans le cas du forage avec un tr.icône, l'élimination des débris de forage s'effectue dans de meilleures conditions lorsqu'on utilise uniquement deux buses pour l'injection du fluide de forage.
On peut également imaginer l'utilisation de dispositifs pulseurs d'un type différent du pulseur à barre de torsion repré-senté aux figures 1 et 2 et du pulseur ~ gravité représenté à la figure 3, le rappel de la boule pouvant être effectué par tout `
moyen mécanique, hydraulique ou pneumatique.
Enfin, le procédé de forage selon l'invention s'applique aussi bien au cas de forage pétrolier à grande profondeur avec entraînement de.l'outil par une colonne de forage ou.par une turbine ou un moteur de fond qu'au forage réalisé dans les mines -. . .
ou sur les chantiers de travaux publics.

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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de forage de roches opérant par destruc-tion mécanique de la roche et utilisant une boue de forage sous pression en circulation pour la mise en mouvement et l'entraî-nement à l'extérieur du trou des débris de roche, caractérisé
par le fait que la boue de forage est envoyée sur le fond du trou sous forme de deux jets pulsés dont les débits instantanés varient de façon alternative entre une valeur maximale et la valeur nulle, le débit total étant pratiquement constant et les jets étant dirigés sur des zones diamétralement opposées du fond du trou pour la production d'une intense turbulence au niveau où les débris sont arrachés par rencontre de deux jets pulsés contraries.

2. Outil de forage de roches opérant par destruction mécanique de la roche et utilisant une boue de forage sous pression en circulation pour la mise en mouvement et l'entraî-nement à l'extérieur du trou des débris de roche, caractérisé
par le fait qu'il comporte des organes d'attaque de la roche et un corps renfermant une chambre de distribution en communi-cation avec une conduite d'amenée de la boue de forage et avec deux buses calibrées dirigées vers le front de taille lorsque l'outil est en service par l'intermédiaire de deux canalisa-tions dont les extrémités non reliées aux buses sont saillantes dans la chambre de distribution, cette chambre renfermant égale-ment une boule occupant une position dite d'équilibre en l'absence de toute force extérieure, laissant libres les extrémités saillantes des canalisations et mobiles entre deux positions extrêmes dans chacune desquelles la boule obture l'une des extrémités saillantes des canalisations, le système cons-titué par la boule et son dispositif de liaison avec le corps de l'outil étant instable lorsque la conduite d'amenée de la boue de forage est alimentée à son débit et à sa pression de service, la boule étant alors soumise à un ensemble de forces d'origine hydraulique et mécanique provoquant son mouvement alternatif entre les deux positions extrêmes.

3. Outil de forage selon la revendication 2, caracté-risé par le fait que la boule est reliée au corps de l'outil par l'intermédiaire d'un bras rigide fixé à la boule à l'une de ses extrémités et à une barre de torsion fixée au corps de l'outil dans la direction perpendiculaire au plan de symétrie des cana-lisations reliées aux buses, à son autre extrémité.

4. Outil de forage selon la revendication 3, caracté-risé par le fait que la boule est disposée dans une cuvette cylindrique étant perpendiculaire au plan de symétrie des cana-lisations liées aux buses.

5. Outil de forage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que les organes d'attaque de la roche sont formes par des cônes munis de dents et montes rotatifs autour d'axes inclines par rapport à la direction du forage.