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Raccord coude a angle variable pour forages diriges.
CH630700A5
Switzerland
- Other languages
English - Inventor
Jean-Paul Nguyen Emmanuel Laval Andre Cendre
Worldwide applications
Application CH646579A events
1978-07-24
1979-04-06
1979-04-06
1982-06-30
Description
translated from
La présente invention se rapporte à un dispositif généralement appelé raccord coudé, interposé entre la colonne de forage et un moteur de fond entraînant un trépan en rotation, ce raccord permettant de modifier la trajectoire du forage.
Plusieurs méthodes et dispositifs ont été proposés par le passé pour réaliser des forages dirigés.
Selon le brevet US N° 3365007, on utilise l'action d'un jet de fluide convenablement orienté pour détruire localement les formations et créer une cavité vers laquelle le trépan sera entraîné. Il est aisé de comprendre qu'un tel dispositif est peu précis, car l'action du jet, et donc la déviation obtenue, sera différente suivant la dureté des formations géologiques. De plus, il est nécessaire d'utiliser un trépan particulier pourvu d'une buse par où s'échappera le jet de fluide.
Selon un autre procédé décrit par exemple dans le brevet britannique N° 1139908, dans les brevets US Nos 3593810, 3888319 et 4040494 ou dans le brevet français N° 2297989, on utilise un dispositif déviateur, enveloppant une portion de la garniture de forage le plus souvent au voisinage du trépan. Ce dispositif déviateur est pourvu de doigts déplaçables radialement par rapport à l'axe de garniture. En déplaçant judicieusement ces doigts qui prennent appui contre la paroi du puits foré, on provoque un décentrement de l'axe du trépan par rapport à l'axe du puits, et donc une modification de la trajectoire du forage. Avec de tels dispositifs, l'avancement du forage est discontinu et s'effectue par passes successives entre lesquelles le forage est arrêté pour permettre le déplacement du dispositif déviateur. Il s'ensuit des pertes de temps considérables qui augmentent le coût d'une opération de forage.
Avec la technique actuelle de forage mettant en œuvre un moteur de fond, on a proposé d'interposer entre la colonne de forage et ce que l'on appelle la tête de forage (ensemble comportant le trépan et le moteur de fond) un raccord coudé d'angle déterminé. Ainsi, chaque fois que l'on désire modifier la trajectoire du forage, il est nécessaire de remonter toute la colonne de forage en surface pour adapter un nouveau raccord coudé dont l'angle est choisi en fonction de la déviation désirée.
De nouveaux raccords coudés, dits articulés, ont été proposés. Ils sont du type de celui décrit dans le brevet français N° 1252703 ou mentionné dans le brevet français N° 2175620. Ces raccords se composent généralement de deux parties tubulaires articulées entre elles et ne pouvant avoir que deux positions l'une par rapport à l'autre. Dans la première position, les deux parties du raccord sont alignées (l'angle du raccord est alors nul), tandis que, dans la seconde position, les deux parties du raccord font entre elles un angle de valeur déterminée. Tout comme pour les raccords coudés du type précédent, il est nécessaire de remonter en surface au moins un élément constitutif du raccord lorsque la déviation désirée n'est pas compatible avec l'angle que peuvent former entre elles les deux parties du raccord.
L'invention a pour but de fournir un raccord coudé ne présentant pas les inconvénients des dispositifs antérieurs. A cet effet, le raccord coudé selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1.
L'invention pourra être bien comprise et tous les avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée, à titre d'exemple, par les figures annexées parmi lesquelles:
la fig. 1 illustre schématiquement le principe du raccord coudé selon l'invention,
la fig. 2 représente, en coupe axiale, un premier mode de réalisation de l'invention,
la fig. 3 montre, vue en perspective, une portion de la rainure de guidage,
la fig. 4 est une vue développée de la rainure de guidage,
la fig. 5 illustre des moyens auxiliaires de verrouillage en rotation des éléments du raccord coudé,
la fig. 6 illustre le fonctionnement de ces moyens auxiliaires de verrouillage,
les fig. 7A et 7B représentent un second mode de réalisation de l'invention,
la fig. 8 montre un exemple de réalisation des moyens de détection du déplacement de l'arbre de liaison,
les fig. 9 et 10 montrent la bague de verrouillage coopérant avec la rainure de guidage,
les fig. 11A à 11E indiquent le fonctionnement de la bague de verrouillage,
la fig. 12 représente des moyens créant une perte de charge déterminée dans l'écoulement du fluide de forage,
les fig. 13A et 13B représentent un troisième mode de réalisation de l'invention, et la fig. 14 représente, à plus grande échelle, le mécanisme de commande représenté sur la fig. 13 A.
La fig. 1 montre schématiquement le principe du raccord coudé selon la présente invention.
Ce raccord se compose de deux corps tubulaires 1 et 2 reliés entre eux par un élément d'emboîtement 2a d'axe A et solidaire, par exemple, du corps 2. L'axe X'X du corps tubulaire 1, l'axe Y'Y du corps tubulaire 2 et l'axe A concourent en un même point 0.
Les angles (A, X'X) et (A, Y'Y) formés par l'axe A et les axes X'X et Y'Y respectivement ont même valeur a. La rotation continue du corps 2 autour de l'axe A permet de faire varier l'angle délimité par les axes X'X et Y'Y entre une valeur maximale 2a (position du corps 2 représentée en trait continu) et une valeur nulle (position du corps 2 représentée en trait interrompu).
La valeur a est choisie en fonction de la valeur maximale de l'angle que l'on désire donner au raccord coudé selon l'invention. La rotation du corps 2 autour de l'axe A pourra être réalisée de manière continue, ce qui permet de régler l'angle (X'X, Y'Y) à une valeur désirée comprise entre 0 et 2a, mais cette rotation peut aussi s'effectuer pas à pas, deux positions successives correspondant à une rotation 9- du corps 2 autour de l'axe A, telle que
2lZ
e =
n n étant un nombre entier choisi de façon à obtenir n valeurs intéressantes de l'angle du raccord, de préférence l'une des n positions relatives des deux corps correspondant à une valeur nulle de l'angle (X'X, Y'Y).
En prenant pour référence la position d'alignement des deux corps tubulaires 1 et 2, l'angle <p formé par les axes de ces deux corps est déterminé par la formule :
0
cos <p = 1 —2 sin2 a • sin2 —.
2
La fig. 2 représente, en coupe, un premier mode de réalisation du raccord coudé selon l'invention dans la position où les axes des deux corps tubulaires sont confondus.
Le corps tubulaire 1 qui est, par exemple, constitué de plusieurs éléments la, lb réunis bout à bout, est relié à la garniture de forage 3 par un filetage 4. Le corps 2, composé de plusieurs éléments 2b, 2c, est vissé sur un moteur de fond 5 tel qu'une turbine, un moteur volumétrique ou électrique, par un filetage 6.
L'extrémité supérieure du corps 2 porte un élément d'emboîtement 2a complémentaire d'un alésage 11 usiné à la partie inférieure du corps 1. L'emboîtement 2a d'axe A est réalisé de telle sorte que l'axe A et les axes de chacun des corps 1 et 2 concourent en un même point 0.
Les corps tubulaires 1 et 2 sont maintenus dans leur position d'emboîtement par une butée 14 supportant les efforts axiaux appliqués au raccord lors de son utilisation. Le centrage de l'élément
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2a dans l'alésage 11 est assuré par des roulements tels que ceux schématisés en 15,16 et 17 qui permettent la rotation relative des deux corps tubulaires. Unjoint 18 assure l'étanchéité.
Un arbre tubulaire de liaison 20, dont l'axe ? est confondu avec l'axe A, a pour fonction de solidariser en rotation les corps 1 et 2 lorsqu'il est dans la position représentée sur la fig. 2 (position haute) et de faire tourner le corps 2 autour de l'axe A d'un angle '} chaque fois qu'il s'écarte de cette position.
L'arbre 20 comporte quatre zones fonctionnelles différentes:
1. Le long de la zone A, l'arbre 20 porte des cannelures 22 qui coopèrent avec des cannelures complémentaires 21 usinées dans l'alésage du corps 1 pour lier en rotation le corps 1 et l'arbre 20 tout en permettant un déplacement axial de ce dernier.
2. Le long de la zone B, l'arbre 20 porte une rainure de guidage profilée 28 (cf. fig. 3) qui coopère avec au moins un doigt de guidage 26 porté par le corps 2. Ce doigt est rétractable radialement dans la paroi du corps 2, contre l'action de ressorts de rappel qui le maintiennent en permanence en contact avec le fond de la rainure 28 dont la profondeur varie, comme le montre la fig. 3. Rainure et doigt de guidage assurent la rotation du corps 2 lorsque l'arbre 20 est éloigné de sa position haute.
3. Le long de la zone C, l'arbre 20 porte des cannelures 23 (n dents ou multiples de n), tandis que l'alésage du corps 2 porte des cannelures complémentaires 24. Les cannelures 23 et 24 lient en rotation les corps 1 et 2 lorsque l'arbre 20 est dans sa position haute.
4. Dans la zone D est situé un mécanisme télécommandé assurant le déplacement axial de l'arbre 20 par rapport au corps 1. Ce mécanisme assure par exemple l'obturation du passage du fluide de forage à travers l'alésage de l'arbre 20.
Des joints 19 assurent l'étanchéité entre le fluide de circulation et le mécanisme intérieur.
Dans la tête 20a formant piston de l'arbre 20, l'alésage intérieur 20b de l'arbre 20 pour le passage du fluide se divise en plusieurs canaux périphériques 20c. Sur le piston 20a est monté rotatif un disque (ou plaque circulaire) 78 possédant les mêmes passages et pouvant tourner d'un certain angle par rapport à ce piston afin d'obturer partiellement ou totalement lès orifices des canaux 20c de passage du fluide de forage. Cette rotation est obtenue par une tige de commande 79, de section plate au niveau du disque 78 et passant au travers de celui-ci par une fente. La tige 79 est guidée par un palier . 80 et est entraînée en rotation par un électro-aimant rotatif 81 ou par un autre moyen électromagnétique. La liaison électrique avec la surface se fait par l'intermédiaire d'une fiche axiale 82.
83 est un clapet taré à la pression nécessaire pour obtenir la poussée sur le piston 20a, comme expliqué ci-dessous.
84 est une butée annulaire limitant la remontée de l'arbre 20 sous l'action du ressort 25, s'appuyant sur la bague 85.
Ce ressort de rappel 25 repousse vers le haut l'arbre 20 une fois la rotation ô- obtenue.
Le fonctionnement de ce dispositif est indiqué ci-après.
Il s'agit d'un fonctionnement pas à pas. Le pas correspond à une rotation
27t e
n du corps 2 autour de l'axe A.
Lorsqu'on a effectué une rotation de n pas, on a fait un tour complet et on est revenu au point de départ.
1. Le forage ayant atteint la profondeur à laquelle on désire modifier l'angle du raccord coudé, on arrête la circulation du fluide de forage, on décolle l'outil de forage du front de taille.
2. On active l'électromécanisme 81 pour faire pivoter le disque 78 et obturer les passages du fluide dans la tête 20a formant piston de l'arbre 20.
3. On rétablit la circulation du fluide de forage.
4. Le piston 20a qui est soumis à la pression du fluide de forage déplace axialement l'arbre 20 vers le bas de la fig. 2. La position du doigt de guidage 26 par rapport à la rainure 28 est modifiée. Le doigt 26 passe de la position 26a à la position 26b (fig. 4) dans laquelle les cannelures 23 et 24 étant dégagées les unes des autres, les corps 1 et 2 ne sont plus liés en rotation.
5. La poursuite du déplacement axial de l'arbre 20 provoque la rotation du corps 2, le doigt 26 décrivant la portion inclinée 28a de la rainure pour atteindre la position 26c, après une rotation ». Le piston 20a découvre la soupape tarée 83 qui limite la pression du fluide de forage au-dessus du piston, avertissant en surface que l'arbre 20 a décrit toute sa course.
Le disque 78 a gardé sa position d'obturation des canaux 20c tout au long du déplacement de l'arbre 20 grâce à une longueur suffisante de la tige de commande 79 le long de laquelle coulisse la fente du disque 78.
6. La circulation du fluide est à nouveau interrompue.
7. On arrête l'activation de l'électromécanisme 81. Par un moyen de rappel mécanique, non représenté, la tige 79 revient dans sa partie initiale, entraînant le disque 78 qui découvre les canaux 20c.
8. Le ressort de rappel 25 repousse l'arbre 20 vers sa position initiale. Le doigt 26 qui décrit une portion de rainure 28b parallèle à l'axe de l'arbre 20 atteint tout d'abord la position 26b' (fig. 4).
9. Dans la dernière partie du mouvement de translation de l'arbre 20, faisant passer le doigt 26 de la position 26b' à la position 26a', les cannelures 23 de l'arbre 20 coopèrent avec les cannelures 24 du corps 2 pour lier à nouveau en rotation les corps tubulaires 1 et 2.
Une nouvelle rotation peut être obtenue en répétant le cycle opératoire décrit ci-dessus. Il faut alors noter que le doigt de guidage 26 occupera alors les positions 26a' et 26b' puis, du fait des différences de profondeur dans la rainure 28, s'engagera automatiquement dans une nouvelle portion 28a'.
Pour s'assurer que le passage de la position 26c à la position 26a' s'effectue correctement, on peut utiliser un dispositif de verrouillage qui lie en rotation les corps 1 et 2 lorsque l'arbre 20 se déplace sous l'action du ressort 25 et qui est mis hors service dès que les cannelures
23 coopèrent avec les cannelures 24.
Cela peut être par exemple réalisé, comme illustré sur la fig. 5, par au moins un goujon de verrouillage 87 porté par le corps 1 et maintenu en position par un système de verrouillage à billes 88. Dans le corps 2, et coaxialement au goujon 87, est usiné un conduit 89 de même diamètre que le goujon 87. Ce produit est disposé de telle sorte qu'il débouche dans l'espace libre limité entre deux cannelures consécutives 24 du corps 2. A l'intérieur de ce conduit est logée une tige de rappel 90 de même longueur que le conduit 89.
A la fin de la rotation du corps 2, un déplacement axial supplémentaire de l'arbre 20 fait passer le doigt 26 de la position 26c à la position 26c' (fig. 6). Pendant ce déplacement, le piston 20a prend appui sur le goujon 87 et le repousse partiellement dans le conduit 89, l'extrémité de la tige 90 se logeant entre deux cannelures
24 du corps 2. Le goujon 87, immobilisé dans cette position par l'organe de verrouillage 88, solidarise en rotation les corps 1 et 2.
Lors du retour en position haute de l'arbre 20, le doigt 26 ne peut alors décrire que la portion 28b de la ramure 28 (fig. 6). Le réengagement des cannelures 23 dans les cannelures 24 repousse la tige 90, et le goujon 87 reprend sa position initiale.
Les fig. 7A et 7B représentent, en coupe, un autre mode de réalisation du raccord coudé selon l'invention qui diffère de celui décrit précédemment par le mécanisme télécommandé assurant le déplacement de l'arbre 20 et par le dispositif de verrouillage.
Dans ce cas, l'extrémité inférieure de l'arbre 20 est prolongée par un piston inférieur creux 27 pouvant coulisser, contre l'action du ressort 25, dans l'alésage 29 du corps 2, l'axe de cet alésage étant confondu avec l'axe A. Des joints 30 assurent l'étanchéité entre le piston 27 et l'alésage 29. L'extrémité supérieure de l'arbre 20 est prolongée par un piston creux 31 qui coulisse dans l'alésage 32 du corps 1, l'axe de cet alésage étant confondu avec l'.axe A.
Le diamètre extérieur 27 est supérieur à celui du piston supérieur 31.
Les alésages 29 et 32, les pistons 27 et 31 de l'arbre 20 délimitent entre eux un espace annulaire étanche 34.
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Dans la partie supérieure de l'alésage du corps 1 est placé un réservoir 35 contenant un fluide hydraulique tel que de l'huile. Ce réservoir est constitué d'une paroi 36 dont une portion au moins est déformable et réalisée, par exemple, en néoprène. Ce réservoir est logé dans une enceinte rigide de protection 37 dont la paroi est munie d'orifices 38 de sorte que le fluide de forage qui circule dans le raccord coudé exerce sa pression sur la paroi 36 du réservoir 35. Un conduit 39 prévu dans le corps 1 met en communication l'espace 34 et le réservoir 35 à travers une vanne 70 ayant une position d'ouverture et une position de fermeture. La position de cette vanne, qui est par exemple une électrovanne, est commandée depuis la surface, comme il est indiqué plus loin.
Un élément 40, adapté à créer une perte de charge dans l'écoulement du fluide de forage, est placé en amont du piston 27.
Plus précisément, cet organe est placé à un niveau intermédiaire situé entre celui de l'espace 34 et celui du réservoir 35. Dans le cas illustré par les figures, cet organe 40 est placé dans l'alésage du corps 1, mais on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en plaçant cet organe 40 dans l'alésage de l'arbre creux 20.
Un compensateur, désigné dans son ensemble par la référence 41, permet, d'une part, de maintenir la pression du fluide qui remplit l'espace confiné 34 à une valeur sensiblement égale à la valeur de la pression régnant dans l'alésage du corps 2 lorsque la vanne 70 est fermée et permet, d'autre part, de compenser les fuites hydrauliques.
Ce compensateur comporte une membrane souple 42 qui détermine avec l'alésage du corps 1 un espace annulaire 43 qui communique par des orifices 44 avec le conduit 39. Cette membrane délimite avec le corps 45 du compensateur 41 un espace qui communique par des orifices 46 avec l'intérieur du raccord coudé, en aval de l'élément 40, créant la perte de charge en considérant le sens d'écoulement du fluide de forage.
Les signaux de commande de l'électrovanne 70 sont transmis depuis la surface par un câble ou ligne 47 qui peut être placé dans l'alésage de la garniture de forage 3, ou intégré à la structure de cette garniture. Un connecteur électrique 48 pouvant être de tout type connu assure la liaison électrique entre le câble 47 et l'électrovanne 70.
Des moyens de repérage de la position relative des deux corps 1 et 2 composant le raccord peuvent être prévus. Ces moyens sont, par exemple, constitués d'une pièce magnétique telle qu'un aimant permanent 49, fixée à l'extrémité 2a du raccord 2, et d'un ensemble d'interrupteurs 50 solidaires du corps 1. Ces interrupteurs seront par exemple du type interrupteur à lame souple commercialisé par Radiotechnique sous la référence R 122. A chaque position du corps 2, l'aimant 49 actionne un seul des interrupteurs 50. Le repérage de cet interrupteur indique la position relative des corps 1 et 2. A cette fin, ces interrupteurs sont reliés à la surface, par exemple par des conducteurs électriques 51, le connecteur électrique 48 et le câble 47.
Le fonctionnement du raccord coudé est décrit ci-dessus en se référant aux figures et en supposant qu'initialement les corps 1 et 2 sont alignés. Le raccord est dans la position représentée sur les fig. 7A et 7B, et l'électrovanne 70 est fermée.
Le fluide de forage circule dans le sens indiqué par les flèches pour alimenter le moteur de fond 5 lorsque celui-ci est, par exemple, une turbine et pour irriguer l'outil de forage (non représenté). La pression du fluide hydraulique remplissant le réservoir 35 a une valeur Pi égale à la pression du fluide de forage alimentant le raccord coudé. L'élément 40 crée dans l'écoulement du fluide de forage une perte de charge AP. La pression P2 en aval de l'élément 40 est inférieure à la valeur Pj et égale à:
P2 = P, - AP.
La pression du fluide hydraulique remplissant l'espace annulaire 34 défini plus haut est maintenue par le compensateur 41 à une valeur sensiblement égale à P2. Le ressort taré 25 maintient alors l'arbre 20 dans la position haute représentée sur la fig. 7B. Le doigt de guidage 26 est dans la position 26a représentée sur la fig. 4.
Pour modifier le réglage de l'angle du raccord coudé, la circulation du fluide de forage étant maintenue, on transmet depuis la surface un signal de commande, par l'intermédiaire du câble 47. Ce signal provoque l'ouverture de la vanne 70 qui met en communication le réservoir 35 et l'espace 34 par l'intermédiaire du conduit 39. Le fluide hydraulique de l'espace 34, qui est alors à la pression Pl5 agit sur le piston inférieur 27 et le déplace contre l'action du ressort 25, l'espace 34 étant alimenté par le réservoir 35. Le doigt de guidage atteint tout d'sbord la position 26b (fig. 4); les cannelures 23 de l'arbre et celles 24 du corps 2 sont dégagées les unes des autres. Le déplacement du piston inférieur 27 se poursuit. Le doigt de guidage 26 passe de la position 26b à la position 26c en provoquant la rotation du corps 2 autour de l'axe A d'un angle
27t
0 = .
n
Lorsque le doigt 26 est dans la position 26c, un dispositif de contrôle, tel qu'un contact électrique non représenté, transmet l'information en surface. Les moyens de repérage 50 pourront éventuellement constituer ce dispositif de contrôle.
On arrête la circulation du fluide de forage. La valeur de la pression du fluide hydraulique dans le réservoir 35 et dans l'espace 34 devient alors sensiblement égale à la valeur de la pression du fluide de forage dans le corps tubulaire 2. Le ressort taré 25 repousse l'arbre 20 vers le haut de la fig. 7B en refoulant le fluide hydraulique dans le réservoir 35. Le doigt 26 atteint tout d'abord la position 26b' puis la position 26a' pour laquelle le corps 2 et l'arbre 20 sont à nouveau liés en rotation. On ferme alors la vanne 70.
Ces opérations peuvent être répétées jusqu'à ce que l'angle du raccord ait atteint la valeur désirée.
La vanne 70 étant fermée, l'opération de forage peut être reprise en rétablissant la circulation du fluide de forage.
La fig. 8 représente un autre mode de réalisation des moyens indiquant l'arrivée du doigt 26 dans la position 26c.
Selon ce mode de réalisation, le piston inférieur 27 met en communication l'alésage de l'arbre 20 et l'arbre 29 du corps 2 par un conduit axial 7 et un ou plusieurs conduits latéraux 8. De plus, l'alésage est pourvu d'un épaulement 9 qui, dans la position basse du piston 27 (représentée en trait interrompu sur la fig. 8), obture les conduits latéraux 8. Ainsi, lorsque le piston 27 atteint l'épaulement 9, il se crée dans l'écoulement du fluide de forage une variation des conditions d'écoulement qui peut être détectée en surface.
Un autre mode de réalisation des moyens de verrouillage des corps 1 et 2, lorsque le piston 20 est dans sa position basse, est représenté par les fig. 9 à 11E. Ces moyens de verrouillage comportent une bague ou fourreau 52 enveloppant la rainure de guidage 28 (fig. 9). Cette bague porte au moins une rainure 53 recevant le doigt de guidage 26. Cette rainure est représentée en vue développée sur la fig. 10. A chacune de ses extrémités, le fourreau est pourvu de dents 54 et 55 destinées à coopérer avec des dents 56 et 57 de l'arbre 20. Un ressort 58 interposé entre l'arbre 20 et le fourreau 52 tend à déplacer ce dernier pour engager les dents 54 et 56.
Le fonctionnement est illustré par les fig. 11A à 11E. Sur ces figures schématiques, la rainure 53 a été représentée par une surface hachurée pour une meilleure compréhension du dessin.
Pendant l'opération de forage, le fourreau est dans la position illustrée par la fig. 11 A, les dents 55 et 57 étant engagées pour lier en rotation le fourreau 52 et l'arbre 20. Lors du déplacement axial de l'arbre 20, les positions relatives des rainures 28 et 53 sont successivement celles représentées par la fig. 11B pour laquelle les dents 55 et 57 sont dégagées les unes des autres, puis par la fig. 11C pour laquelle, sous l'action du ressort 58 et après rotation du fourreau 52, entraîné par le doigt de guidage 26, les dents 54 et 56 immobilisent en rotation l'arbre 20 et le fourreau 52. Dans ces conditions, un déplacement axial en sens inverse de l'arbre 20 s'effectue sans rotation possible par rapport au doigt de guidage 26 (fig. 11D). Le fourreau 52 et l'arbre 20 sont à nouveau liés en rotation par les dents 55 et 57 (fig. 11E).
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La fig. 12 montre le mode de réalisation d'un élément 40 adapté à créer une perte de charge déterminée en fonction du débit de fluide de forage.
Dans ce cas, l'élément 40 est constitué d'une pièce 60 procurant une réduction du diamètre de l'alésage du corps 1. Un élément mobile 61 est déplaçable dans l'alésage du corps 1 sous l'action d'un ressort taré 62. Dans l'exemple représenté, l'élément 61 est profilé de telle sorte que la perte de charge dans l'écoulement du fluide de forage soit sensiblement indépendante du débit. Pour cela, l'extrémité de l'élément 61 a une forme générale conique. Une augmentation de débit a tendance à provoquer une augmentation de la perte de charge. L'élément 61 se déplace contre l'action du ressort taré 62 et prend une nouvelle position d'équilibre correspondant à la valeur initiale de la perte de charge pour laquelle le ressort 62 a été taré.
Les fig. 13A, 13B et 14 représentent une autre variante.de réalisation du raccord coudé selon l'invention.
Le corps supérieur 1 est relié à la garniture de forage 3 par un raccord intermédiaire 104 fileté en 4 et 4a. Constitué de plusieurs éléments 2b, 2c, 2d, réunis bout à bout par des filetages 207 et 208, le corps inférieur 2 est vissé sur un moteur de fond 109 tel qu'une turbine, par l'intermédiaire d'un filetage 10.
A la partie inférieure du corps 1 est usiné un alésage 11 d'axe A. La face inférieure 12 du corps 1 est perpendiculaire à l'axe A et le plan qui la contient passe par le point de concours des axes X'X, et A.
L'extrémité supérieure du corps 2 porte un élément d'emboîtement 2a complémentaire de l'alésage 11 et dont l'axe fait avec l'axe Y'Y du corps 2 un angle a. Le corps 2 a un épaulement 13 dont la face perpendiculaire à l'axe de l'élément d'emboîtement 2a est contenue dans un plan passant par l'intersection de l'axe Y'Y et de l'axe de l'élément 2a.
Les corps tubulaires 1 et 2 sont maintenus dans leur position d'emboîtement par une butée 14 supportant les efforts axiaux appliqués au raccord lors de son utilisation. Le centrage de l'élément 2a dans l'alésage 11 est réalisé par des roulements tels que ceux schématisés en 15,16 et 17 qui permettent la rotation relative des deux corps tubulaires. Des joints 18 et 19 assurent l'étanchéité entre les deux corps 1 et 2.
A l'intérieur des corps tubulaires 1 et 2, un arbre creux 20 est disposé coaxialement à l'élément 2a et à l'alésage 11, c'est-à-dire coaxialement à l'axe A. L'arbre 20 et le corps 1 sont en permanence solidaires en rotation. Cela est obtenu par la coopération d'un alésage cannelé 21 usiné dans le corps supérieur 1 et de cannelures complémentaires 22 portées par l'arbre 20. Ce dernier est également pourvu de cannelures 23 qui peuvent coopérer avec un alésage cannelé 24 du corps inférieur 2 lorsque l'arbre 20 est placé, par l'action d'un ressort 25, dans la position représentée sur la fig 13A. Dans cette position, le corps 2 et l'arbre 20 sont mis en rotation.
L'arbre 20, déplaçable axialement à l'intérieur des corps tubulaires 1 et 2, porte sur sa face extérieure une rainure de guidage profilée 28 qui coopère avec au moins un doigt de guidage 26 solidaire du corps 2, pour faire tourner celui-ci en rotation autour de l'axe A lorsque l'arbre 20 est déplacé axialement à partir de sa position représentée sur la fig. 13A. Cette rainure, représentée en perspective sur la fig. 3, permet d'obtenir une rotation pas à pas du corps tubulaire 2 autour de l'axe A.
L'extrémité inférieure de l'arbre 20 est équipée d'un mécanisme de commande désigné dans son ensemble par la référence 127 et représenté à plus grande échelle sur la fig. 14. Ce mécanisme comporte un piston tubulaire 129 pouvant coulisser dans l'alésage du corps inférieur 2, cet alésage étant coaxial à l'arbre 20. Le piston 129 est fixé à l'extrémité de l'arbre 20 par un filetage 130. Un siège de clapet 131 prolonge le piston creux 129 auquel il est relié par un filetage 132. Ce siège de clapet 131 possède un alésage conique 133 pouvant recevoir un élément 134 de forme tubulaire dont l'extrémité conique 135 est complémentaire de l'alésage 133. Cet élément, du type clapet, coulisse axialement dans un alésage du piston creux 129 et est soumis à l'action d'un ressort 136 interposé entre le piston 129
et une collerette extérieure 137 de l'élément 134. Cet élément 134 est fendu parallèlement à son axe sur une portion de sa hauteur, à partir de son extrémité conique. Les fentes 138 délimitent entre elles des lames 139 dont trois au moins, régulièrement réparties, sont des lames flexibles 139a qui portent sur leur surface intérieure des bossages 140 tandis que, sur leur surface extérieure, la collerette 137 a été supprimée pour des raisons qui apparaîtront ultérieurement. Le siège de clapet 131 est également muni d'au moins un doigt de déclenchement 141 capable d'éloigner la pièce 134 du siège de clapet 131, dans une certaine position de l'arbre 20.
A sa partie inférieure (fig. 13B), le corps tubulaire 2d comporte un panier 142, maintenu coaxialement au corps tubulaire. Ce panier est pourvu d'un orifice 143 à sa partie supérieure et laisse libre un espace annulaire 144 pour l'écoulement du fluide de forage. De préférence, les parois du panier 142 sont traversées par des orifices 145 permettant le passage du fluide de forage.
Pour assurer une lubrification efficace de l'arbre 20 et des différentes parties du mécanisme 127, une réserve d'huile a été ménagée dans l'espace annulaire sensiblement confiné 146, délimité entre le corps supérieur 1 et l'arbre 20. Cette réserve d'huile a une autre fonction qui sera indiquée lors de la description du fonctionnement. Cet espace annulaire est obturé à sa partie supérieure par un piston flottant 147, permettant de maintenir la pression de l'huile à la même valeur que celle du fluide de forage alimentant le raccord coudé et de compenser par déplacement les éventuelles fuites d'huile. Des joints 148 et 149 assurent respectivement l'étanchéité au niveau du piston flottant 147 et du mécanisme 127.
Le fonctionnement du dispositif est indiqué ci-dessous, en supposant que le raccord coudé est dans la position représentée sur les fig. 13A et 13B, les axes des corps tubulaires étant alignés, et que le forage a atteint la profondeur à laquelle on désire dévier la direction du forage.
Sans interrompre la circulation du fluide de forage, on introduit dans la garniture de forage une bille d'acier de diamètre déterminé. Celle-ci est arrêtée par les bossages 140 des lames 139a, comme représenté en pointillé sur la fig. 14. Cette bille crée une perte de charge AP dans l'écoulement du fluide de forage. La pression qui règne dans l'alésage de l'arbre 20 est transmise par le piston flottant 147 (fig. 13A) et par l'huile, à la face supérieure 129a du piston 129. L'écoulement du fluide de forage qui agit, d'une part, sur la bille et, d'autre part, sur le piston 129 par l'intermédiaire de la différence de pression AP, déplace axialement l'arbre 20 dans le sens d'écoulement du fluide de forage, contre l'action du ressort 25. Le doigt 26, qui était tout d'abord dans la position 26a (fig. 4), atteint la position 26b. Dans cette position, les cannelures 23 de l'arbre 20, et 24 du corps inférieur 2, sont dégagées les unes des autres, désolidarisant en rotation l'arbre 20 et le corps 2. Le déplacement axial de l'arbre 20 se poursuit et le doigt 26 atteint la position 26c, en provoquant la rotation du corps 2 autour de l'axe A d'un angle
2tc
0 = ' .
n
Lorsque le doigt de guidage 26 atteint la position 26c, le doigt de déclenchement 141 entre en contact avec un épaulement 150 du corps 2 (fig. 13B) et immobilise l'élément 134, alors que l'arbre 20 et le siège de clapet 131 poursuivent leur déplacement en comprimant le ressort 136. Dès lors, la portion conique 135 de l'élément 134 n'est plus en contact avec l'alésage conique 133. Sous l'action du fluide de forage, les lames élastiques 139a qui ne sont pas munies de collerettes 137 sont écartées de l'axe du dispositif, et la bille qui est libérée tombe dans la partie inférieure du raccord jusque dans le panier 142 (fig. 13B).
La perte de charge créée par la bille ayant disparu, le piston 129 n'est plus soumis à la différence de pression AP. Le ressort taré 25 repousse l'arbre 20 vers le haut de la figure, tandis que le ressort 136 plaque à nouveau l'élément 134 contre le siège de clapet 131. Le doigt de guidage 26 passe de la position 26c à la position 26b', puis à la
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position 26a' dans laquelle les cannelures 23 et 24 immobilisent en rotation l'arbre 20 et le corps inférieur 2. L'arbre 20 est dans une position identique à celle représentée sur la fig. 13A.
Le même cycle opératoire peut être répété par introduction de nouvelles billes dans la garniture de forage. Le panier 142 pourra ê vidé lors de la remontée de la garniture de forage en surface, par exemple lors du changement de l'outil de forage. La contenance du panier sera aussi grande que possible. Elle pourra être de 10 à 20 billes ou même plus.
Le dispositif de verrouillage décrit en relation avec les fig. 9 à 11E, s et mettant en œuvre une bague 52 entourant la rainure de guidage 28, peut également être utilisé dans ce mode de réalisation.
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9 feuilles dessins
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- 630 7002REVENDICATIONS1. Raccord coudé à angle variable pour forages dirigés, comportant un premier élément tubulaire fixé à l'extrémité d'une colonne de forage et un second élément tubulaire solidaire d'un moteur de fond entraînant en rotation un outil de forage, ces éléments tubulaires étant assemblés entre eux, l'axe du second élément tubulaire pouvant tourner autour d'un axe de rotation qui fait un angle avec l'axe du premier élément tubulaire, l'axe de rotation et les axes des deux corps tubulaires étant distincts les uns des autres et concourant sensiblement en un même point, caractérisé en ce que ledit angle est un angle aigu et en ce que le raccord comporte des moyens télécommandés pour modifier à volonté la position angulaire du second élément par rapport au premier par pivotement de l'axe du second élément autour dudit axe de rotation, et des moyens pour immobiliser l'un par rapport à l'autre lesdits éléments tubulaires dans une position angulaire relative choisie.
- 2. Raccord coudé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les angles formés par l'axe de rotation et chacun des axes des éléments tubulaires sont sensiblement égaux.
- 3. Raccord coudé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments tubulaires sont assemblés par un emboîtement rotatif dont l'axe constitue ledit axe de rotation et qui est traversé par un arbre de liaison de ces éléments, monté coulissant dans ces éléments en restant solidaire en rotation de l'un d'eux, ledit arbre de liaison ayant une position de verrouillage dans laquelle il devient également solidaire en rotation de l'autre élément tubulaire et dont il peut être dégagé par un déplacement axial, et en ce que ce raccord comporte des moyens télécommandés pour déplacer axialement ledit arbre de liaison, des moyens d'entraînement faisant correspondre à un déplacement axial de cet arbre à partir de sa position de verrouillage un pivotement dudit second élément tubulaire autour dudit axe de rotation.
- 4. Raccord coudé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entraînement comprennent au moins un ensemble de deux organes comprenant une rainure profilée et un doigt de guidage coopérant avec cette rainure, l'un de ces organes étant porté par ledit arbre de liaison et l'autre par ledit élément tubulaire avec lequel l'arbre de liaison est solidarisé en rotation uniquement dans ladite position de verrouillage.
- 5. Raccord coudé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens télécommandés comprennent un piston solidaire en rotation dudit arbre de liaison, ce piston étant traversé d'au moins un canal communiquant avec l'alésage interne dudit premier élément tubulaire pour permettre le passage d'un fluide sous pression, un organe permettant de commander à distance l'obturation dudit canal.
- 6. Raccord coudé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe d'obturation comporte un disque percé d'au moins un orifice et monté rotatif au contact dudit piston, coaxialement à celui-ci, de façon à avoir une position d'obturation dudit canal, ce disque étant raccordé à un dispositif de commande de sa rotation, pouvant être télécommandé.
- 7. Raccord coudé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens auxiliaires de verrouillage en rotation des éléments du raccord coudé empêchant toute rotation intempestive de ces éléments après une modification de leur calage angulaire relatif.
- 8. Raccord coudé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter à distance le calage angulaire dudit second élément tubulaire par rapport au premier de ces éléments.
- 9. Raccord coudé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour télécommander le déplacement axial dudit arbre comprennent un premier piston coulissant dans l'alésage du premier élément tubulaire du raccord, un second piston coulissant dans l'alésage du second élément tubulaire, ces pistons étant solidaires dudit arbre et chacun d'eux étant traversé par un canal communiquant avec l'alésage dudit arbre, le second piston ayant un diamètre extérieur supérieur à celui du premier piston, lesdits pistons, ledit arbre et les deux éléments tubulaires du raccord délimitant entre eux un espace annulaire, et des moyens d'alimentation capables de fournir audit espace un fluide hydraulique sous une pression 5 supérieure à celle régnant dans l'alésage dudit arbre pour écarter ledit arbre de sa position de verrouillage.
- 10. Raccord coudé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comportent une enceinte contenant le fluide hydraulique et dont une portion au moins de la paroi est io déformable, cette enceinte étant soumise à la pression du fluide de forage alimentant le raccord coudé, une vanne télécommandée pour mettre séquentiellement en communication ladite enceinte et ledit espace annulaire à travers un canal de liaison, et un organe adapté à créer une perte de charge déterminée dans l'écoulement du fluide de is forage, cet organe étant placé en amont dudit piston inférieur en considérant le sens d'écoulement du fluide de forage.
- 11. Raccord coudé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre hydraulique de compensation qui communique avec ledit espace annulaire et dont une portion de paroi20 au moins est déformable et soumise à la pression qui règne à l'intérieur dudit arbre.
- 12. Raccord coudé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite vanne est une électrovanne commandée depuis la surface par un signal transmis par une ligne reliée au raccord.25 13. Raccord coudé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit organe est adapté à créer une perte de charge sensiblement constante, en dépit des variations du débit de fluide de forage.
- 14. Raccord coudé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection adaptés à réduire la section30 du canal traversant le second piston lorsque ledit arbre est dans une position déterminée éloignée de sa position de verrouillage.
- 15. Raccord coudé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens auxiliaires de verrouillage comportent, entourant ledit arbre, un fourreau traversé par une rainure sensiblement longitudi-35 naie adaptée à recevoir ledit doigt de guidage, ce fourreau étant pourvu de dents à l'une de ses extrémités, et en ce que ledit arbre est équipé de dents complémentaires de celles du fourreau pour lier en rotation ledit fourreau et ledit arbre lorsque ce dernier est éloigné de sa position de verrouillage.40 16. Raccord coudé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour télécommander le déplacement axial dudit arbre comprennent un piston solidaire dudit arbre, ce piston étant traversé par un canal communiquant avec l'alésage dudit arbre en formant avec celui-ci un passage pour le fluide de forage, et un organe capable 45 d'obturer au moins partiellement le canal dudit piston pour provoquer, dans l'écoulement du fluide de forage, une différence de pression suffisant à écarter ledit piston de sa position de verrouillage.
- 17. Raccord coudé selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit organe permettant l'obturation du canal dudit piston 50 comporte un siège de clapet solidaire dudit piston, un clapet tubulaire déplaçable dans l'alésage dudit piston et soumis à l'action de moyens élastiques qui appliquent ledit clapet contre ledit siège, ledit clapet étant fendu axialement sur une portion de sa longueur par des fentes qui délimitent au moins trois lames élastiques dont les 55 faces internes sont munies de bossages qui réduisent la section de l'alésage du clapet lorsque ce dernier est appliqué contre son siège, une bille s'appuyant sur lesdits bossages lorsque le clapet est maintenu contre son siège, au moins un doigt de déclenchement adapté à provoquer un déplacement relatif dudit clapet et de son 60 siège lorsque ledit arbre est dans une position déterminée pour permettre auxdits bossages de s'écarter de l'axe de clapet, par déformation élastique desdites lames, en permettant le passage de ladite bille, et un panier de récupération de ladite bille après son passage à travers ledit clapet.65 18. Raccord coudé selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit piston est fixé à la partie inférieure dudit arbre et en ce que le raccord comporte un piston flottant situé à la partie supérieure dudit arbre, lesdits pistons, ledit arbre et lesdits éléments tubulaires3630 700délimitant entre eux un espace sensiblement confiné rempli d'un fluide hydraulique, ledit piston flottant étant soumis à la pression du fluide de forage alimentant le raccord coudé.