CA2070684C

CA2070684C - Outil de forage destine a elargir un puits

Info

Publication number: CA2070684C
Application number: CA002070684A
Authority: CA
Inventors: Rene Deschutter
Original assignee: Diamant Boart Stratabit SA
Current assignee: Diamant Boart Stratabit SA
Priority date: 1989-12-19
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1999-12-07
Anticipated expiration: 2010-12-12
Also published as: RU2049214C1; NO922365L; WO1991009202A1; NO304280B1; EP0506689A1; BE1003903A3; DE69010012D1; US5341888A; CA2070684A1; NO922365D0; DE69010012T2; EP0506689B1

Abstract

L'outil de forage (1) destiné à élargir un puits de forage porte une série de bras hélicoïdaux (3) prenant appui à une première extrémité sur une première bride fixe (4), de manière à pouvoir tourner sur eux-même d'une portion de tour, sous la commande d'une bague rotative (9) entraînée par un mécanisme d'ouverture (10) commandé par une variation de pression du fluide de forage, tandis que l'autre extrémité du bras (3) coulisse le long d'une rainure (21) ménagée dans une seconde bride (5).

Description

2 PCT/BE90/00069 OUTIL DE FORAGE DESTINE A ELARGIR UN PUITS
La présente invention est relative à un outil de forage destiné à élargir un puits de forage, compre-nant un corps cylindriaue creux bordé à ses extrémi-tés d'une première et d'une seconde bride fixe, cha-s tune de ces brides étant pourvue de joints filetés en vue de son assemblage à un train âe tiges.
Un tel outil trouve son application dans l'élargissement différé dans le temps, de puits de forage existants ou au contraire, dans la réalisation immédiate de puits larges que l'on obtient en forant à l'aide d'un outil de forage classique à trépan ou à
tricône une ébauche de puits plus étroit qu'on élargit d'emblée en un puits de plus grand diamètre à .
l'aide d'un outil destiné à élargir un puits selon l'invention, que l'on combine à l'outil de forage classique susdit.
Un outil de forage destiné à élargir un puits peut également être utilisé en lieu et place d'un outil de forage excentrigue ou d'un outil de forage rétracta-ble. . .
L'élargisseur de fond de puits est prévu pour être introduit et descendu dans un puits foré à un diamètre initial jusqu'à une profondeur voulue, à
partir de laguelle les bras escamotables sont déployés pour élargir le puits.

Dans le domaine du forage, il y a souvent un intérêt technique et financier à avoir un puits de forage de diamètre important en zone productrice mais de diamètre restreint en surface, afin de pouvoir boucher l'orifice du puits plus facilement en cas d'irruption intempestive de pression.
On connaît par le brevet américain US-A-4589504 émis le 20 mai 1986 à Simpson, un outil pour élargir le fond d'un puits de forage. L'outil comprend un corps cylindrique entraîné en rotation par un train de tiges, une commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil et deux bras éclipsables. Le corps présente une cavité diamétrale le traversant de part en part. Dans cette cavité, les deux bras éclipsables, articulés dans un même plan longitudinal passant par l'axe de rotation du corps de l'outil, pivotent autour de pivots perpendiculaires à ce plan.
Au repos, les bras sont repliés à l'intérieur du corps d'outil. En position de service, les bras sont relevés latéralement à 45° de manière à présenter à
l'extrémité inférieure du bras une arête de coupe de forme déterminée, profilée de manière à obtenir un profil de trou (de préférence un profil courbe) pour lequel les forces verticales de réaction, exercées par le sol sur les bras, développent autour de l'axe de rotation du bras un moment de forces qui tend à maintenir le bras sorti et qui compense le moment de forces tendant à refermer le bras sous l'action des efforts latéraux horizontaux.
Dans ce dispositif, la lubrification de l'outil est assurée par un fluide de forage amené â partir de la surface du sol jusqu'à l'outil, à l'aide d'un conduit creusé â l'intérieur des tiges de forage. Le liquide de forage est amené au voisinage de l'outil WO 91/09202 . PCT/BE90/U0069

3 sous forme de jets produits par des gicleurs cali-brés, dirigés sur les arêtes de coupe.
L'ouverture des bras est commandée hydrauliquement à l'aide du liquide de forage, par augmentation du débit des pompes de fluide de forage. Dès que la pression hydraulique du fluide de forage est supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple 70 bars ou 7.106 Pa, l'effort exercé sur le piston est suffisant pour déplacer le piston à l'encontre d'un ressort vers une position inférieure stable. Le res-sort s'oppose au déplacement du piston sous l'effet àe la pression hydraulique et détermine une position d'équilibre. Le piston entraine une crémaillère qui engrène une portion de pignon assurant le relèvement des bras. La fermeture des bras se fait automatique-ment dès aue la pression hydraulique diminue par le fait que le ressort précomprimé assure la remontée du piston.
L'inconvénient de cet outil connu réside dans le fait qu'un effort important doit être transmis au bras pour lui permettre de s'écarter àu corps de l'outil. Cet effort est transmis au bras par l'intermédiaire d'une seule dent à un endroit entaillé gui affaiblit le bras. La mise en oeuvre de l'outil est tributaire de la destructabilité de la roche et de la tendance de l'outil à dévier de son axe. Un second inconvénient est la~forme irrégulière du puits élargi et l'imprécision du diamètre obtenu.
En outre, l'outil souffre d'un manque de stabilité
latérale et d'un manque de rigidité des bras.

3a La présente invention vise â remédier â ces inconvénients. Elle propose un outil de forage destiné à
élargir un puits de forage comprenant un corps cylindrique creux bordé à ses extrémités d'une première et d'une second bride fixe, une commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil et un bras, chaque bride étant pourvue de joints filetés en vue de son assemblage à un train de tiges, caractérisé en ce que ledit bras est courbe et prend appui à une première extrémité sur la premiëre bride fixe de manière à pouvoir tourner sur lui-même d'une fraction de tour autour d'un axe, sous la commande du mécanisme d'ouverture de l'outil, tandis que l'autre extrémité du bras coulisse le long d'un organe de guidage ménagé dans la seconde bride.
Ainsi, la présente invention propose un outil mécaniquement WO 91/09202 PCf/B E90/00069

4 2~'~~68~
robuste à bras interchangeables extensibles'résistant à l'usure et permettant un réglage en largeur précis àe l'outil. Elle est relative à un outil tel aue décrit dans le premier paragraphe du présent mémoire.
Cet outil est caractérisé en ce qu'il porte au moins un bras courbe prenant appui à une première extrémité
sur une bride fixe de manière à pouvoir tourner sur lui-même d'une fraction de tour autour d'un axe AA'd'un tëton parallèle, incliné ou gauche par rap-port à l'axe de rotation de l'outil, sous la commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil, tandis gue l'autre extrémité du bras coulisse le long d'un organe de guidage ménagé dans la seconde bride.
Selon une particularité de l'invention, l'organe de guidage de la seconde bride est centré autour de l'axe AA' susdit:
Suivant un développement particulier de l'inven tion, l'axe du tëton est parallèle'à l'axe de rota tion de l'outil et l'organe de, guidage de la seconde bride est ménagé en arc de cercle centré autour de l'axe A, A'.
' L'organe de guidage peut étre une rainure ménagée dans la bride.
La rainure ménagée en arc de cercle par rapport à
l'axe AA'présente un angle inscrit compris entre 2 et 90°, de préférence entre 20 et 60°.
Chaque bras courbe articulé prend appui à une première extrémité inférieure autour d'un premier téton solidaire de la première bride.

WO 91/09202 P~1'/BE90/00069 Selon une autre particularité de l'invention, deux à six bras sont répartis côte à côte à distance angulaire égale autour du noyau. Chaque bras de coupe a la forme d'une hélice à pas variable qui s'étale

5 sur un arc d'environ 200° autour du noyau.
Dans une deuxième forme de réalisation, la rainure de la seconde bride est ménagée radialement par rapport à l'axe de rotation àe l'outil.
Un mécanisme à'ouverture particulier~est constitué
à'un engrenage hélicoïdal dont le filet hélicoïdal présente un angle d'inclinaison compris entre 3 et 30° et qui engrène un pignon satellite à axe de rotation parallèle à celui àe l'outil.
Le pignon satellite entraine en rotation avantageusement une bague à denture extérieure qui engrène chaque bras et à denture intérieure sur la-quelle engrène le pignon satellite de l'outil.
Dans une forme de réalisation donnée à titre d'exemple, chaque bras de coupe se compose de trois narties .
- une zone inférieure de coupe apte à creuser un profil de fond de trou;
- une partie médiane dont tous les points sont équidistants de l'axe du puits de forage destiné à
stabiliser l'outil dans le trou, la forme préconisée étant celle des stabilisateurs. Elle consiste en des portions de droite ou d'hélice à
pas constant dont l'angle d'inclinaison atteint environ 35 ° , et en une partie vertiral.e garnie y ,. WO 91/09202 PC?/B E90/00069 '

6 ~Q l~~ô~
généralement d'un revëtement anti-usure;
- une partie supérieure àe àiamètre croissant àu haut en bas.
Ces particularités et détails de l'invention ainsi que d'autres ressortiront de la description d'une forme de réalisation particulière faisant rëférence aux dessins ci-joints, dans lesquels .
- la figure 1 est une vue schématique en élévation latérale d'un élargisseur de fond de puits à bras hélicoïdaux selon l'invention, en position re-pliée;
- la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'élargisseur de fond de puits illustré à la fi-gure 1, en position déployée;
- la figure 3 est une vue en coupe le long de la ligne II' de la figure 1;
- la figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne LL' de l'élargisseur de fond de puits illustré à la figure 1;
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale selon la ligne IV-IV' de la figure 4 d'une partie du corps de l'élargisseur en position déployée;
- la figure 6 est une vue en coupe transversale semblable à celle de la figure 4 d'une bride interchangeable pour puits de plus grand diamètre, destinée à être montée sur le méme.élargisseur de fond de puits que celui illustr_z à la figure 2, et

7 S
2p7~684 - la figure 7 est une coupe transversale du mécanisme d'ouverture actionnant les bras hélicoïdaux le lova àes rainures de la briàe , .
supérieure; et - la figure 8 est une vue en perspective d'un montage en duplex de l'élargisseur de fonds de puits.
Dans ces figures, les mêmes signes de référence désignent des éléments identiaues ou analogues.
Comme illustré à la figure 1, un outil de forage selon l'invention, désigné dans son ensemble par le signe de référence 1, comprend un corps cylindrique creux 2 délimité par une surface cylindrique bordée à
ses extrémités par des brides métalliques 4 et 5. Les brides servent de monture à une série de bras courbes 3 longeant la surface cylindrique. Les brides métal-liques 4, 5 sont solidaires du corps cylindrique 2 et sont pourvues de joints filetés 28 pour permettre 1°assemblage de l'outil 1 avec un train de tiges (non montré.) .
La série de bras courbes peut comprendre jusqu'à
huit bras, les bras sont répartis côte à côte à
distance angulaire égale. Chaque bras courbe a par exemple 1a forme d'une hélice à pas variable qui s'étale sur un arc d'environ 200°. autour du corps cylindrique. Les bras sont identiques 'mais sont gar-nis d'éléments coupants 6 répartis différemment et ils présentent un même diamètre d'hélice: ChaQUe bras hélicoîdal 3 a une section carrée ou rectangu-laire et est monté pivotant par rapport à un têton fixe 7 solidarisé à la bride fixe 4.

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8 Le premier téton fixe 7 est assujetti .dans un trou de fixation 32 de la bride fixe 4. La seconde extrémité du bras hélicoïdal est éloignée d'une dis-tance correspondant au diamètre d'hélice. Les bras 3 sont ajustables et peuvent s'écarter de la surface cylindrique par pivotement autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation de l'outil de forage 1. La position angulaire de chaque bras hélicoïdal 3 est commandée par déplacement angulaire d'une baQUe rota-tive 9 montée contre la seconde bride fixe supérieure 5 solidaire du bâti et entraînée par un mécanisme d'ouverture 10 de l'outil 1.
Le mécanisme d'ouverture comprend par exemple une came ou une bague rotative 9 présentant une denture intérieure 12 et sur des portions de contour extérieur, une denture extérieure 13 centrée sur l'axe de rotation LL' de l'outil (voir figures 3 et 4)~
La denture intérieure 12 engrène un pignon satel lite 14 à filet hélicoïdal dont l'axe .de rotation est parallèle à celui de l'outil. Le filet hélicoïdal du pignon satellite 14 présente un angle d'inclinaison compris entre 3 et 30°.
Chaque denture extérieure de la bague 9 engrène l'extrémité supérieure de chaque bras 3 et oblige celui-ci à tourner sur lui-même d'une portion de tour autour de l'axe AA', parallèle à l'axe de rotation LL' (figure 1).
Le déplacement angulaire de la seconde extrémité
du bras solidarisé avec la seconde brida 5 par un second téton 8 pouvant coulisser le long d'une rai-

9 pure 21 ménagée en arc de cercle dans la. seconàe bride 5, modifie l'orientation de la courbure de l'hélice du bras, de manière au'une portion de courbe déborde àu corps cylindrique 2 de l'outil et forme une arète àe coupe 15 de longueur croissante par , laquelle le bras hélicoïdal 3 attaque et élargit progressivement la paroi du trou initial (figure 5).
Le déplacement angulaire àe la bague 9 est obtenu à l'aiàe àu pignon satellite 14 monté sur un axe parallèle à celui de l'outil. Le pignon satellite 14 est entraïné en rotation par un piston non rotatif 16 déplaçant une tige 36 pourvue d'un engrenage héli-coïàal 17. Le piston 16 se àéplace parallèlement à
lui-mème sous l'action d'une augmentation àe pression hydraulique et force le filet hélicoïdal 17 de la tige 36 du piston 16, qui présente un angle d'incli- , naison compris entre 3° et 30°, à descendre sans w tourner. Le pignon 14 engrène la denture intérieure d'une bague centrée sur l'axe de rotation de l'outil et provoque la rotation de la bague qui entraîne le téton 8 du bras 3. manté dans un trou ménagé dans la bague, à coulisser le long àe la rainure courbe 21 (voir figures 4 et 6.) ' La longueur de l'arête de coupe 15 donne une mesure des performances de l'outil et détermine entre autres la vitesse de coupe et la longévité de l'outil.
Par rapport aux systèmes connus, qui mettent en oeuvre des bras latéraux de largeur restreinte, l'ou-til de forage selon l'invention possède une arête de coupe au moins trois à cinq fois plus longue que celle formF~e par un rebord d'extrémité d'un bras WO 91/09202 ~ PC'T/BE90/00069 ~Q~~3684 latéral en extension latérale. Dans l'outi~ suivant l'invention, l'arête àe coupe est formée par la portion utile du bras hélicoïdal 3 dégagée au-àelà du diamètre initial par le pivotement du bras hélico~dal 5 d'une fraction de tour sur lui-même.
L'augmentation du diamètre de l'outil de forage est fixée par le positionnement des premier et second tétons 7 et 8 aux extrémités inférieure et supérieure -

10 des bras 3 et la longueur de la rainure 21 de la bride 5. Cette rainure 21 en arc àe cercle présente un angle inscrit compris entre 2 et 120°.
L'outil permet d'agrandir jusqu'à deux fois et demi le diamètre initial avec un gain de précision sur le diamètre formé, alors que les systèmes connus ne permettent qu'une augmentation de diamètre semblable mais sont peu précis.
Les brides sont montées de manière amovible. Blles peuvent ëtre remplacées par une paire de brides de diamètres croissants dans lesguelles sont ménagées des rainures 21 de courbure et d'angle d'ouverture '' différents, de manière à attribuer à l'outil àe fo-rage un diamètre pouvant varier dans des plages de valeurs distinctes.
Ce mécanisme d'ouverture de l'outil permet de quantifier l'accroissement du diamètre du fond du puits en contrôlant la position angulaire des bras hélicoïdaux 3 (voir figure 2).
Dans un mode d'exécution exemplaire,, les bras de coupe 3 ont une forme courbe composée àe trois parties .

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11 1) une partie inférieure àe coupe 18 présentant une arête coupante 15 définie par le lieu des points d'intersection du profil de fond de trou et de la portion de cylindre centré sur l'axe AA' engendrée par la rainure 21;
2) ûne partie médiane 19 dont tous les points sont éguidistants de l'axe LL' du puits de forage. I1 s'agit avantageusement à'une section àroite ou d'une hélice à pas constant àont l'angle d'incli-naison peut atteindre environ 35°, La partie mè-àiane 19 s'inscrit pour toute sa hauteur dans une circonférence dont le diamètre correspond au puits élargi. La partie méàiane 19 empêche ou limite tout mouvement transversal àe l'outil élargisseur par rapport à l'axe àu puits comme le ferait un stabilisateur de diamètre adéauat;
3) une partie supérieure 22 ayant un diamètre crois-sant de haut en bas apte de manière à forer vers le haut, de manière à pouvoir remonter l'outil en cas de coincement ou de déviation.
La partie inférieure l8 est judicieusement garnie d'éléments coupants 6 échelonnés le long de chacune des arêtes coupantes 15 selon le critère bien précis de densité radiale, de manière crue l'ensemble des éléments recouvre complètement le'fond du puits et que chacun d'eux recouvre partiellement le sillage d'un élément précédent.
Un canal central 23 ménagé dans le corps cylindriaue 2 creux et prolongé par des canaux transversaux et longitudinaux 24, 25 ménagés dans les brides 4, 5 et les bras 3 conduisent le fluide de WO 9i/09202 PCT/B E90/OOOb9

12 ~~'~0684 forage sous pression dans des ajutages 26 fixés aux-dites brides ~', 5 et bras 3 reliés entre eux par des joints étanches 27. Les ajutages 26 âe chaque bras 3 sont fixes sur une face latérale 33 du bras et sont dirigés vers les éléments de coupe des bras voisins.
Le diamètre intérieur du corps cylindrigue 2 est choisi de manière à assurer au débit des boues de forage une vitesse d'écoulement de 10 à 15 m/s.
La monture cylindrique est agencée àe manière à
permettre un démontage aisé non seulement àes bras courbes 3 mais aussi àes brides 4, 5. Les bras 3 constituent alors des pièces d'usure. Les brides interchangeables aue l'on choisit judicieusement dans un jeu de paires de brides de diamètres croissants dans lesquelles sont ménagëes des trous de fixation 32 ét des rainures 21 de courbure et d'angle d'ouver-ture différents, attribuent à l'outil de forage une flexibilité accrue, puisque à chaque paire de brides 4, 5 correspond un diamètre nominal qui peut varier dans une plage de valeurs distincte dépendant de la longueur de la rainure de la seconde briàe 5.
Les bras courbes 3 peuvent étre utilisés inàiffé-remment avec chaque paire de brides 4, 5 pour toute une gamme de largeurs de puits de forage.
La figure 7 illustre un montage en duplex 28 de deux outils élargisseurs 1 selon l'invention, séparés par une masse-tige 29. Le premier ou~il est précédé
d'un outil de forage, par exemple un trépan à pierres serties 30, une couronne de sondage ou un tricône.

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13 207a~8~
Sous réserve de certains modifications,. l'outil selon l'invention constitue un stabilisateur de diamètre réglable qui permet d'assurer une stabilisation précise et/ou sensible àu _puits foré.
T_1 peut aussi être utilisé comme appareil de mesure, de calibrage ou de palpage des parois du puits.

Claims

REVENDICATIONS

1. Outil de forage destiné à élargir un puits de forage comprenant un corps cylindrique creux bordé à ses extrémités d'une première et d'une second bride fixe, une commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil et un bras, chaque bride étant pourvue de joints filetés en vue de son assemblage à un train de tiges, caractérisé en ce que ledit bras est courbe et prend appui à une première extrémité sur la première bride fixe de manière à pouvoir tourner sur lui-même d'une fraction de tour autour d'un axe, sous la commande du mécanisme d'ouverture de l'outil, tandis que l'autre extrémité du bras coulisse le long d'un organe de guidage ménagé dans la seconde bride.

2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de guidage de la seconde bride attribue à
l'extrémité inférieure du bras courbe une trajectoire circonférentielle centrée autour de l'axe susdit.

3. Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe susdit est parallèle à un axe de rotation de l'outil et en ce que l'organe de guidage de la seconde bride est une rainure ménagée en arc de cercle centré
autour de l'axe susdit.

4. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première bride est la bride inférieure et la seconde bride, la bride supérieure.

5. Outil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la rainure ménagée en arc de cercle par rapport à l'axe susdit présente un angle inscrit compris entre 2 et 90° et plus particulièrement entre 20 et 60°.

6. Outil selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque bras courbe articulé prend appui à une première extrémité inférieure autour d'un premier têton solidaire d'une première bride.

7. Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux à six bras répartis côte à côte à
distance angulaire égale autour du corps cylindrique creux.

8. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bras courbe a la forme d'une hélice à pas variable qui s'étale sur un arc d'environ 200° autour du corps cylindrique.

9. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras sont interchangeables.

10. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brides appartiennent à un jeu de paires de brides de diamètres croissants dans lesquelles sont ménagées des rainures de courbure et d'angle d'ouverture différents, de manière à
attribuer à l'outil de forage un diamètre pouvant varier dans des plages de valeurs distinctes.

11. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mécanisme d'ouverture est constitué d'un engrenage hélicoïdal dont le filet hélicoïdal présente un angle d'inclinaison compris entre 3° et 30° engrènant un pignon satellite à
axe de rotation parallèle à celui de l'outil.

12. Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le pignon satellite entraîne en rotation une bague présentant une denture extérieure qui engrène chaque bras, et une denture intérieure qui engrène le pignon satellite centré sur l'axe de rotation susdit de l'outil.

13. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bras de coupe se compose de trois parties:
- une zone inférieure de coupe apte à creuser un profil de fond de trou, laquelle zone est garnie d'élément coupants;
- un partie médiane dont tous les points sont équidistants de l'axe du puits de forage destiné à
stabiliser l'outil dans le trou, la forme préconisée étant celle des stabilisateurs et consistant en des portions de droites ou en une hélice à pas constant dont l'angle d'inclinaison atteint environ 35°, et une partie verticale garnie généralement d'un revêtement anti-usure; et - une partie supérieure de diamètre croissant, de haut en bas.

14. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps cylindrique creux livre passage à un fluide de forage, le diamètre intérieur du corps cylindrique creux étant déterminé par le débit de boue de forage de manière à limiter le débit à
une vitesse d'écoulement de 10 à 15 m/s.

15. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à
12, caractérisé en ce que la second bride comporte des moyens pour mesurer le déplacement d'au moins un bras le long de l'organe de guidage.

16. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à
12, caractérisé en ce que chacun des bras comporte une portion verticale.

17. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras présentent des ajutages sur au moins une de leurs faces latérales.