EP0588373A1

EP0588373A1 - Carottier double pour forage dévié

Info

Publication number: EP0588373A1
Application number: EP93116845A
Authority: EP
Inventors: Staffan Paues
Original assignee: Diamant Boart Stratabit SA
Current assignee: Diamant Boart Stratabit SA
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1994-03-23

Abstract

Un carottier double dans lequel le tube intérieur (2) est relié au tube extérieur (1) par un roulement (11) à paliers multiples à billes et/ou à aiguilles, permet de rendre le tube intérieur (2) rigide et empêche qu'il ne soit entraîné en rotation en même temps que le tube extérieur (1). Le carottier comporte un indicateur de blocage de la carotte dans le tube intérieur (2) et un dispositif d'obturation (19) destiné à recevoir une bille (46) apte à assurer l'obturation du tube intérieur (2) du carottier quelle que soit l'inclinaison du forage dévié. <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à un carottier double pour forage dévié comprenant, d'une part, un tube extérieur rotatif portant une couronne de sondage, et d'autre part, un tube intérieur non rotatif portant à une première extrémité, voisine de la couronne de sondage, un dispositif d'extraction de carotte formé d'un ressort extracteur et d'un sabot conique tandis que l'autre extrémité est vissée sur une partie non rotative d'un roulement à billes ou à aiguilles.
L'intérêt des sondages en forage dévié réside dans la possibilité de prélever de nombreux échantillons à grande profondeur à partir d'un seul point de forage, à des endroits divers le long d'une nappe pétrolifère sensiblement horizontale. Ces sondages permettent l'investigation de la composition de la nappe et de son étendue.
Le document US-A-4467879 enseigne qu'un forage dévié s'obtient par la mise en oeuvre d'un ou de plusieurs manchons stabilisateurs montés le long d'un train de tiges. Le choix judicieux du type de manchon stabilisateur et des dimensions ainsi que leur répartition le long du train de tiges permet de régler et de contrôler l'angle d'inclinaison du forage comme décrit dans le document EP-A-0178709.
On sait aussi qu'un sondage en forage dévié peut être effectué à l'aide d'un carottier de sondage double tel que décrit dans le document BE-A-844.366. Un tel carottier comprend un tube extérieur rotatif muni d'une couronne de sondage et un tube intérieur non rotatif muni d'un sabot et d'un ressort extracteur destiné à prélever une carotte de sondage. Le tube intérieur est monté coulissant dans le tube extérieur.
La technique de carottage consiste à prélever un échantillon cylindrique de roche découpé par la couronne de sondage mise en rotation par le tube extérieur. L'échantillon s'engage progressivement dans le tube intérieur lors du carottage alors que l'on contrôle le débit du liquide de forage. L'appareil carottier comprend un indicateur de verrouillage permettant de détecter à partir de la surface, le moment précis du verrouillage du carottier en position de carottage, en trou humide ou sec.
L'indicateur de verrouillage est une soupape de contrôle réglable qui comprend un obturateur sphérique appliqué élastiquement contre un siège annulaire par un ressort de rappel prenant appui inférieurement sur une rondelle de réglage déplaçable axialement dans un corps formé par un manchon constitutif de la tête du tube intérieur.
Dans cet appareil carottier connu, l'opérateur dispose, en la soupape de contrôle réglable, pour des forages profonds, d'un moyen particulièrement simple, rapide et efficace pour savoir quand et si le tube intérieur est en position correcte pour le sondage et le carottage. A cet effet, il lui suffit de suivre la pression indiquée à la pompe sans arrêter un moteur quelconque.
La fin du carottage est signalée à l'opérateur par une augmentation de pression du liquide de sondage provoquée par un manchon déflecteur agissant contre des butées de suspension lorsque la carotte remplit entièrement le tube intérieur et appuie contre un support formant le fond du tube intérieur de manière à interrompre le débit du liquide de sondage.
Le document EP-A-0050104 décrit un appareil carottier double à obturateur à bille destiné à dévier le flux du liquide de sondage vers l'extérieur du carottier pendant le carottage.
Le but de l'obturateur à bille est de conduire le liquide de forage au travers du tube carottier en vue de déblayer et de nettoyer les éboulis qui se sont accumulés au fond du puits lors de la remontée et de la descente du train de tiges de forage, afin de pouvoir prélever une carotte représentative du terrain.
L'obturateur est actionné par un opérateur qui lance librement, à partir de l'extrémité du train de tiges opposée au carottier, une bille destinée à venir obturer un siège prévu à l'extrémité supérieure du carottier.
En pratique, la descente de la bille dans un train de tiges creuses d'une longueur d'environ 3000 mètres peut prendre environ 20 minutes.
L'obturateur présente l'inconvénient, qu'à la fin de sa chute, la bille s'applique brusquement sur le siège susdit et provoque dans la colonne descendante de liquide de forage un coup de bélier qui endommage le carottier et éventuellement le puits de sondage.
La fin du carottage est signalée à l'opérateur par une augmentation de pression du liquide de sondage. Une vanne obture alors partiellement le conduit alimentant la couronne de sondage en liquide de sondage, de manière que celle-ci reçoive suffisamment de liquide de sondage pour éviter de brûler ou d'endommager la couronne de sondage.
Un des inconvénients des carottiers de sondage doubles classiques réside dans l'obstruction de l'entrée du tube intérieur au début du forage lorsque la carotte s'engage dans le carottier. Il arrive aussi qu'une obstruction se forme le long du tube intérieur pendant le forage. L'obstruction en cours d'opération est parfois due au fait que, dans certains types de roches friables formées de strates inclinées par rapport à la direction d'avancement du carottier, la carotte se fracture en lamelles qui s'appuient avec force contre les parois du carottier et obstruent celui-ci par coinçage. Le danger d'obstruction est d'autant plus grand que l'angle d'inclinaison des lamelles est important.
En forage vertical ou légèrement incliné, on se rend compte du blocage par la diminution très sensible de la vitesse d'avancement. On augmente alors le poids appliqué sur le terrain de tiges en veillant à ne pas provoquer le flambage intérieur du carottier ni la surchauffe du roulement, puisque tout le poids du train de tiges se répercute sur le tube intérieur.
En forage fortement incliné et à priori en forage horizontal, l'influence des efforts verticaux appliqués sur le train de forage est moins perceptible puisque ces efforts sont transmis par de nombreux points de contact le long de la paroi du puits et que seule une composante de force intervient.
En outre, un carottier double classique comprend généralement un dispositif d'obturation à bille destiné à dévier le flux du liquide de sondage vers l'extérieur du carottier pendant le carottage. La bille d'obturation qui est lancée généralement à partir de la surface du sol en vue d'obturer un siège du dispositif d'obturation, est maintenue sur son siège, pendant l'opération de carottage, uniquement par son poids propre et par la pression exercée sur elle par le fluide de forage. Lorsque l'inclinaison du forage est forte, une interruption même brève de l'alimentation en fluide de sondage peut éloigner la bille d'obturation de son siège et provoquer un jet de liquide à l'intérieur du carottier, ledit jet entraînant la destruction accidentelle de la carotte et le déblaiement du carottier.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits. Elle vise aussi à réaliser un appareil carottier muni d'un indicateur de blocage qui permette de prévenir l'ouverture inopinée du dispositif d'obturation monté à la partie supérieure du tube intérieur du carottier, lorsque l'appareil carottier est utilisé dans un forage dévié, de manière à obtenir un carottier spécialement adapté au forage dévié par la mise en oeuvre de moyens et d'accessoires qui renforcent la rigidité du tube intérieur du carottier.
Ce but peut être atteint à l'aide d'un carottier double tel que décrit dans le préambule de la revendication 1.
Suivant l'invention, il suffit que le carottier double comprenne un indicateur de blocage constitué d'un manchon débouchant dans un interstice annulaire prévu entre un tube distributeur et une enveloppe déflectrice montée sur un tube distributeur et limitée par un rebord biaisé coopérant avec une arête biaisée d'une protubérance annulaire du manchon pour délimiter une fente annulaire de largeur variable, lors du coulissement du manchon par rapport à l'enveloppe déflectrice, l'obturation progressive de la fente permettant de réduire progressivement le débit du liquide de forage et entraîner une augmentation progressive de la pression, en guise de signal indiquant un blocage.
Dans une forme de réalisation particulière du carottier double selon l'invention, le dispositif d'obturation à bille est une corbeille formée de doigts métalliques retenus par le bord supérieur de la corbeille et recourbés vers l'intérieur, lesdits doigts étant élastiquement déformables et capables de s'écarter sous la poussée de la bille et former une barrière pour la bille, lorsque les doigts reviennent en position initiale.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels :

les figures 1A, 1B et 1C sont des coupes longitudinales de divers tronçons consécutifs disposés de bas en haut du carottier double selon l'invention;
la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle, d'une première forme de réalisation d'un dispositif d'obturation à bille;
les figures 3 à 5 illustrent les diverses phases de déplacement de la bille; et
les figures 6 et 7 sont des vues en coupe longitudinale à plus grande échelle d'un indicateur de blocage occupant une position inférieure et une position supérieure.

Dans ces diverses figures, des mêmes signes de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Comme illustré aux figures 1A, 1B et 1C, le carottier double pour forage dévié, selon l'invention, est constitué essentiellement d'un tube extérieur 1 et d'un tube intérieur 2. Le tube extérieur 1 est constitué d'un train de tiges creuses entraînant en rotation, une couronne de sondage 3. A une certaine distance de la couronne 3, le tube extérieur 1 comporte un corps 4 sur lequel est fixé un coussinet 10 d'un roulement 11 à billes ou à aiguilles.
Le tube intérieur 2 comprend principalement des éléments tubulaires vissés à la suite les uns des autres et disposés coaxialement au tube extérieur 1. L'élément tubulaire inférieur du tube intérieur 2 porte un dispositif 9 d'extraction de carotte. L'élément tubulaire supérieur du tube intérieur 2 est vissé à la partie non rotative 12 du roulement 11, laquelle est solidaire du tube carottier.
De manière connue en soi, la partie non rotative 12 du roulement 11 comporte un dispositif d'obturation 19 destiné à recevoir une bille 46 comme illustré dans les figures 2 à 5.
Le but de ce dispositif d'obturation est connu (voir le document BE-A-8700395). Au début du forage il est indispensable de faire passer le liquide de forage dans la direction des flèches X au travers du tube intérieur 2 en vue d'enlever les éboulis qui se sont accumulés dans le tube intérieur 2 et au fond du puits. Ce déblayage s'obtient en mettant en oeuvre le carottier entièrement ouvert, c'est-à-dire non encore muni de la bille d'obturation 46, de manière à permettre au liquide de sondage de traverser la partie intérieure du tube intérieur 2.
Lorsque l'opération de déblayage du fond de puits est terminée, on dévie le flux de liquide de sondage dans le sens des flèches Z vers l'extérieur du tube intérieur 2 à travers les ouvertures 52 dans un espace annulaire 47 entourant ce dernier, comme illustré dans la figure 5, en lançant librement à partir de la surface du sol, la bille 46 destinée à venir obturer un siège 48 prévu dans la partie non rotative 12 du roulement 11. Une première forme de réalisation du dispositif d'obturation spécialement adapté au carottier double pour forage dévié est illustrée dans la figure 3. Ce dispositif est constitué d'une corbeille métallique 49 sans fond évasée vers le haut. La paroi latérale de la corbeille 49 est formée de doigts recourbés 50 élastiquement déformables. Ces doigts sont retenus par le bord supérieur 51 de la corbeille 49. Ils ont pour fonction de maintenir la bille sur son siège quelle que soit l'inclinaison du forage dévie.
La figure 2 illustre l'approche de la bille entraînée par le liquide de forage. Pour accélérer la descente de la bille 46 il est connu d'augmenter le débit du liquide de forage.
La figure 3 montre comment la bille franchit la corbeille par écartement des doigts grâce à l'inertie acquise par la bille 46. La résistance des doigts 50 à se déformer élastiquement freine la bille 46 et diminue l'impact de la bille 46 sur le siège 48. Lorsqu'elle est appliquée sur le siège 48, la bille 46 obture le tube intérieur 2 (figure 4).
La forme recourbée des doigts 50 permet à la bille 46 de s'écarter dans une mesure limitée de son siège 48 de manière à permettre l'élimination de toute surpression dans le tube carottier par libération, dans le sens des flèches Y, du liquide de sondage ou tout autre fluide emprisonné dans le tube intérieur 2 (figure 5).
La partie non rotative 12 du roulement à billes ou à aiguilles 11 est prolongée par des éléments de tube intérieur 22 de diamètre constant.
Lorsque l'outil de forage ne progresse plus, tout le poids appliqué sur le tube extérieur 1 et sur la couronne 3 se répercute sur le tube intérieur 2. Selon que le tube intérieur 2 est en fibre de verre ou en acier, le transfert vers le tube intérieur 2 des efforts appliqués sur le tube extérieur 1 lors du blocage du carottier, provoque soit le flambage du tube intérieur 2, soit la rupture de ce tube. En cas de blocage du carottier, le poids transféré sur le tube intérieur 2 est tellement considérable qu'on assiste parfois à l'écrasement du roulement 11, même si celui-ci est un roulement multiple. Or, la résistance à l'écrasement d'un roulement multiple 11 est de loin supérieur à celui d'un roulement simple puisqu'il permet de répartir sur plusieurs étages de billes ou d'aiguilles les efforts axiaux repris par le roulement. La détérioration du roulement 11 entraîne inévitablement la destruction de la carotte puisque le tube intérieur 2 est alors inévitablement entraîné en rotation par le tube extérieur 1.
En forage horizontal, l'influence de l'effort appliqué sur le tube extérieur 1 et la couronne 3 est difficile à percevoir en raison du fait que seule une composante de l'effort vertical intervient. Des variations simultanées des nombreux paramètres et le nombre élevé de points de contact du tube extérieur 1 avec la paroi du puits en forage horizontal rendent la conduite du forage extrêmement difficile. L'opérateur s'aperçoit généralement trop tard que la vitesse d'avancement du forage a diminué. Lorsqu'il s'en aperçoit, l'équipement de sondage risque d'être déjà irrémédiablement abîmé.
La présente invention propose un moyen pour détecter le blocage du tube intérieur 2 à l'aide d'une indication manométrique fournie par un dispositif désigné dans son ensemble par le signe de référence 55. Il s'agit d'un indicateur de blocage monté en tête du tube intérieur 2. Comme illustré à la figure 1B, l'indicateur de blocage 55 comporte un manchon 56 débouchant dans un interstice 58 prévu entre le tube distributeur de débit 27 et une enveloppe déflectrice 59 qui facilite le passage du liquide de forage alimentant la zone inférieure du carottier afin de refroidir l'outil lors du carottage et d'évacuer les débris de forage.
L'enveloppe déflectrice 59 est fixée sur le tube distributeur 27 (voir figure 3). Elle est limitée par un bord biaisé 60 coopérant avec une arête biaisée 61 d'une protubérance du manchon 56 de manière à délimiter une fente annulaire 62 de largeur variable constituant une restriction d'un canal annulaire de passage du liquide de forage, lors d'un déplacement axial du manchon 56 par rapport à l'enveloppe déflectrice 59 qui l'entoure. Cette restriction qui survient en cas d'incident imprévu en cours de carottage, incident désigné fréquemment sous le nom de "jamming", permet de provoquer une augmentation de pression pouvant être lue sur un manomètre en surface par un opérateur. Ce signal constitue un avertissement qui fournit à l'opérateur, l'indication qu'il faut modifier les paramètres opérationnels du forage pour débloquer la carotte dans le tube intérieur carottier.
En cas de blocage de la carotte, le tube intérieur carottier 2 a tendance à remonter à l'intérieur du tube extérieur 1 en même temps que la carotte, alors que le tube extérieur 1 ne peut plus progresser dans sa descente (figures 6 et 7).
Le tube intérieur 2 du carottier entraîne alors vers le haut une bague de suspension sur laquelle prend appui un ressort 63 composé de rondelles de Belleville 64 permettant au tube intérieur une certaine liberté de coulissement limitée vers le bas par les butées 65. Le ressort à peine écrasé pousse le manchon vers le haut contre les butées 66 et engage une arête biaisée 61 du manchon 56 dans l'interstice annulaire 58 de manière à restreindre la section de la fente annulaire 62.
La diminution de débit du fluide de forage est progressive et ne provoque pas de coup de bélier.
L'augmentation de pression, qui résulte de cette restriction peut être lue sur le manomètre. Elle informe l'opérateur d'un blocage éventuel de la carotte dans le tube intérieur 2.
Le ressort extracteur 8 (figure 1A) est formé d'une bague fendue dont la face intérieure est recouverte d'un revêtement agrippant 36. En fin de carottage, la bague se referme sur la carotte par effet de cône, en prenant appui sur le sabot conique 32 lorsqu'on retire le tube intérieur 2. Le dispositif d'extraction permet de casser la carotte et de retenir l'échantillon dans le tube intérieur pendant qu'on remonte le tube intérieur 2 à la surface du sol.
Le carottier selon l'invention a le mérite de rendre possible la réalisation d'un sondage horizontal qui a l'avantage de permettre de déterminer correctement l'étendue d'un gisement pétrolier constitué de nappes pétrolifères de grande étendue mais de faible hauteur, là où un sondage vertical ne procurerait que des résultats de prospection sommaires et nettement insuffisants pour donner une estimation correcte de la rentabilité de l'exploitation éventuelle d'un gisement.
Un sondage horizontal présente aussi l'avantage majeur d'accélérer l'extraction du pétrole et d'augmenter le débit de pétrole pouvant accéder au tube d'extraction dans un gisement pétrolier horizontal puisqu'il permet de prélever, par un grand nombre d'orifices distincts répartis le long de la nappe pétrolifère, le pétrole brut que recèle la nappe. On améliore ainsi nettement la rentabilité de l'exploitation d'un gisement horizontal puisqu'on évite que le pétrole ne doive migrer sur des distances importantes au travers de couches de terrain suffisamment perméables avant de parvenir au voisinage immédiat du tube d'extraction, comme cela pourrait être le cas dans un sondage vertical.

Claims

Carottier double pour forage dévié comprenant, d'une part, un tube extérieur (1) rotatif portant une couronne de sondage (3), et d'autre part, un tube intérieur (2) non rotatif portant à une première extrémité, voisine de la couronne de sondage (3), un dispositif d'extraction (9) de carotte formé d'un ressort extracteur (8) et d'un sabot conique (32) tandis que l'autre extrémité est vissée sur une partie non rotative (12) d'un roulement (11) à billes (68) ou à aiguilles (69), caractérisé en ce qu'il comprend un indicateur de blocage constitué d'un manchon (56) débouchant dans un interstice annulaire (58) prévu entre un tube distributeur (27) et une enveloppe déflectrice (59) montée sur un tube distributeur (27) et limitée par un rebord biaisé (60) coopérant avec une arête biaisée (61) d'une protubérance annulaire du manchon (56) pour délimiter une fente annulaire (62) de largeur variable, lors d'un coulissement du manchon (56) par rapport à l'enveloppe déflectrice (59), l'obturation progressive de la fente permettant de réduire progressivement le débit du liquide de forage et entraîne une augmentation progressive de la pression, en guise de signal indiquant un blocage.
Carottier double, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'obturation (19) à bille (46) apte à maintenir la bille (46) sur son siège (48) ouelle que soit l'inclinaison du forage dévié.
Carottier selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'obturation (19) à bille (46) est une corbeille (49) formée de doigts métalliques (50) retenus par le bord supérieur (51) de la corbeille (49) et recourbés vers l'intérieur, élastiquement déformables et capables de s'écarter sous la poussée de la bille (46) et former une barrière anti-retour, lorsque les doigts (50) reviennent en position initiale après le passage de la bille (46) pour empêcher celle-ci de remonter.