EP0506689B1 - Outil de forage destine a elargir un puits - Google Patents

Outil de forage destine a elargir un puits Download PDF

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EP0506689B1
EP0506689B1 EP91900138A EP91900138A EP0506689B1 EP 0506689 B1 EP0506689 B1 EP 0506689B1 EP 91900138 A EP91900138 A EP 91900138A EP 91900138 A EP91900138 A EP 91900138A EP 0506689 B1 EP0506689 B1 EP 0506689B1
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EP
European Patent Office
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tool
tool according
flange
axis
arm
Prior art date
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EP91900138A
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German (de)
English (en)
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EP0506689A1 (fr
Inventor
René DESCHUTTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diamant Boart Stratabit SA
Original Assignee
Diamant Boart Stratabit SA
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/26—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers
    • E21B10/32—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools
    • E21B10/322—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools cutter shifted by fluid pressure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/10—Wear protectors; Centralising devices, e.g. stabilisers
    • E21B17/1014—Flexible or expansible centering means, e.g. with pistons pressing against the wall of the well

Definitions

  • the present invention relates to a drilling tool according to the preamble of claim 1.
  • Such a tool finds its application in the delayed expansion of existing wells over time or, on the contrary, in the immediate production of wide wells which are obtained by drilling with a conventional drilling tool.
  • drill bit or tricone bit a narrower well outline which is immediately enlarged into a larger diameter well using a tool intended to widen a well according to the invention, which is combined with above conventional drilling tool.
  • a drilling tool for widening a well can also be used in place of an eccentric drilling tool or a retractable drilling tool.
  • the downhole enlarger is intended to be introduced and lowered into a well drilled to an initial diameter to a desired depth, from which the retractable arms are deployed to widen the well.
  • Document US-A-4589504 discloses a tool for widening the bottom of a wellbore.
  • the tool comprises a cylindrical body driven in rotation by a drill string, a control of a mechanism for opening the tool and two retractable arms.
  • the body has a diametrical cavity passing right through it. In this cavity, the two eclipsable arms, articulated in the same longitudinal plane passing through the axis of rotation of the body of the tool, pivot around pivots perpendicular to this plane.
  • the arms are folded back inside the tool body.
  • the arms are raised laterally at 45 ° so as to present at the lower end of the arm a cutting edge of determined shape, profiled so as to obtain a hole profile (preferably a curved profile) for which the vertical reaction forces exerted by the ground on the arms, develop around the axis of rotation of the arm a moment of forces which tends to keep the arm extended and which compensates for the moment of forces tending to close the arms under the action horizontal lateral forces.
  • the lubrication of the tool is ensured by a drilling fluid brought from the ground surface to the tool, using a conduit dug inside the drill rods.
  • the drilling fluid is brought in the vicinity of the tool in the form of jets produced by calibrated nozzles, directed at the cutting edges.
  • the opening of the arms is controlled hydraulically using the drilling fluid, by increasing the flow rate of the drilling fluid pumps.
  • a predetermined value for example 70 bars or 7.106 Pa
  • the spring opposes the displacement of the piston under the effect of hydraulic pressure and determines an equilibrium position.
  • the piston drives a rack which engages a portion of pinion ensuring the raising of the arms.
  • the arms are closed automatically as soon as the hydraulic pressure decreases by the fact that the precompressed spring ensures the raising of the piston.
  • the disadvantage of this known tool lies in the fact that a significant force must be transmitted to the arm to allow it to move away from the body of the tool. This effort is transmitted to the arm through a single tooth in a notched place which weakens the arm.
  • the implementation of the tool is dependent on the destructability of the rock and the tendency of the tool to deviate from its axis.
  • a second drawback is the irregular shape of the enlarged well and the imprecision of the diameter obtained.
  • the tool suffers from a lack of lateral stability and a lack of rigidity of the arms.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks. It offers a tool mechanically robust with interchangeable extendable arms resistant to wear and allowing precise width adjustment of the tool. It relates to a tool as described in the first paragraph of this memo. This tool is characterized by the characteristics of the characterizing part of claim 1.
  • the guide member of the second flange is centered around the axis AA 'above.
  • the axis of the stud is parallel to the axis of rotation of the tool and the guide member of the second flange is formed in an arc centered around the axis A, AT'.
  • the guide member may be a groove made in the flange.
  • the groove formed in an arc relative to the axis AA ′ has an inscribed angle between 2 and 90 °, preferably between 20 and 60 °.
  • Each articulated curved arm bears at a first lower end around a first stud secured to the first flange.
  • each cutting arm has the shape of a variable pitch propeller which spreads over an arc of about 200 ° around the core.
  • the groove of the second flange is formed radially with respect to the axis of rotation of the tool.
  • a particular opening mechanism consists of a helical gear, the helical thread of which has an angle of inclination of between 3 and 30 ° and which engages a satellite pinion with an axis of rotation parallel to that of the tool.
  • the satellite pinion advantageously rotates an outer toothing ring which meshes with each arm and an internal toothing on which the satellite pinion of the tool meshes.
  • a drilling tool As illustrated in FIG. 1, a drilling tool according to the invention, generally designated by the reference sign 1, comprises a hollow cylindrical body 2 delimited by a cylindrical surface bordered at its ends by metal flanges 4 and 5.
  • the flanges serve as a mounting for a series of curved arms 3 running along the cylindrical surface.
  • the metal flanges 4, 5 are integral with the cylindrical body 2 and are provided with threaded joints 28 to allow the assembly of the tool 1 with a train of rods (not shown.)
  • the series of curved arms can include up to eight arms, the arms are distributed side by side at equal angular distance.
  • Each curved arm has, for example, the shape of a variable-pitch helix which extends over an arc of about 200 ° around the cylindrical body.
  • the arms are identical but are provided with cutting elements 6 distributed differently and they have the same propeller diameter.
  • Each helical arm 3 has a square or rectangular section and is pivotally mounted with respect to a fixed pin 7 secured to the fixed flange 4.
  • the first fixed stud 7 is fixed in a fixing hole 32 of the fixed flange 4.
  • the second end of the helical arm is distant by a distance corresponding to the diameter of the propeller.
  • the arms 3 are adjustable and can move away from the cylindrical surface by pivoting about an axis parallel to the axis of rotation of the drilling tool 1.
  • the angular position of each helical arm 3 is controlled by angular displacement d 'a rotating ring 9 mounted against the second upper fixed flange 5 secured to the frame and driven by an opening mechanism 10 of the tool 1.
  • the opening mechanism comprises for example a cam or a rotating ring 9 having an internal toothing 12 and on portions of external contour, an external toothing 13 centered on the axis of rotation LL ′ of the tool (see FIGS. 3 and 4).
  • the internal toothing 12 meshes with a satellite pinion 14 with a helical thread whose axis of rotation is parallel to that of the tool.
  • the helical thread of the satellite pinion 14 has an angle of inclination between 3 and 30 °.
  • Each external toothing of the ring 9 meshes with the upper end of each arm 3 and forces the latter to rotate on itself by a portion of a turn around the axis AA ′, parallel to the axis of rotation LL ′ (figure 1).
  • the angular displacement of the ring 9 is obtained using the satellite pinion 14 mounted on an axis parallel to that of the tool.
  • the satellite pinion 14 is rotated by a non-rotary piston 16 moving a rod 36 provided with a helical gear 17.
  • the piston 16 moves parallel to itself under the action of an increase in hydraulic pressure and forces the helical thread 17 of the rod 36 of the piston 16, which has an angle of inclination between 3 ° and 30 °, to be lowered without turning.
  • the pinion 14 meshes with the internal toothing of a ring centered on the axis of rotation of the tool and causes the rotation of the ring which drives the stud 8 of the arm 3, mounted in a hole in the ring, to slide the along the curved groove 21 (see Figures 4 and 6.)
  • the length of the cutting edge 15 gives a measure of the performance of the tool and determines inter alia the cutting speed and the longevity of the tool.
  • the drilling tool according to the invention has a cutting edge at least three to five times longer than that formed by an end flange of an arm lateral in lateral extension.
  • the cutting edge is formed by the useful portion of the helical arm 3 released beyond the initial diameter by the pivoting of the helical arm by a fraction of a turn on itself.
  • the increase in the diameter of the drilling tool is fixed by the positioning of the first and second pins 7 and 8 at the lower and upper ends of the arms 3 and the length of the groove 21 of the flange 5.
  • This groove 21 in an arc of circle has an inscribed angle between 2 and 120 °.
  • the tool makes it possible to enlarge up to two and a half times the initial diameter with a gain of precision on the formed diameter, while the known systems allow only a similar diameter increase but are not very precise.
  • the flanges are removably mounted. They can be replaced by a pair of flanges of increasing diameters in which are formed grooves 21 of different curvature and opening angle, so as to give the drilling tool a diameter which can vary within ranges of distinct values. .
  • This tool opening mechanism makes it possible to quantify the increase in the diameter of the bottom of the well by controlling the angular position of the helical arms 3 (see FIG. 2).
  • the lower part 18 is judiciously furnished with cutting elements 6 staggered along each of the cutting edges 15 according to the very precise criterion of radial density, so that all of the elements completely cover the bottom of the well and that each of them partially covers the wake of a previous element.
  • a central channel 23 formed in the hollow cylindrical body 2 and extended by transverse and longitudinal channels 24, 25 formed in the flanges 4, 5 and the arms 3 conduct the fluid pressure drilling in nozzles 26 fixed to said flanges 4, 5 and arms 3 interconnected by tight seals 27.
  • the nozzles 26 of each arm 3 are fixed on a lateral face 33 of the arm and are directed towards the elements of cut neighboring arms.
  • the internal diameter of the cylindrical body 2 is chosen so as to ensure a flow speed of 10 to 15 m / s at the flow of drilling mud.
  • the cylindrical mount is arranged so as to allow easy disassembly not only of the curved arms 3 but also of the flanges 4, 5.
  • the arms 3 then constitute wearing parts.
  • the interchangeable flanges which one chooses judiciously in a set of pairs of flanges of increasing diameters in which are provided fixing holes 32 and grooves 21 of different curvature and opening angle, attribute to the drilling tool increased flexibility, since each pair of flanges 4, 5 corresponds to a nominal diameter which can vary within a distinct range of values depending on the length of the groove of the second flange 5.
  • the curved arms 3 can be used interchangeably with each pair of flanges 4, 5 for a whole range of wellbore widths.
  • FIG. 7 illustrates a duplex assembly 28 of two widening tools 1 according to the invention, separated by a drill 29.
  • the first tool is preceded by a drilling tool, for example a set stone drill bit 30, a crown or a tricone bit.
  • the tool according to the invention constitutes a stabilizer of adjustable diameter which makes it possible to ensure precise and / or sensitive stabilization of the drilled well. It can also be used as a device for measuring, calibrating or probing the walls of the well.

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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

  • La présente invention est relative à un outil de forage selon le préambule de la revendication 1.
  • 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 excentrique ou d'un outil de forage rétractable.
  • 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 laquelle 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 document US-A-4589504, 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 gui compense le moment de forces tendant à refermer les bras sous l'action des efforts latéraux horizontaux.
  • Dans ce dispositif, la lubrification de l'outil est assurée par un fluide de forage amené à partir de la surface du sol jusqu'à l'outil, à l'aide d'un conduit creusé à l'intérieur des tiges de forage. Le liquide de forage est amené au voisinage de l'outil sous forme de jets produits par des gicleurs calibrés, 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 ressort s'oppose au déplacement du piston sous l'effet de la pression hydraulique et détermine une position d'équilibre. Le piston entraîne une crémaillère qui engrène une portion de pignon assurant le relèvement des bras. La fermeture des bras se fait automatiquement dès que 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 du corps de l'outil. Cet effort est transmis au bras par l'intermédiaire d'une seule dent à un endroit entaillé qui 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.
  • La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose un outil mécaniquement robuste à bras interchangeables extensibles résistant à l'usure et permettant un réglage en largeur précis de l'outil. Elle est relative à un outil tel que décrit dans le premier paragraphe du présent mémoire. Cet outil est caractérisé par les caractéristiques de la partie caractérisante de la revendication 1.
  • 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'invention, l'axe du téton est parallèle à l'axe de rotation 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 être 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.
  • 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 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 de l'outil.
  • Un mécanisme d'ouverture particulier est constitué d'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 de l'outil.
  • Le pignon satellite entraîne en rotation avantageusement une bague à denture extérieure qui engrène chaque bras et à denture intérieure sur laquelle 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 parties :
    • 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 verticale garnie généralement d'un revêtement anti-usure;
    • une partie supérieure de diamètre croissant du 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 référence 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 repliée;
    • la figure 2 est une vue en élévation latérale de l'élargisseur de fond de puits illustré à la figure 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 même élargisseur de fond de puits que celui illustré à la figure 2, et
    • la figure 7 est une coupe transversale du mécanisme d'ouverture actionnant les bras hélicoïdaux le long des rainures de la bride 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 identiques 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 métalliques 4, 5 sont solidaires du corps cylindrique 2 et sont pourvues de joints filetés 28 pour permettre l'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 la 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 garnis d'éléments coupants 6 répartis différemment et ils présentent un même diamètre d'hélice. Chaque bras hélicoïdal 3 a une section carrée ou rectangulaire et est monté pivotant par rapport à un têton fixe 7 solidarisé à la bride fixe 4.
  • 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 distance 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 bague rotative 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 satellite 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 bride 5 par un second téton 8 pouvant coulisser le long d'une rainure 21 ménagée en arc de cercle dans la seconde bride 5, modifie l'orientation de la courbure de l'hélice du bras, de manière qu'une portion de courbe déborde du corps cylindrique 2 de l'outil et forme une arête de 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 de la bague 9 est obtenu à l'aide du pignon satellite 14 monté sur un axe parallèle à celui de l'outil. Le pignon satellite 14 est entraîné en rotation par un piston non rotatif 16 déplaçant une tige 36 pourvue d'un engrenage hélicoïdal 17. Le piston 16 se déplace parallèlement à lui-même sous l'action d'une augmentation de pression hydraulique et force le filet hélicoïdal 17 de la tige 36 du piston 16, qui présente un angle d'inclinaison compris entre 3° et 30°, à descendre sans 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, monté dans un trou ménagé dans la bague, à coulisser le long de 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'outil de forage selon l'invention possède une arête de coupe au moins trois à cinq fois plus longue que celle formée par un rebord d'extrémité d'un bras latéral en extension latérale. Dans l'outil suivant l'invention, l'arête de coupe est formée par la portion utile du bras hélicoïdal 3 dégagée au-delà du diamètre initial par le pivotement du bras hélicoïdal 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 des bras 3 et la longueur de la rainure 21 de la bride 5. Cette rainure 21 en arc de 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. Elles peuvent être remplacées par une paire de brides de diamètres croissants dans lesquelles sont ménagées des rainures 21 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.
  • 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 de trois parties :
    • 1) une partie inférieure de 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) une partie médiane 19 dont tous les points sont équidistants de l'axe LL′ du puits de forage. Il s'agit avantageusement d'une section droite ou d'une hélice à pas constant dont l'angle d'inclinaison peut atteindre environ 35°. La partie médiane 19 s'inscrit pour toute sa hauteur dans une circonférence dont le diamètre correspond au puits élargi. La partie médiane 19 empêche ou limite tout mouvement transversal de l'outil élargisseur par rapport à l'axe du puits comme le ferait un stabilisateur de diamètre adéquat;
    • 3) une partie supérieure 22 ayant un diamètre croissant 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 18 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 que 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 cylindrique 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 forage sous pression dans des ajutages 26 fixés aux-dites brides 4, 5 et bras 3 reliés entre eux par des joints étanches 27. Les ajutages 26 de chaque bras 3 sont fixés sur une face latérale 33 du bras et sont dirigés vers les éléments de coupe des bras voisins. Le diamètre intérieur du corps cylindrique 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 de manière à permettre un démontage aisé non seulement des bras courbes 3 mais aussi des brides 4, 5. Les bras 3 constituent alors des pièces d'usure. Les brides interchangeables que l'on choisit judicieusement dans un jeu de paires de brides de diamètres croissants dans lesquelles sont ménagées des trous de fixation 32 et des rainures 21 de courbure et d'angle d'ouverture 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 bride 5.
  • Les bras courbes 3 peuvent être utilisés indifféremment 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 outil est précédé d'un outil de forage, par exemple un trépan à pierres serties 30, une couronne de sondage ou un tricône.
  • Sous réserve de certaines modifications, l'outil selon l'invention constitue un stabilisateur de diamètre réglable qui permet d'assurer une stabilisation précise et/ou sensible du puits foré. Il peut aussi être utilisé comme appareil de mesure, de calibrage ou de palpage des parois du puits.

Claims (17)

  1. Outil de forage (1) destiné à élargir un puits de forage, cet outil de forage comprenant un corps cylindrique creux (2) bordé à ses extrémités d'une première et d'une seconde bride fixe (4, 5), une commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil et un bras (3), chaque bride étant pourvue de joints filetés en vue de son assemblage à un train de tiges, caractérisé en ce que ledit bras (3) est courbe et prend appui à une première extrémité sur la première bride fixe (4) de manière à pouvoir tourner sur lui-même d'une fraction de tour autour d'un axe (AA′), sous la commande du mécanisme d'ouverture (10) de l'outil, tandis que l'autre extrémité du bras coulisse le long d'un organe de guidage (21) ménagé dans la seconde bride fixe (5).
  2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de guidage (21) de la seconde bride (5) attribue à l'extrémité inférieure du bras courbe une trajectoire circonférentielle centrée autour de l'axe (AA′ ) susdit.
  3. Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'axe (AA′) est parallèle à l'axe de rotation (LL′) de l'outil et en ce que l'organe de guidage (21) de la seconde bride (5) est une rainure (21) ménagée en arc de cercle centré autour de l'axe (AA′).
  4. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première bride (4) est la bride inférieure et la seconde bride (5). la bride supérieure.
  5. Outil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rainure (21) ménagée en arc de cercle par rapport à l'axe AA′ 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 (3) articulé prend appui à une première extrémité inférieure autour d'un premier têton (7) solidaire d'une première bride (4).
  7. Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux à six bras (3) répartis côte à côte à distance angulaire égale autour du corps cylindrique creux (2).
  8. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bras courbe (3) 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 (3) sont interchangeables.
  10. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les brides (4, 5) appartiennent à un jeu de paires de brides de diamètres croissants dans lesquelles sont ménagées des rainures (21) 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 (10) est constitué d'un engrenage hélicoïdal dont le filet hélicoïdal (17) présente un angle d'inclinaison compris entre 3° et 30° engrènant un pignon satellite (14) à axe de rotation parallèle à celui de l'outil.
  12. Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le pignon satellite (14) entraîne en rotation une bague (9) présentant une denture extérieure (13) qui engrène chaque bras (3), et une denture intérieure (12) qui engrène le pignon satellite (14) centré sur l'axe de rotation (L, L′) de l'outil (1).
  13. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque bras (3) de coupe se compose de trois parties :
    - une zone inférieure de coupe (18) apte à creuser un profil de fond de trou, laquelle zone est garnie d'éléments coupants;
    - une partie médiane (19) dont tous les points sont équidistants de l'axe (L, L′) 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 (34) garnie généralement d'un revêtement anti-usure; et
    - une partie supérieure (22) de diamètre croissant, de haut en bas.
  14. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps cylindrique creux (2) livre passage à un fluide de forage, le diamètre intérieur du corps cylindrique (2) 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 seconde bride (5) comporte des moyens pour mesurer le déplacement d'au moins un bras le long de la rainure (21).
  16. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que chacun des bras (3) comporte une portion verticale (34).
  17. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bras (3) présentent des ajutages (26) sur au moins une de leurs faces latérales (33).
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