EP1225299B1 - Outil de forage à jet de liquide sous pression - Google Patents

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EP1225299B1
EP1225299B1 EP02290126A EP02290126A EP1225299B1 EP 1225299 B1 EP1225299 B1 EP 1225299B1 EP 02290126 A EP02290126 A EP 02290126A EP 02290126 A EP02290126 A EP 02290126A EP 1225299 B1 EP1225299 B1 EP 1225299B1
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EP
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tool
boring
jet
under pressure
nozzles
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Jean-Claude c/o Compagnie du Sol Gessay
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Compagnie du Sol SARL
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Compagnie du Sol SARL
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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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets
    • 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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/065—Deflecting the direction of boreholes using oriented fluid jets

Definitions

  • the present invention relates to a set of drilling fluid jet under pressure which allows the realization of deviated drilling.
  • the so-called "jet grouting” technique consists in producing concrete columns of soil using a fluid sent at high pressure to destructure the ground. This destructuring operation is performed from a mechanical drilling materializing the axis of the column which will be obtained.
  • the position and in particular the verticality of these columns are very important for the quality of the final work, especially when it must have a sealing function. For example, to obtain a good continuity of a veil resulting from the juxtaposition of columns or that of a solid mass, it is necessary to position very precisely the axes of all the columns constituting this work.
  • directed drilling techniques are used in order to correct the deviations of the axis of the drilling in progress.
  • the directional drilling technique relies on two systems: on the one hand, the detection of the drilling position and, on the other hand, the possibility of deflecting this drilling in the desired direction in order to correct the verticality error or, more generally, the direction error.
  • a drilling technique used in poorly consistent alluvial terrain consists of destructuring the soil by a jet of pressurized fluid directed towards the front of the tool. This technique is called jetting. It is widely used in sandy loams. The disadvantage of this drilling principle is that it does not work as soon as it encounters a somewhat harder obstacle.
  • An object of the invention is to provide a set of drilling in the ground by injection of fluid under pressure which allows, in certain drilling phases, to carry out a directional drilling to correct a drilling direction error.
  • means for creating a jet of pressurized fluid means that allow to create at the lower end of the drilling tool a fluid outlet under pressure, which may actually consist of a single jet or in a plurality of jets.
  • the drilling tool can be driven by a continuous or alternating rotation movement about its longitudinal axis, by mean non-symmetrical distribution with respect to the longitudinal axis, not only the distribution of the jet to the static state (in the absence of rotation) but also dynamic, that is to say all the positions of the jet or jets during a period of rotation of the tool about its axis.
  • the tool is characterized in that the means for creating a jet of fluid under pressure comprise q injection nozzles distributed symmetrically with respect to the longitudinal axis of said tool and in that comprises means for temporarily controlling the interruption of the supply of some of said nozzles such that said fed nozzles have a non-symmetrical distribution with respect to the longitudinal axis of said tool.
  • the jet of pressurized fluid has a symmetrical distribution with respect to the axis of the tool and the jet is temporarily modified in the phases of deviation to introduce asymmetry in the desired direction.
  • the directional drilling tool is characterized in that said means for creating the jet of pressurized fluid comprise q pressure injection nozzles, said q nozzles being distributed asymmetrically with respect to the longitudinal axis of said tool, and it comprises means for simultaneously supplying said nozzles.
  • the jet of pressurized fluid is asymmetrical with respect to the axis of the body of the tool permanently and, in the deflection phases, the deflection is thus obtained.
  • the tool is controlled in continuous rotation to make the average distribution of the fluid jet under symmetrical pressure over a period of rotation of the tool.
  • a drilling assembly comprising a platform 10 preferably mounted on the tracks 14 or any other displacement system.
  • a guide post 16 serving to guide a carriage in translation 18.
  • the carriage 18 supports a drill head 20 for rotating and translational movement of a drill string 22 at the lower end 22a of which is mounted the drilling tool 24.
  • the drilling tool 24 is of the type capable of creating jets of fluid under pressure.
  • the pressure feed is carried out by a source of pressurized fluid 26, preferably a liquid, which feeds a pipe (not shown) disposed inside the drill rods 2, this pipe being able to be constituted by the rods themselves and connected to the latter by a flexible tube 28 and a rotary joint 30.
  • the vertical displacement control of the drill head 20 is provided for example by a cable 32 or chain system, driven by a motor not shown, while the rotation of the drill string is carried out for example by a motor 34.
  • This tool comprises a body 40 which has a lower end 42 on which are mounted cutting members such as 44 of conventional type. In the lower face 42 are also provided nozzles such as 46 capable of creating a jet of pressurized liquid substantially along the longitudinal axis X-X 'of the body 40 of the tool.
  • the body 40 of the tool has a second end 48 provided with a thread 50 for connection to the drill string 22.
  • a supply pipe for pressurized liquid 52 is also shown in the drill string 22 a supply pipe for pressurized liquid 52. This pipe 52 is connected to passages such as 54 arranged in the body of the tool to feed the nozzles 46.
  • the nozzle 46a is equipped with a controllable switch 56.
  • FIG 2B there is shown four mechanical cutting tools such as 44 and four injection nozzles 46a, 46b, 46c and 46d. These nozzles are arranged at 90 ° relative to each other. More generally, these nozzles whose number may be different from 4 are arranged generally symmetrically with respect to the axis X-X 'of the tool.
  • the nozzles 46b, 46c and 46d permanently create a localized jet of liquid whereas the nozzle 46a creates such a jet or creates no jet according to the state of the switch 56.
  • the switch 56 may for example be controlled by a bistable system whose state depends on the application of a temporary overpressure.
  • the alternating rotation of the tool by an angle equal to 90 ° for example, which does not alter the dissymmetry of the jet, but allows the action of the different 360-degree cutting tools. More generally, if the tool has n cutting members 40, the alternating rotation will be an angle at least equal to 360 / n degrees and less than 360 degrees to maintain the average dissymmetry jets produced by the nozzles.
  • the motor 34 of the drill head will have to be controlled accordingly.
  • the drilling tool which bears the reference 24b comprises three cutting members 60 and three nozzles for injecting pressurized liquid 62a, 62b and 62c.
  • the injection nozzles 62a and 62c are closed permanently while the nozzle 62b is permanently open. It would also be possible to provide a tool with only one nozzle. It is understood that when the drilling tool is fed with fluid under pressure, the resulting overall jet is, in the static state, that is to say in the absence of rotation of the tool, asymmetrical by relative to the axis XX 'of the drilling tool. It can thus cause the deviation of the tool as shown in Figure 3B.
  • the tool can be given an alternating rotational movement F of an angle equal to 120 °. Indeed, this rotation allows the action of the cutting members 360 ° but does not alter the average dissymmetry jet of liquid under global pressure produced by the nozzle 62b. More generally, if the tool has n cutting members 40, the alternating rotation should correspond to an angle at least equal to 360 / n degrees to ensure a 360-degree cut. The alternating angle of rotation must respect the asymmetrical mean distribution condition of the jet (or jets) of liquid under pressure. This angle is therefore necessarily less than 360 degrees.
  • the single jet produced by the nozzle 62b occupies all the angular positions relative to the axis XX 'on a complete rotation. Alternate rotations of the tool can also be caused by plus or minus 360 degrees.
  • the number of active nozzles and their angular disposition relative to the longitudinal axis of the tool causes the jets to be dissymmetrical with respect to this axis.

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Description

  • La présente invention a pour objet un ensemble de forage à jet de liquide sous pression qui permet la réalisation de forage dévié.
  • La technique dite de "jet grouting" consiste à réaliser des colonnes de béton de sol en utilisant un fluide envoyé à haute pression pour déstructurer le terrain. Cette opération de déstructuration est réalisée à partir d'un forage mécanique matérialisant l'axe de la colonne qui sera ainsi obtenue. La position et notamment la verticalité de ces colonnes sont très importantes pour la qualité de l'ouvrage final en particulier lorsque celui-ci doit avoir une fonction d'étanchéité. Par exemple, pour obtenir une bonne continuité d'un voile résultant de la juxtaposition de colonnes ou celle d'un massif, il faut positionner de façon très précise les axes de toutes les colonnes constituant cet ouvrage. Pour corriger des erreurs de positionnement et notamment de verticalité, on utilise des techniques de forage dirigé afin de corriger les déviations de l'axe du forage en cours de réalisation.
  • La technique de forage dirigé s'appuie sur deux systèmes : d'une part la détection de la position du forage et d'autre part la possibilité de faire dévier ce forage dans la direction souhaitée afin de corriger l'erreur de verticalité ou, plus généralement, l'erreur de direction.
  • Les techniques couramment utilisées dans les terrains durs, c'est-à-dire essentiellement dans le domaine des forages pétroliers, sont basées sur trois principes :
    • l'insertion d'un coude dans la ligne d'outil ;
    • l'utilisation de déflecteurs commandés qui créent un effort latéral sur l'outil ; et
    • le changement de l'incidence de l'outil, par exemple en faisant fléchir son axe.
  • Ces trois techniques sont associées à la rotation continue de l'outil de forage entraîné soit par un moteur de fond, soit directement par la tête de forage via le train de tiges. L'outil de forage est uniquement équipé d'organes mécaniques de coupe. La mise en circulation d'un liquide ou boue de forage a uniquement pour but de lubrifier les organes mécaniques de coupe et de permettre la remontée des débris de sol arrachés.
  • Dans les terrains de couverture, d'autres techniques de forage dévié sont utilisées. Elles sont basées sur le fonçage d'une palette inclinée dont est équipé l'outil, ce fonçage étant quelquefois assisté par un jet de fluide de forage. Pour effectuer la déviation, la rotation du train de tiges à l'extrémité duquel est monté l'outil doit être arrêtée et après orientation, l'outil est foncé dans le terrain sur quelques centimètres avant de reprendre sa rotation. Cette opération est répétée plusieurs fois jusqu'à ce que l'on obtienne une déviation significative capable de corriger l'erreur de direction. Pour forer de façon normale, l'outil est mis en rotation continue.
  • Dans le cas des forages utilisés pour la construction de colonnes par "jet grouting", ceux-ci sont obligatoirement situés dans des terrains qui peuvent être détruits par un jet sous haute pression, c'est-à-dire des terrains relativement meubles.
  • Une technique de forage utilisée dans les terrains alluvionnaires peu cohérents consiste à déstructurer le sol par un jet de fluide sous pression dirigé vers l'avant de l'outil. Cette technique s'appelle le lançage. Elle est très utilisée dans les terrains sableux peu compacts. L'inconvénient de ce principe de forage est qu'il ne fonctionne pas dès qu'il rencontre un obstacle un peu plus dur.
  • Un objet de l'invention est de fournir un ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression qui permet, dans certaines phases de forage, de réaliser un forage dirigé afin de corriger une erreur de direction du forage.
  • L'état de la technique le plus proche est représenté par chacun des documents US-A-3488765, GB-A-2284837, US-A-4637479, US-A-3599733
  • Pour atteindre ce but, l'ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression comprend :
    • une pluralité de tiges de forage raccordées entre elles et comportant des moyens formant conduite pour un fluide sous pression, lesdites tiges formant un train de tiges ;
    • une tête de forage pour commander la mise en rotation dans un sens et dans l'autre et la translation verticale dudit train de tiges ;
    • un outil de forage fixé à l'extrémité inférieure dudit train de tiges, ledit outil ayant un corps présentant un axe longitudinal prolongeant l'axe du train de tiges, une extrémité inférieure munie de n organes de coupe (n > 1) et des moyens pour créer un jet de fluide sous pression pour désagréger le sol, des moyens de raccordement des moyens formant conduite aux moyens de création de jet et des moyens pour donner audit jet une distribution moyenne non symétrique par apport audit axe longitudinal dudit outil ; et
    • des moyens pour alimenter lesdits moyens formant conduite sous une pression suffisante pour que le jet produit réalise effectivement une désagrégation du sol.
    caractérisé en ce que durant les phases de déviation la rotation du train de tiges peut être commandée de telle manière qu'on obtient une rotation alternée dans un sens et dans l'autre d'un angle au moins égal à 360/n degrés et inférieur à 360 degrés.
  • Dans le présent texte, par moyens pour créer un jet de fluide sous pression, il faut entendre des moyens qui permettent de créer à l'extrémité inférieure de l'outil de forage une sortie de fluide sous pression, pouvant consister effectivement en un seul jet ou en une pluralité de jets.
  • En outre, l'outil de forage pouvant être animé d'un mouvement de rotation continu ou alterné autour de son axe longitudinal, par distribution moyenne non symétrique par rapport à l'axe longitudinal, on entend non seulement la distribution du jet à l'état statique (en l'absence de rotation) mais également dynamique, c'est-à-dire l'ensemble des positions du ou des jets lors d'une période de rotation de l'outil autour de son axe.
  • Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'outil se caractérise en ce que les moyens pour créer un jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection réparties symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil et en ce qu'il comprend des moyens pour commander temporairement l'interruption de l'alimentation de certaines desdites buses de telle manière que lesdites r buses alimentées présentent une distribution non symétrique par rapport à l'axe longitudinal dudit outil.
  • On comprend que, dans ce premier mode de mise en oeuvre, en dehors des phases de déviation, le jet de fluide sous pression présente une distribution symétrique par rapport à l'axe de l'outil et le jet est modifié temporairement dans les phases de déviation pour introduire une dissymétrie dans la direction souhaitée.
  • Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, l'outil de forage directionnel se caractérise en ce que lesdits moyens de création du jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection sous pression, lesdites q buses étant réparties non symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil, et il comprend des moyens pour alimenter simultanément lesdites buses.
  • Dans ce deuxième mode de mise en oeuvre, le jet de fluide sous pression est dissymétrique par rapport à l'axe du corps de l'outil en permanence et, dans les phases de déviation, on obtient donc la déviation. En revanche, en dehors des phases de déviation, l'outil est commandé en rotation continue pour rendre la distribution moyenne du jet de fluide sous pression symétrique sur une période de rotation de l'outil.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
    • la figure 1 est une vue en élévation d'un ensemble de forage par jet sous pression ;
    • la figure 2A est une vue en coupe longitudinale d'un outil de forage selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2B est une vue de face de l'outil de la figure 2A ;
    • la figure 3A est une vue de face d'un outil de forage selon un deuxième mode de réalisation ; et
    • la figure 3B est une vue de côté de l'outil de la figure 3A montrant l'effet de déviation.
  • Sur la figure 1, on a représenté un ensemble de forage comportant une plate-forme 10 montée de préférence sur des chenilles 14 ou tout autre système de déplacement. Sur la plate-forme 10 est articulé un mât de guidage 16 servant à guider en translation un chariot 18. Le chariot 18 supporte une tête de forage 20 pour la mise en rotation et le déplacement en translation d'un train de tiges de forage 22 à l'extrémité inférieure 22a duquel est monté l'outil de forage 24. L'outil de forage 24 est du type capable de créer des jets de fluide sous pression.
  • L'alimentation sous pression est réalisée par une source de fluide sous pression 26, de préférence un liquide, qui alimente une conduite non représentée disposée à l'intérieur des tiges de forage 2, cette conduite pouvant être constituée par les tiges elles-mêmes et raccordée à celle-ci par un tube flexible 28 et un joint tournant 30. Le contrôle des déplacements verticaux de la tête de forage 20 est assuré par exemple par un système de câble 32 ou de chaîne, entraîné par un moteur non représenté, alors que la mise en rotation du train de tiges est réalisée par exemple par un moteur 34.
  • En se référant tout d'abord aux figures 2A et 2B, on va décrire un premier mode de réalisation de l'outil de forage qui porte la référence 24a. Cet outil comprend un corps 40 qui présente une extrémité inférieure 42 sur laquelle sont montés des organes de coupe tels que 44 de type classique. Dans la face inférieure 42 sont également prévues des buses telles que 46 capables de créer un jet de liquide sous pression dirigé sensiblement selon l'axe longitudinal X-X' du corps 40 de l'outil. Le corps 40 de l'outil comporte une deuxième extrémité 48 munie d'un filetage 50 de raccordement au train de tiges 22. On a représenté également dans le train de tiges 22 une conduite d'alimentation en liquide sous pression 52. Cette conduite 52 est raccordée à des passages tels que 54 aménagés dans le corps de l'outil pour alimenter les buses 46. Comme le montre la figure 2A, la buse 46a est équipée d'un interrupteur commandable 56. Sur la figure 2B, on a représenté quatre outils mécaniques de coupe tels que 44 et quatre buses d'injection 46a, 46b, 46c et 46d. Ces buses sont disposées à 90° les unes par rapport aux autres. Plus généralement, ces buses dont le nombre peut être différent de 4 sont disposées globalement symétriquement par rapport à l'axe X-X' de l'outil.
  • On comprend que, lorsque les buses sont alimentées en liquide sous pression, les buses 46b,46c et 46d créent en permanence un jet localisé de liquide alors que la buse 46a crée un tel jet ou ne crée aucun jet selon l'état de l'interrupteur 56. L'interrupteur 56 peut par exemple être commandé par un système bistable dont l'état dépend de l'application d'une surpression temporaire.
  • On comprend que, lorsque l'outil 24a n'est pas entraîné en rotation et que la buse 46a est obturée, le jet global de liquide sous pression créé par les buses 46b, 46c et 46d est dissymétrique et va permettre la déviation de la trajectoire de l'outil dans le sol. Au contraire, si la buse 46a est alimentée, le jet global est symétrique et aucune déviation n'intervient.
  • Il est possible lors de la phase de déviation de combiner l'effet des jets sous pression et l'action mécanique des organes de coupe 44 pour obtenir le forage. Pour maintenir l'effet de déviation, il suffit de provoquer la rotation alternée de l'outil d'un angle égal à 90° par exemple, ce qui n'altère pas la dissymétrie du jet, mais permet l'action des différents outils de coupe sur 360 degrés. Plus généralement, si l'outil comporte n organes de coupe 40, la rotation alternée sera d'un angle au moins égal à 360/n degrés et inférieur à 360 degrés pour maintenir la dissymétrie moyenne des jets produits par les buses. Le moteur 34 de la tête de forage devra être commandé en conséquence.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3A et 3B, l'outil de forage qui porte la référence 24b comprend trois organes de coupe 60 et trois buses d'injection de liquide sous pression 62a, 62b et 62c. Les buses d'injection 62a et 62c sont obturées en permanence alors que la buse 62b est ouverte en permanence. Il serait également possible de prévoir un outil ne comportant qu'une seule buse. On comprend qu'ainsi lorsque l'outil de forage est alimenté en fluide sous pression, le jet global résultant est, à l'état statique, c'est-à-dire en l'absence de rotation de l'outil, dissymétrique par rapport à l'axe X-X' de l'outil de forage. On peut ainsi provoquer la déviation de l'outil comme le montre la figure 3B. Pour permettre l'action des différents organes de coupe 60, on peut donner à l'outil un mouvement de rotation alterné F d'un angle égal à 120°. En effet, cette rotation permet l'action des organes de coupe sur 360° mais n'altère pas la dissymétrie moyenne du jet de liquide sous pression globale produit par la buse 62b. Plus généralement, si l'outil comporte n organes de coupe 40, la rotation alternée devra correspondre à un angle au moins égal à 360/n degrés pour assurer une coupe sur 360 degrés. L'angle de rotation alterné doit respecter la condition de distribution moyenne dissymétrique du jet (ou des jets) de liquide sous pression. Cet angle est donc nécessairement inférieur à 360 degrés.
  • En revanche, en dehors des phases de déviation de l'outil, on peut imprimer à celui-ci un mouvement de rotation continu commandé par la tête de forage 20. En effet, en moyenne, le jet unique produit par la buse 62b occupe toutes les positions angulaires par rapport à l'axe X-X' sur une rotation complète. On peut également provoquer des rotations alternées de l'outil de plus ou moins 360 degrés.
  • Bien entendu le nombre de buses actives d'injection du liquide de forage pourrait être différent de un.
  • Il suffit que le nombre de buses actives et leur disposition angulaire par rapport à l'axe longitudinal de l'outil fasse que les jets soient dissymétriques par rapport à cet axe.

Claims (5)

  1. Ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression comprenant :
    - une pluralité de tiges de forage (22) raccordées entre elles et comportant des moyens formant conduite pour un fluide sous pression (28, 30), lesdites tiges formant un train de tiges ;
    - une tête de forage (20) pour commander la mise en rotation et la translation verticale dudit train de tiges ;
    - un outil de forage (24) fixé à l'extrémité inférieure dudit train de tiges, ledit outil ayant un corps (40) présentant un axe longitudinal prolongeant l'axe du train de tiges, une extrémité inférieure (42) munie de n organes de coupe (n > 1) et des moyens par buses pour créer un jet de fluide sous pression pour désagréger le sol, des moyens de raccordement des moyens formant conduite aux moyens par buses de création de jet et des moyens pour donner audit jet une distribution moyenne non symétrique par apport audit axe longitudinal dudit outil ; et
    - des moyens pour alimenter lesdits moyens formant conduite sous une pression suffisante pour que le jet produit réalise effectivement une désagrégation du sol, caractérisé en ce que durant les phases de déviation la rotation du train de tiges peut être commandée de telle manière qu'on obtient une rotation alternée dans un sens et dans l'autre d'un angle au moins égal à 360/n degrés et inférieur à 360 degrés.
  2. Ensemble de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens par buses pour créer un jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection (46) réparties globalement symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil et en ce qu'il comprend des moyens (56) pour commander temporairement l'interruption de l'alimentation de certaines desdites buses de telle manière que lesdites r buses alimentées produiront une distribution non symétrique par rapport à l'axe longitudinal dudit outil.
  3. Ensemble de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens par buses de création du jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection (62) sous pression, lesdites q buses étant réparties globalement non symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil, et en ce qu'il comprend des moyens pour alimenter simultanément lesdites buses.
  4. Ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit outil de forage (24a) comporte n organes de coupe (44) et en ce que, durant les phases de déviation, seulement r desdites buses (r ≤ n) sont alimentées en fluide sous pression.
  5. Ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit outil de forage comprend n organes de coupe (60) avec n ≥ q et en ce que la tête de forage est commandée pour provoquer la rotation continue dans un même sens, ou des rotations alternées de plus ou moins 360 degrés du train de tiges pendant les phases de forage sans déviation.
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