EP2004946A1 - Dispositif d'orientation d'outils de forage - Google Patents

Dispositif d'orientation d'outils de forage

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Publication number
EP2004946A1
EP2004946A1 EP07731198A EP07731198A EP2004946A1 EP 2004946 A1 EP2004946 A1 EP 2004946A1 EP 07731198 A EP07731198 A EP 07731198A EP 07731198 A EP07731198 A EP 07731198A EP 2004946 A1 EP2004946 A1 EP 2004946A1
Authority
EP
European Patent Office
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main body
shaft
bearing
pivot
housing
Prior art date
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EP07731198A
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German (de)
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EP2004946B1 (fr
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Francois Millet
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Individual
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Publication of EP2004946A1 publication Critical patent/EP2004946A1/fr
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Publication of EP2004946B1 publication Critical patent/EP2004946B1/fr
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Classifications

    • 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
    • E21B7/067—Deflecting the direction of boreholes with means for locking sections of a pipe or of a guide for a shaft in angular relation, e.g. adjustable bent sub

Definitions

  • the present invention relates to the field of drilling. It concerns in particular drilling requiring a trajectory control, particularly in the fields of the oil and gas industry, civil engineering, geothermal energy and more generally in all fields of intervention in trenchless terrain.
  • the drilling systems employed may be entirely mechanical, or may include electronic equipment.
  • Static Feature adjustable connection, also called connector angled, reg ⁇ traveling web surface to equip a turbine type downhole motor, PDM ( "Positive Displacement Motor”), or electric motor
  • PDM Positive Displacement Motor
  • Pseudo-dynamic device swiveling connection activated autonomously or from the surface, only for the sliding phases without rotation of the drill string, designated by the Anglo-Saxon term “sliding”, to equip a turbine type bottom engine or alternatively activated variable diameter stabilizer, or the like
  • Dynamic device system controlled in real time from the surface or autonomously for the realization of rotary drilling systems of type known to those skilled in the art under the term “Rotary Steerable System", abbreviated RSS.
  • EP 0 744 526 and US Pat. No. 4,947,944 describe means for so-called “external" coupling for a set of elements of a drill string and drill tools.
  • US Patent Application Publication No. 2005/0173155 discloses an assembly of drilling means in which a locking means is provided for transmitting to the shaft a torsion torque generated by the casing or casing, disengageably.
  • the present invention therefore aims to provide a device for orienting a drilling tool (drill bit, PDC, bit, etc.), said device being usable in various variants adaptable to the needs and, moreover, easy to operate in all places.
  • its maintenance is easy, and the life of its most stressed parts is also improved, since it takes into account the asymmetry between the upstream and downstream of the device, namely respectively between bottom end of the main drill string or BHA (Bottom HoIe Assembly) and drill / drill bit.
  • An object of the invention is to provide an orientation device architecture, also called “swivel fitting” or “elbow fitting”, to overcome the limitations indicated above.
  • Such a device has a reduced length and, therefore, offers a large BUR despite a low angle of elbow (or orientation angle), is also reliable and economical to manufacture, and allows easy assembly and maintenance to achieve.
  • the device comprises, in order to make it possible to control the orientation of the drill / bit tool to which it is integrated, essentially a main body and an orientable housing, arranged consecutively from upstream to downstream and respectively bound respectively.
  • at least one link advantageously of pivot type, sliding pivot, ball or linear annular forming a first bearing, and at least one pivot connection forming a second bearing, to a curved or flexible transmission shaft which passes through longitudinally, while a an appropriate connection forming a third bearing between said transmission shaft and the main body is arranged near the end of said main body located on the side of said steerable housing, and while the orientation is achieved by means of relative displacement essentially radial of the main body with respect to the orientable housing near their interface, hereinafter referred to as "deflection system", said main body being optionally equipped on its periphery with support pads of a diameter less than or equal to the diameter of the drill / bit tool and said steerable housing optionally being provided on its periphery with support pads of a diameter less than
  • support pads The function of said support pads is to bear on the wall of the well drilled for an optimal deviation of the drill / drill bit, and to slow the rotation relative to the axis of the well and possibly cause the stopping or locking the device in rotation, in cooperation with the walls of the drilled well in the case of crampons.
  • downstream direction conventionally refers to the direction of the drill bit / bit
  • upstream direction refers to the upper end of the drill string
  • the device according to the invention comprises, consecutively from upstream to downstream, a main body and a steerable housing in operative relation thereto, a traversing shaft, and at least three bearings and preferably three bearings as defined above, and advantageously support pads and / or cleats as aforesaid, the deflection exerted by means of a suitable deflection system leading to the desired curvature of the curved or flexible shaft, c that is, in practice at the desired orientation angle between the longitudinal axes of the main body and the steerable housing.
  • the shaft is strongly stressed near the aforementioned bearings, and it is preferred that all bearings and other components cooperating with the shaft are hooped.
  • the bending of the shaft is achieved by substantially radial displacement of the upper end of the orientable housing relative to the lower end of the main body, under the action of a deflection system.
  • a deflection system is of known type, or its design is within the reach of the skilled person.
  • Said deflection is effected, in practice, by essentially radial displacement of the upper end of the orientable housing with respect to the longitudinal axis of the main body, by means of a deflection system, by being supported either on the transmission shaft or the main body (so-called “internal” coupling), or on the wall of the drilled well (so-called “external” coupling).
  • the coupling can only be internal in the static version.
  • the originality of such a device lies essentially in the use of the controlled bending of the drive shaft to articulate the body of the device.
  • Such a mode of operation of the device allows its compatibility with existing guidance devices, whether internal or external.
  • the deflection device integrated in the orientation device according to the invention it can be implemented in the case of a static orientation device, in preferred embodiments, illustrative and non-limiting, by means of two radially eccentric rings, a ball joint and a sliding pivot connection; the deflection is then obtained by differential rotation of the two rings.
  • Figure 1 shows, in partial longitudinal schematic section, a device according to the invention, in its position for rectilinear drilling, and in its embodiment described as static or pseudo-dynamic;
  • Figure 2 shows, in partial longitudinal schematic section, a device according to FIG. 1, in a position for curved drilling
  • FIG. 3 represents, in partial longitudinal schematic section, a device according to the invention, in its position for rectilinear drilling, and in its embodiment described as dynamic, with a so-called “external”coupling;
  • FIG. 4 shows, in partial longitudinal schematic section, a device according to FIG. 3, in a position for curved drilling
  • FIG. 5 represents, in partial longitudinal schematic section, a device according to the invention, in its position for rectilinear drilling, and in its so-called dynamic embodiment, with so-called "internal" coupling;
  • Figure 6 shows, in partial longitudinal schematic section, a device according to FIG. 5, in a position for curved drilling
  • FIGS. 1A, 3A, 5A, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B and 6B are diagrammatic cross-sectional views respectively of A-A or B-B of the devices according to the respective figures bearing the same number;
  • Figure 7 is a more detailed representation, in longitudinal section, of a device according to the invention, in its static version and in its position for rectilinear drilling;
  • Figure 8 is a more detailed representation, in longitudinal section, of a device according to FIG. 7, in its position for curved drilling;
  • Figure 9 is a more detailed representation, in partial schematic longitudinal section, of a bearing assembly, with shrink connection in a device according to the invention.
  • the device having an orientable connection architecture essentially comprises a main body 1 and an orientable housing 2, respectively connected by at least one connection of pivot type, sliding pivot, ball or linear annular forming a first bearing 4 and at least one pivot connection forming a second bearing 5 to a transmission shaft 3 curvable or flexible, which passes through them longitudinally, while a suitable connection forming a third bearing 6 between said transmission shaft and the main body, is arranged near the interface between said main body and said housing, and while the orientation is achieved by means acting as a deflection system 7 to control the substantially radial relative displacement of the main body 1 relative to the orientable housing 2 near their interface, said main body being optionally equipped on its periphery of support pads 9 with a diameter less than or equal to the diameter of the drilling tool / bit 16, and said steerable housing being optionally equipped on its perip
  • connection forming a third bearing is meant here, advantageously, a link type pivot, sliding pivot, annular linear or ball joint.
  • the steerable housing 2 is located downstream of the main body 1, with respect to the direction of advancement of the system incorporating the device.
  • the bending of the shaft 3 that is to say the orientation according to the desired angle between the longitudinal axes of the main body and the orientable housing, is achieved by essentially radial displacement of the steerable housing 2 relative to the main body 1, and / or relative to the transmission shaft 3, under the action of a deflection system 7.
  • a joint is formed between the main body 1 and the steerable housing 2, in the form of a curved or flexible shaft 3 connected to each of these two parts 1, 2 by a pivot connection and means of Orientation placed between the main body 1 and the steerable housing 2 and able to move the adjacent ends thereof substantially radially relative to each other.
  • a device also comprises, in practice, a front wiper seal assembly + seal 8, pads 9 for the main body 1, support pads 10a for the steerable housing 2, a pressurizing device 11, a high connection 12 and a low connection 13, a functional assembly comprising stator-motor, turbine, etc. 14, a rotor-motor assembly, turbine, etc.
  • a drill / bit tool (PDC or tricone) 16
  • PDC drill / bit tool
  • one or more electronic compartments 17 comprising sensors, a real-time computer, a gear such as gear / crown gear 18 driving at least an alternator 19a and / or at least one hydraulic pump 19b.
  • the pivot connection between the main body 1 and the shaft 3 is made by means (A) of a so-called upper bearing 4 of the pivot or ball joint type, and (B) of a bearing 6 said central annular linear type, these two bearings being located near the two respective ends of the main body 1, while the central bearing 6 is on the steerable housing side 2, and the pivot connection between the steerable housing 2 and the shaft 3 is performed by means of a so-called lower bearing 5, located near the end of the orientable housing 2 located on the side of the drill / drill bit.
  • the device according to the invention makes it possible in practice to provide an angle of elbow said Bent angle of about 0 ° to 1 ° and more.
  • the device according to the invention comprises a main body 1 equipped with support pads 9 at the diameter of the drilling tool at each of its ends, and a steerable housing 2 equipped with support pads 10a to the diameter of the drill bit at its lower end ("bit" side) and, in dynamic configuration, crampons or knives at its upper end (main body side) to allow the braking or even stopping by rotational locking of the main body 1 and the steerable housing 2 respectively by friction and grooving of the wall of the drilled well.
  • the main body can integrate a feeder, preferably tungsten, to limit the rotation of the main body 1 and the steerable housing 2 relative to the wall of the well.
  • a feeder preferably tungsten
  • the system comprises three bearings (4, 5, 6), on which is mounted at least one traversing shaft 3, while the deflection leads to the desired orientation angle between the longitudinal axes of the main body and the steerable housing Said deflection is achieved, in practice, by essentially radial displacement of the upper end of the orientable housing 2 relative to the main body 1, by means of a deflection system 7.
  • Deflection system is a system advantageously comprising a spring preloaded slide, a ball and two eccentric rings radially, such a system being controlled and lockable manually.
  • the deflection system is advantageously placed in front of the central bearing so that the point of rotation of the drill bit is as close as possible to the center of the bearing pads 10a forming an annular linear connection with the wall of the drilled well, with effect of reducing parasitic forces.
  • the front seal it is preferably pressed against the end of the steerable housing 2 under the combined action of the pressurizing internal pressure and a spring, preferably a spring with corrugated turns.
  • the pressurizing device is preferably placed in the orientable housing 2, but any other arrangement is conceivable.
  • said bearings (4, 5, 6) can be composed of either bearings, including ball bearings, spherical roller bearings, tapered roller bearings, cylindrical roller bearings or needle bearings or bearings called CARB TM marketed by the Swedish company SKF; either bearings hydrodynamic, especially oil or drilling mud; or any combination of the two previous types.
  • the bearings 4, 5, 6 are hydrodynamic, or consist of ball bearings and / or advantageously preloaded roller bearings to maximize the stiffness of the bearings and their impact resistance.
  • the transmission shaft 3 is hollow tubular, to allow the passage of the drilling fluid (s) with a mirrimum of pressure drop, and the passage of measuring probes descended by means of a cable being drilled (for measurements usually referred to as "thru the bit measurement” or measurements through the wick).
  • the transmission shaft 3 is advantageous for the transmission shaft 3 to be made of composite or alloy materials having a high ratio between its endurance limit in alternating flexion and its Young's modulus, in order to increase the flexibility to maximize the deflection or BUR without reducing its life in rotary bending, as the lower bearing 5.
  • the monobloc shaft is in this case advantageously made of titanium alloy, beryllium bronze, steel non-magnetic stainless steel or alloy steel with high mechanical properties. In the case of use with a MWD, which is then generally located just above the device or even integrated therewith, nonmagnetic alloys are preferred.
  • the components such as bearings, ring gear, bearing, etc.
  • the shaft is attached to the shaft by shrinking, thermal or mechanical, so that the shaft has no groove, neither shoulder nor throat, or in practice no abrupt and significant section changes. Only the ends of the shaft, which are less stressed, may have threads and grooves seal.
  • the connection of the respectively low and high connections 12, 13 with the transmission shaft 3 is achieved by a threading associated with a mechanical hoop ensuring the transmission respectively of the traction / compression forces (abbreviated WOB) and torque to the drill bit / bit 16 (see Fig. 9).
  • WOB traction / compression forces
  • these mechanical frets are hydraulically controlled, to facilitate assembly and maintenance of the entire device. Such a device thus avoids the use of an expensive clamping bench, generally not available on the site, and also allows the control of the preload of the bearings by simple measurement of hydraulic pressure when the lower and upper bearings are backed connections (see Fig. 9).
  • connections between said shaft and the high and low connections 12, 13 are made by threading for the axial forces and by shrinking for the transmission of torque.
  • a shaft 3 passes centrally through the orientable housing 2 along its axis of axial symmetry Z-Z ', and a bearing sleeve 20 supports a bearing 5 provided with an internal spacer 21 and an outer spacer 22, as well as a bearing hoop 23.
  • a bearing and the connection 24 (manually tightened on the shaft) to the drill bit / bit 16, or alternatively, the drill bit / wick 16 itself, is provided with a sealing support 25, a connection ring 26, a conical ring 32 and a locking nut 29.
  • a plug / hydraulic connection 27 and a ring conical 32 for prestressing said bearing 5, and a locking nut 29 allow pumping at a given pressure for the introduction / preloading of the bearings and reversible mechanical shrinking of the bearing sleeve 20 on the shaft 3.
  • the sealing support 25 we pump through the clamping orifice 28, to axially move the hoop 26 relative to the conical ring 32 and thus ensure the reversible mechanical shrinking of the connection 24 on the shaft 3.
  • the clamping is completed by a clamping / locking operation of the sealing support 25, the locking nut 29, as well as the hydraulic plugs / connections 27, 28 and 30.
  • Disassembly of such an assembly ensuring the mounting of bearings in a device according to the invention comprises the steps of: unblocking / loosening of the locking nut 29, pumping by the hydraulic connection 27, loosening of the sealing support 25, pumping through the connection hydraulic 30 for loosening the bearing ring 23, and manually loosening the connection 24.
  • all or almost all the structural components of the device which constitute the bulk of the mass of the orientable coupling are preferably non-magnetic alloys, ceramic, composite material and / or plastic, so as not to disturb the measurements of the MWD tools, which are generally located just above the device or even integrated therewith.
  • all the mechanisms are immersed in oil maintained at an overpressure of about 0.01 to 1 MPa and more with respect to its environment, advantageously thanks to a device of pressurization preferably performed by means of an annular piston pushed by the pressure of the surrounding fluid and a spring housed between the body of the housing and the transmission shaft.
  • a front wiper and seal assembly or a metal bellows, made of plastic or elastomeric laminate, seals between the main body 1 and the orientable housing 2.
  • these are advantageously straight blades or helical, preferably stripped to reduce the risk of clogging, acting as stabilizers not rotating, of a diameter less than or equal to the diameter of the drill bit / bit.
  • These non-rotating stabilizers are preferably provided with "buttons" respectively aligned or helically, advantageously made of tungsten carbide or polycrystalline diamond (abbreviated as PDC), or provided with an abrasion-resistant deposit.
  • the device according to the invention When designed to form a dynamic coupling with internal coupling, the device according to the invention is advantageously equipped, at the end of the orientable housing 2 located on the side of the deflection system 7, longitudinal blades or crampons 10b intended to allow the rotational braking of the swivel connection by grooving the wall of the drilled well.
  • these crampons or blades are advantageously made of carbide tungsten or polycrystalline diamond (abbreviated PDC), to optimize their longevity regardless of the type of training drilled.
  • the deflection device integrated in the connecting device it is preferably realized, in the case of a static coupling device, by means of two radially eccentric rings, a ball joint and a a slidable sliding pivot connection with a spring; the deflection is then obtained by differential rotation of the two rings.
  • this deflection device is conventionally realized, on the basis of the knowledge of those skilled in the art.
  • the jack or cylinders are preferably powered by a pump whose pistons are arranged in a cylinder around the shaft and driven by a cam integral with said shaft.
  • a pump whose pistons are arranged in a cylinder around the shaft and driven by a cam integral with said shaft.
  • one or more barrel pumps 19b can be provided and used, driven by a multiplier pinion-crown assembly.
  • each jack is advantageously controlled by a solenoid valve, normally open. If the orientation system thus designed is reversible, the system spontaneously returns to its neutral position, to ensure the return of the device according to the invention in rectilinear drilling position in case of incident and thus limit the risk of jamming during the ascent of the drilling set.
  • the orientation device according to the invention has no battery and is powered by an annular generator, in particular with permanent magnets (not shown) disposed around the shaft 3 and driven by the latter by means of an epicyclic gear multiplier, not shown.
  • said pump or pumps and said generators are arranged on the same axis and advantageously share the same drive pinion.
  • the device according to the invention advantageously comprises a group of pumps, generators, solenoid valves, cylinders and pressure relief valves, arranged to be able to activate relative displacement means.
  • the main body 1 integrates "at-bit” measuring sensors such as, for example, measurements of inclination, azimuth, pressure, temperature, natural gamma radiation, resistivity, "WOB”, torque to the tool, vibratory level ("bit bouncing” and / or “whirling"), rotational speed, "stick -slip “or grazing, etc.
  • the measurements of natural gamma radiation are directional, taking into account the eccentricity of said crystals and the (slow) rotation of the main body 1 relative to the drilled well.
  • the main body 1 includes a rotation detector (not shown) of the drill string (in the absence of rotation, it is in sliding mode ("sliding") with shaft 3 bent, while with a rotation one is in "turning” mode ("rotary") with straight shaft ", for autonomous activation of the steerable housing 2, without resorting to a transmission surface / bottom.
  • the rotation detector of the drill string is entirely mechanical (for example unbalanced in free rotation around the main body 1, mass in radial translation, etc.) for high temperature applications, especially at temperatures of about 200 ° C and higher.
  • said device advantageously integrates in or on its main body 1 tilt and azimuth sensors or an inertial unit or unbalance in free rotation associated with an angular encoder and an inclinometer, coupled to a real-time computer, for controlling the deflection device in a given direction or trajectory.
  • the orientation device in its pseudo-dynamic as well as dynamic embodiment, can be remotely controlled from the surface by means of coding using slurry pressure and / or rotation of the drill string as parameters, or by means of electromagnetic wave transmission, with or without relays.
  • An appropriate bidirectional transmission equipping the swiveling connectors according to the invention of both pseudodynamic and dynamic type has the advantage of allowing surface measurements to be transmitted at the tool level (so-called tool measurements). good with that without relays, according to preferences and environmental constraints, which makes drilling interactive.
  • orientation device with sensors such as those indicated above, and an electrical interface with connector (comprising at least one wire + ground) to advantageously four contacts (2 wires power supply and 2 communication wires) plus the mass, to allow dialogue (programming, parameter setting, memory read-back, etc.) with a computer or even directly via a network.
  • an electrical interface with connector comprising at least one wire + ground
  • orientation device according to the invention is placed in practice between conventional upstream elements (MWD, LWD, motor, etc., and drill string) and the drilling tool ( wick / PDC / trephine) downstream, or at the limit can even integrate or be integrated with one of these elements.
  • the invention also relates to a method for carrying out controlled drilling, that is to say requiring precise control of trajectory.
  • at least one orientation / reorientation device according to the present invention is provided and operated under the action of a suitable deflection device.
  • the application of the reorientation device may be particularly advantageous when the drilling has undergone an undesired curvature or it is preferable to reorient the trajectory of a well whose production decreases.
  • the method according to the invention comprises the characteristics, embodiments and / or advantageous variants indicated above for the swivel coupling device itself or its components.
  • the present invention provides an architecture for the orientation of a drilling tool, to overcome the limitations of the prior art, and having the significant advantages of reduced length, the ability to provide a large BUR despite a low angle elbow, high reliability, and extremely easy and economical manufacturing and maintenance.
  • Said method may optionally include the analysis of the variations of the signals of the aforesaid generator (s), with a view to detecting a malfunction such as overspeed or "stick-slip".
  • It may also include the implementation of means for detecting, advantageously mechanical modes of drilling by progression without rotation of the drill string ("sliding") and with rotation of the drill string (“rotary”) for autonomous operation .
  • the method may comprise the implementation of means for controlling the orientation of the steerable housing 2, in particular by integration advantageously in the main body 1 of an unbalance coupled to an angular encoder and an inclinometer, as well as a real-time calculator.
  • the method according to the invention may also comprise the implementation of means for controlling the orientation of the steerable housing 2 in all directions, in particular by integration advantageously in the main body 1 of a deflection probe (preferably composed of 3 magnetometers + 3 accelerometers) and a real time calculator.
  • a deflection probe preferably composed of 3 magnetometers + 3 accelerometers
  • a real time calculator preferably composed of 3 magnetometers + 3 accelerometers
  • this functionality can be ensured by integration in the main body 1 of an inertial unit, advantageously of the MEMS type, and of a real time calculator.
  • the device according to the present invention has a miniaturization potential making it possible to envisage embodiments for drilling phases less than or equal to 5 "7/8. Moreover compatible with a reamer / underreamer, placed upstream of said device, it is possible to drill different diameters with the same device.
  • the drilling fluid (s) and the WOB (“weight on bit”) pass directly through the tubular transmission shaft, respectively making it possible to reduce the pressure losses and, in the case of static systems, and pseudodynamic, to place the stop in the main body 1.
  • the length of the steerable housing 2 is thus reduced to the maximum, without compromising the life of the stop, resulting in a large BUR with an angle of weak elbow.
  • MWD / LW by reducing the distance between the different measuring points and the wick (PDC or Tricone, for example); 0 increase the BUR and render the directional performance of the RSS insensitive to the inclination of said RSS with supports of the main body and the housing to the diameter of the drill / drill bit; and 0 reduce the mass, investment and costs of product implementation and transportation, among others; • give access to all the mechanical and electronic organs of the RSS, without the need to completely dismount the RSS, so that the costs of assembly and maintenance are greatly reduced;

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour l'orientation des outils de forage, caractérisé en ce qu'il comporte, consécutivement de l'amont vers l'aval, un corps principal (1) et un boîtier orientable (2), liés respectivement par au moins une liaison de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier (4) et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier (5), à un arbre de transmission (3) incurvable ou flexible, qui les traverse longitudinalement, tandis qu'une liaison de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire ou rotule formant un troisième palier (6) entre ledit arbre de transmission et le corps principal (1) est agencée à proximité de l'extrémité du dit corps principal située du côté du dit boîtier orientable, et tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens agissant comme système de déflexion (7) pour le déplacement relatif essentiellement radial du corps principal (1) par rapport au boîtier orientable (2) à proximité de leur interface, ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (9) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche (16), et ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (10a) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche (16) vers son extrémité située du côté du dit outil de forage/mèche, et de patins ou crampons fixes ou expansibles vers son extrémité située du côté du corps principal (1). Application aux forages nécessitant un contrôle de trajectoire.

Description

DISPOSITIF D'ORIENTATION D'OUTILS DE FORAGE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des forages. Elle concerne en particulier les forages nécessitant un contrôle de trajectoire, notamment dans les domaines de l'industrie pétrolière et gazière, du génie civil, de la géothermie et plus généralement dans tous les domaines d'intervention sous terrain sans tranchée.
Dans certains de ces domaines, les systèmes de forage employés peuvent être intégralement mécaniques, ou bien comporter des équipements électroniques. Ces systèmes se définissent sensiblement comme suit: • Dispositif statique: raccord orientable, encore dénommé raccord coudé, rég^lé en surface pour équiper un moteur de fond de type turbine, PDM ("Positive Displacement Motor"), ou moteur électrique; • Dispositif pseudo-dynamique: raccord orientable activé de manière autonome ou depuis la surface, uniquement pour les phases de glissement sans rotation du train de tiges, désigné par le terme anglo-saxon "sliding", pour équiper un moteur de fond de type turbine, ou bien stabilisateur de diamètre variable activé, ou autres; • Dispositif dynamique: système piloté en temps réel depuis la surface ou de manière autonome pour la réalisation de systèmes de forage dirigé en mode rotatif de type connu de l'homme du métier sous le qualificatif de "Rotary Steerable System", en abrégé RSS.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Avec les techniques les plus couramment mises en oeuvre pour la réalisation d'un raccord orientable statique disposé à l'extrémité d'une ligne de forage, on ne peut pas réduire la longueur du coude sans compromettre la durée de vie de la butée servant d'appui à l'outil de forage. Il s'opère une transmission de poids sur l'outil, qualifiée de WOB ("weight on bit"). Il s'ensuit qu'il faut des angles de raccord importants pour pouvoir obtenir les déviations ou courbures usuellement dénommées "Build-Up Rate" (BUR), qui sont recherchées dans les applications concernées.
La demande internationale WO 90/07625 et les brevets US Nos. 6.244.361, 6.640.909, 6.808.027 et 6.847.304 décrivent des architectures de dispositifs de contrôle de trajectoire d'un train de tiges de forage comprenant un arbre flexible, mettant en oeuvre une technique dite "static bit force (arbre traversant rotatif) / Point the bit".
La demande internationale WO 90/07625 et les brevets US Nos. 3.677.354, 5.305.838, 5.307.885, 5.353.884, 5.875.859, 6.808.027 et 6.847.304 décrivent par ailleurs des moyens de couplage dit "interne" pour forcer l'orientation d'un arbre de transmission utilisé dans une telle application.
Le brevet EP 0 744 526 et le brevet US No. 4.947.944 décrivent des moyens pour le couplage dit "externe" pour un ensemble d'éléments d'un train de tiges et d'outils de forage.
La demande internationale WO 03/102353 décrit certes un dispositif de forage comportant un élément pour permettre et maîtriser la déviation de l'arbre et du trépan de forage. Toutefois, le dispositif décrit dans ce document doit comporter deux éléments tabulaires concentriques, respectivement extérieur et intérieur, qui peuvent prendre une position dans laquelle ils sont découplés l'un de l'autre, afin de permettre la rotation de l'élément tubulaire intérieur tandis que la rotation de l'élément tubulaire extérieur est empêchée.
La publication de demande de brevet US No. 2005/0173155 décrit un assemblage de moyens de forage dans lequel est prévu un moyen de blocage pour transmettre à l'arbre un couple de torsion généré par le boîtier ou carter, de manière débrayable.
Selon cet état de la technique, on ne disposait pas de moyens permettant d'orienter des outils de forage dans toutes les configurations requises.
Il n'existe donc pas actuellement de raccord orientable universel au sens où on l'entend dans les conditions rappelées ci-dessus.
Or, il est apparu utile de disposer de tels moyens, avantageusement avec la faculté de les mettre en place sur les matériels existants, et il est également apparu souhaitable que la fabrication et la maintenance de ces moyens nouveaux recherchés soient simples à réaliser et d'un coût raisonnable, afin de réduire le coût du mètre foré, tout en améliorant la précision du forage et en offrant une plus grande flexibilité de trajectoire et une compacité longitudinale recherchée, afin de rapprocher le plus possible les mesures de l'outil de forage/mèche. L'invention permet d'apporter des solutions à ces attentes et de procurer des dispositifs et des moyens opérationnels pouvant répondre à ces objectifs ainsi qu'à d'autres, qui apparaîtront à la lumière de la description qui suit, des dessins qui l'accompagnent, et des revendications annexées. La présente invention a par conséquent pour objectif de réaliser un dispositif pour orienter un outil de forage (mèche, PDC, trépan, etc.), ledit dispositif étant utilisable sous diverses variantes adaptables aux besoins et, de plus, facile à faire fonctionner en tous lieux. De plus, sa maintenance est aisée, et la durée de vie de ses pièces les plus sollicitées est également améliorée, étant donné qu'il est tenu compte de la dissymétrie entre l'amont et l'aval du dispositif, à savoir respectivement entre l'extrémité basse du train de tiges principal ou BHA (Bottom HoIe Assembly) et l'outil de forage/mèche.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est de proposer une architecture de dispositif d'orientation, encore dénommé "raccord orientable" ou "raccord coudé", permettant de s'affranchir des limitations indiquées ci-dessus. Un tel dispositif présente une longueur réduite et, par conséquent, offre un BUR important malgré un faible angle de coude (ou angle d'orientation), est également fiable et économique à fabriquer, et permet un montage et une maintenance faciles à réaliser.
Le dispositif selon la présente invention comporte, pour permettre de commander l'orientation de l'outil de forage/mèche auquel il est intégré, essentiellement un corps principal et un boîtier orientable, disposés consécutivement de l'amont vers l'aval et liés respectivement par au moins une liaison avantageusement de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier, et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier, à un arbre de transmission incurvable ou flexible qui les traverse longitudinalement, tandis qu'une liaison appropriée formant un troisième palier entre ledit arbre de transmission et le corps principal est agencée à proximité de l'extrémité du dit corps principal située du côté du dit boîtier orientable, et tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens de déplacement relatif essentiellement radial du corps principal par rapport au boîtier orientable à proximité de leur interface, dénommés ci-après "système de déflexion", ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage /mèche, et ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage /mèche vers son extrémité située du côté de l'outil de forage /mèche, et de patins ou de crampons fixes ou expansibles vers son extrémité située du côté du corps principal.
La fonction des dits patins d'appui est de prendre appui sur la paroi du puits foré pour une déviation optimale de l'outil de forage/mèche, et de freiner la rotation par rapport à l'axe du puits et éventuellement de provoquer l'arrêt ou le blocage du dispositif en rotation, en coopération avec les parois du puits foré dans le cas des crampons.
Dans le présent contexte, la direction "aval" désigne classiquement la direction de l'outil de forage/mèche, tandis que la direction "amont" désigne l'extrémité supérieure du train de tiges.
Ainsi, le dispositif selon l'invention comporte, consécutivement de l'amont vers l'aval, un corps principal et un boîtier orientable en relation fonctionnelle avec celui-ci, un arbre traversant, ainsi qu'au moins trois paliers et de préférence trois paliers tels que définis ci-dessus, et avantageusement des patins d'appui et/ou des crampons tels que susdits, la déflexion exercée au moyen d'un système de déflexion approprié conduisant à la courbure souhaitée de l'arbre incurvable ou flexible, c'est-à-dire en pratique à l'angle d'orientation souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable.
Dans le dispositif selon l'invention, l'arbre est fortement sollicité à proximité des paliers susdits, et l'on préfère alors que l'ensemble des paliers et autres composants coopérant avec l'arbre soient frettés.
Avec un tel dispositif, la flexion de l'arbre est réalisée par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable par rapport à l'extrémité inférieure du corps principal, sous l'action d'un système de déflexion. En pratique, un tel système de déflexion est de type connu, ou bien sa conception est à la portée de l'homme du métier.
Ladite déflexion est réalisée, en pratique, par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable par rapport à l'axe longitudinal du corps principal, au moyen d'un système de déflexion, en prenant appui soit sur l'arbre de transmission ou le corps principal (couplage dit "interne"), soit sur la paroi du puits foré (couplage dit "externe").
Le couplage ne peut être qu'interne dans la version statique. L'originalité d'un tel dispositif réside essentiellement dans l'utilisation de la flexion maîtrisée de l'arbre de transmission pour articuler le corps du dispositif. Un tel mode de fonctionnement du dispositif permet sa compatibilité avec les dispositifs d'orientation existants, qu'ils soient internes ou externes. En ce qui concerne le dispositif de déflexion intégré dans le dispositif d'orientation selon l'invention, il peut être mis en oeuvre dans le cas d'un dispositif d'orientation statique, dans des formes de réalisation préférées, illustratives et non limitatives, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison pivot glissant; la déflexion est alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise, et d'autres objectifs, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement, à la lumière de la description détaillée ci-après des modes de réalisation préférés, donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif, tandis que sont annexées à ladite description des planches de dessins dans lesquelles:
La Figure 1 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de statique ou pseudo-dynamique;
La Figure 2 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 1, dans une position pour forage courbe;
La Figure 3 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de dynamique, avec un couplage dit "externe";
La Figure 4 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 3, dans une position pour forage courbe; La Figure 5 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de dynamique, avec couplage dit "interne";
La Figure 6 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 5, dans une position pour forage courbe;
Les Figures IA, 3A, 5A, IB, 2B, 3B, 4B, 5B et 6B sont des vues schématiques en coupe transversale selon respectivement A-A ou B-B des dispositifs selon les figures respectives portant le même numéro;
La Figure 7 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale, d'un dispositif selon l'invention, dans sa version statique et dans sa position pour forage rectiligne;
La Figure 8 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale, d'un dispositif selon Fig. 7, dans sa position pour forage courbe; La Figure 9 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale schématique partielle, d'un montage de palier, avec connexion frettée dans un dispositif selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION En référence aux dessins ainsi succinctement décrits, notamment les figures 1-8, qui l'illustrent mais ne le limitent en aucune manière, le dispositif ayant une architecture de raccord orientable selon l'invention comporte pour l'essentiel un corps principal 1 et un boîtier orientable 2, liés respectivement par au moins une liaison de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier 4 et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier 5 à un arbre de transmission 3 incurvable ou flexible, qui les traverse longitudinalement, tandis qu'une liaison appropriée formant un troisième palier 6 entre ledit arbre de transmission et le corps principal, est agencée à proximité de l'interface entre ledit corps principal et ledit boîtier, et tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens agissant comme système de déflexion 7 pour maîtriser le déplacement relatif essentiellement radial du corps principal 1 par rapport au boîtier orientable 2 à proximité de leur interface, ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui 9 d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage /mèche 16, et ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui 10a vers son extrémité située du côté de l'outil de forage/mèche 16 et de patins ou de crampons fixes ou expansibles 10b vers son extrémité située du côté du corps principal 1, afin de prendre appui sur la paroi du puits foré (pour une déviation optimale de l'outil de forage/mèche 16), et afin de permettre le freinage, voire un blocage en rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 respectivement par frottement et par rainurage de la paroi du puits à forer.
Par "liaison appropriée formant un troisième palier" on entend ici, avantageusement, une liaison de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire ou rotule. Dans un tel dispositif, le boîtier orientable 2 est situé en aval du corps principal 1, par rapport à la direction d'avancement du système intégrant le dispositif.
Avec un tel dispositif, la flexion de l'arbre 3, c'est-à-dire l'orientation selon l'angle souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable, est réalisée par déplacement essentiellement radial du boîtier orientable 2 par rapport au corps principal 1, et/ou par rapport à l'arbre de transmission traversant 3, sous l'action d'un système de déflexion 7.
En d'autres termes, une articulation est réalisée entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2, sous la forme d'un arbre incurvable ou flexible 3 lié à chacune de ces deux parties 1, 2 par une liaison pivot et de moyens d'orientation placés entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2 et aptes à déplacer les extrémités adjacentes de ceux-ci essentiellement radialement l'une par rapport à l'autre. Dans une version statique ou pseudo-dynamique, un tel dispositif comporte également, dans la pratique, un ensemble joint racleur frontal + joint d'étanchéité 8, des patins 9 pour le corps principal 1, des patins d'appui 10a pour le boîtier orientable 2, un dispositif de pressurisation 11, une connexion haute 12 et une connexion basse 13, un ensemble fonctionnel comprenant stator-moteur, turbine, etc. 14, un ensemble rotor-moteur, turbine, etc. 15, et un outil de forage/mèche (PDC ou tricône) 16, ainsi que, en option, un ou plusieurs compartiments électroniques 17 comportant des capteurs, un calculateur temps réel, un engrenage par exemple de type pignon/couronne 18 entraînant au moins un alternateur 19a et/ou au moins une pompe hydraulique 19b.
Dans une forme de réalisation purement illustrative, la liaison pivot entre le corps principal 1 et l'arbre 3 est réalisée au moyen (A) d'un palier dit supérieur 4 de type pivot ou rotule, et (B) d'un palier 6 dit central de type linéaire annulaire, ces deux paliers étant situés à proximité des deux extrémités respectives du corps principal 1, tandis que le palier central 6 est du côté boîtier orientable 2, et la liaison pivot entre le boîtier orientable 2 et l'arbre 3 est réalisée au moyen d'un palier dit inférieur 5, situé à proximité de l'extrémité du boîtier orientable 2 se trouvant du côté de l'outil de forage/mèche.
Dans la pratique, il est avantageux, d'une part de maximiser la distance entre le palier inférieur 5 et le palier central 6 sous réserve de conserver la compacité et la BUR, et d'autre part de minimiser la distance entre le palier inférieur 5 et l'outil de forage/mèche 16, afin de maximiser le bras de levier entre le plan médian des patins d'appui lOa/plan de déplacement essentiellement radial et le plan médian des patins d'appui lOa/front de coupe du dit outil de forage/mèche 16.
Le dispositif selon l'invention permet en pratique d'assurer un angle de coude dit angle de Bent d'environ 0° à 1° et plus. Dans une forme de réalisation préférée, le dispositif selon l'invention comporte un corps principal 1 équipé de patins d'appui 9 au diamètre de l'outil de forage à chacune de ses extrémités, et un boîtier orientable 2 équipé de patins d'appui 10a au diamètre de l'outil de forage à son extrémité inférieure (côté "bit") et, en configuration dynamique, de crampons ou de couteaux à son extrémité supérieure (côté corps principal) pour permettre le freinage ou même l'arrêt par blocage en rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 respectivement par frottement et rainurage de la paroi du puits foré.
En variante, dans la configuration dynamique, le corps principal peut intégrer une masselotte, avantageusement en tungstène, pour limiter la rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 par rapport à la paroi du puits.
Ainsi, le système comporte trois paliers (4, 5, 6), sur lesquels est monté au moins un arbre traversant 3, tandis que la déflexion conduit à l'angle d'orientation souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable- Ladite déflexion est réalisée, en pratique, par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable 2 par rapport au corps principal 1, au moyen d'un système de déflexion 7. Un exemple illustratif et non-limitatif d'un tel système de déflexion est un système comportant avantageusement une coulisse précontrainte par ressort, une rotule et deux bagues excentrées radialement, un tel système étant commandé et verrouillable manuellement.
Le système de déflexion est avantageusement placé devant le palier central pour que le point de rotation de l'outil de forage soit le plus proche possible du centre des patins d'appui 10a formant une liaison linéaire annulaire avec la paroi du puits foré, avec pour effet de réduire les efforts parasites.
Quant au joint frontal, il est de préférence plaqué contre l'extrémité du boîtier orientable 2 sous l'action conjuguée de la surpression interne de pressurisation et d'un ressort, avantageusement d'un ressort à spires ondulées.
Le dispositif de pressurisation est de préférence placé dans le boîtier orientable 2, mais toute autre disposition est envisageable. A titre illustratif, lesdits paliers (4, 5, 6) peuvent être composés soit de roulements, notamment de roulements à billes, roulements à rotule sur rouleaux, roulements à rouleaux coniques, roulements à rouleaux cylindriques ou roulements à aiguilles ou roulements dénommés CARB™ commercialisés par la société suédoise SKF; soit de paliers hydrodynamiques, notamment à huile ou à boue de forage; soit d'une combinaison quelconque des deux types précédents.
Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, les paliers 4, 5, 6 sont hydrodynamiques, ou constitués de roulements à billes et/ou à rouleaux avantageusement précontraints pour maximiser la raideur des paliers et leur résistance aux chocs.
Dans une forme de réalisation préférée, l'arbre de transmission 3 est tubulaire creux, pour permettre le passage du ou des fluide(s) de forage avec un mirrimum de perte de charge, ainsi que le passage de sondes de mesure descendues au moyen d'un câble en cours de forage (pour des mesures qualifiées usuellement de "thru the bit measurement" ou mesures à travers la mèche).
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est avantageux que l'arbre de transmission 3 soit réalisé en matériaux composites ou en alliage ayant un rapport élevé entre sa limite d'endurance en flexion alternée et son module d'Young, afin d'en augmenter la flexibilité pour maximiser la déviation ou BUR sans réduire sa durée de vie en flexion rotative, tout comme celle du palier inférieur 5. L'arbre monobloc est dans ce cas avantageusement réalisé en alliage de titane, en bronze au béryllium, en acier inoxydable amagnétique ou un acier allié ayant de hautes caractéristiques mécaniques. Dans le cas d'une utilisation avec un MWD, qui est alors situé de manière générale juste au-dessus du dispositif ou même intégré à ce dernier, les alliages amagnétiques sont préférés.
Selon une caractéristique alternative de l'objet de l'invention, les composants tels que roulements, couronne dentée, palier, etc., sont fixés sur l'arbre par frettage, thermique ou mécanique, afin que l'arbre ne comporte ni rainure, ni épaulement, ni gorge, ou en pratique pas de changements de section brutaux et importants. Seules les extrémités de l'arbre, qui sont moins sollicitées, peuvent présenter des filetages et des gorges de joint. Dans une forme de réalisation, la liaison des connexions respectivement basse et haute 12, 13 avec l'arbre de transmission 3 est réalisée par un filetage associé à une frette mécanique assurant la transmission respectivement des efforts de traction/compression (en abrégé WOB) et du couple à l'outil de forage/mèche 16 (voir Fig. 9). Dans une forme de réalisation préférée, ces frettes mécaniques sont à commande hydraulique, pour faciliter le montage et la maintenance de l'ensemble du dispositif. Un tel dispositif évite ainsi l'usage d'un banc de serrage coûteux, généralement non disponible sur le chantier, et permet en outre le contrôle de la précharge des roulements par simple mesure de pression hydraulique lorsque les paliers inférieurs et supérieurs sont adossés aux connexions (voir Fig. 9).
Plus préférablement, on réalise les liaisons entre ledit arbre et les connexions haute et basse 12, 13, par filetage pour les efforts axiaux et par frettage pour la transmission de couple. Par le serrage de ladite frette à commande hydraulique, on peut précontraindre le palier qui lui est lié.
Ainsi, selon la forme de réalisation illustrée sur la figure 9 à titre d'exemple non limitatif, un arbre 3 traverse centralement le boîtier orientable 2 selon son axe de symétrie axiale Z-Z', et une chemise de palier 20 supporte un palier 5 muni d'une entretoise interne 21 et d'une entretoise externe 22, ainsi que d'une frette de palier 23. Entre ledit palier et la connexion 24 (serrée manuellement sur l'arbre) à l'outil de forage/mèche 16, ou en variante l'outil de forage/mèche 16 lui-même, sont placés un support d'étanchéité 25, une frette de connexion 26, une bague conique 32 et un écrou de verrouillage 29. Un bouchon/ connexion hydraulique 27 et une bague conique 32 pour la précontrainte du dit palier 5, et un écrou de verrouillage 29 permettent le pompage à une pression donnée pour la mise en place/précontrainte des roulements et du frettage mécanique réversible de la chemise de palier 20 sur l'arbre 3. On serre ensuite le support d'étanchéité 25, on pompe par l'orifice de serrage 28, pour déplacer axialement la frette 26 par rapport à la bague conique 32 et ainsi assurer le frettage mécanique réversible de la connexion 24 sur l'arbre 3. On serre ensuite l'écrou de verrouillage 29. Le serrage est achevé par une opération de serrage /blocage du support d'étanchéité 25, de l'écrou de verrouillage 29, ainsi que des bouchons /connexions hydrauliques 27, 28 et 30.
Le démontage d'un tel ensemble assurant le montage de paliers dans un dispositif selon l'invention comprend les étapes de: déblocage /desserrage de l'écrou de verrouillage 29, pompage par la connexion hydraulique 27, desserrage du support d'étanchéité 25, pompage par la connexion hydraulique 30 pour desserrage de la frette de palier 23, et desserrage manuel de la connexion 24.
Selon une autre caractéristique de cet objet de l'invention, tous ou presque tous les composants de structure du dispositif qui constituent l'essentiel de la masse du raccord orientable sont de préférence en alliages amagnétiques, en céramique, en matériau composite et/ ou en matière plastique, afin de ne pas perturber les mesures des outils MWD, qui sont de manière générale situés juste au-dessus du dispositif ou même intégrés à celui-ci. Dans une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, l'ensemble des mécanismes baignent dans de l'huile maintenue à une surpression d'environ 0,01 à 1 MPa et plus par rapport à son environnement, avantageusement grâce à un dispositif de pressurisation de préférence réalisé au moyen d'un piston annulaire poussé par la pression du fluide environnant et un ressort logé entre le corps du boîtier et l'arbre de transmission. Dans une forme de réalisation préférée, un ensemble de joint racleur et de joint d'étanchéité frontaux, ou un soufflet métallique, en matière plastique ou en lamifié élastomère, assure l'étanchéité entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2. En ce qui concerne les éléments destinés à constituer les appuis du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 sur les parois du puits de forage, ce sont avantageusement des lames droites ou hélicoïdales, de préférence dépouillées pour réduire les risques de colmatage, faisant office de stabilisateurs non rotatifs, d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche. Ces stabilisateurs non rotatifs sont de préférence garnis de "boutons" respectivement alignés ou en hélice, avantageusement en carbure de tungstène ou en diamant polycristaUin (en abrégé, PDC), ou pourvus d'un dépôt résistant à l'abrasion.
Lorsqu'il est conçu pour constituer un raccord dynamique avec couplage interne, le dispositif selon l'invention est avantageusement équipé, à l'extrémité du boîtier orientable 2 située du côté du système de déflexion 7, de lames ou crampons longitudinaux 10b destinés à permettre le freinage en rotation du raccord orientable par rainurage de la paroi du puits foré. Dans la pratique, ces crampons ou lames sont avantageusement réalisés en carbure de tungstène ou en diamant polycristallin (en abrégé, PDC), pour optimiser leur longévité quel que soit le type de formation forée.
En ce qui concerne le dispositif de déflexion intégré dans le dispositif de raccord selon l'invention, il est de préférence réalisé, dans le cas d'un dispositif de raccord statique, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison par pivot glissant asservi par un ressort; la déflexion est alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.
Pour un dispositif pseudo-dynamique ou dynamique, ce dispositif de déflexion est réalisé classiquement, sur la base des connaissances de l'homme du métier.
Selon une caractéristique avantageuse, pour les formes de mise en oeuvre de l'invention qui nécessitent une puissance hydraulique, le ou les vérins sont de préférence alimentés par une pompe dont les pistons sont disposés en barillet autour de l'arbre et entraînés par une came solidaire dudit arbre. En variante, on peut procurer et utiliser une ou plusieurs pompes 19b en barillet, entraînées par un ensemble pignon-couronne multiplicateur.
L'alimentation de chaque vérin est avantageusement pilotée par une électrovanne, normalement ouverte. Si le système d'orientation ainsi conçu est réversible, le système revient spontanément dans sa position neutre, pour garantir le retour du dispositif selon l'invention en position de forage rectiligne en cas d'incident et ainsi limiter les risques de coincement durant la remontée de l'ensemble de forage. Selon une autre forme de réalisation avantageuse, et plus particulièrement dans une forme de réalisation requérant une puissance électrique, le dispositif d'orientation selon l'invention n'a pas de batterie et il est alimenté par une génératrice annulaire, notamment à aimants permanents (non représentée) disposée autour de l'arbre 3 et entraînée par ce dernier par l'intermédiaire d'un multiplicateur à train épicycloïdal, non représenté. En variante, on peut procurer et utiliser une ou plusieurs génératrices disposées en barillet autour de l'arbre 3 et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur. Les dites génératrices sont alors avantageusement couplées à un ou plusieurs redresseurs pouvant être couplés en série ou en parallèle pour plage de vitesse large, et une pluralité de condensateurs de forte capacité, pour faire office de pile durant le fonctionnement sans rotation de l'arbre.
De préférence, la ou les dites pompes et la ou les dites génératrices sont disposées sur le même axe et partagent avantageusement le même pignon d'entraînement.
Le dispositif selon l'invention comporte avantageusement un ensemble regroupé de pompes, génératrices, électrovannes, vérins et clapets de surpression, agencés pour pouvoir activer des moyens de déplacement relatif. Selon une autre caractéristique du dispositif d'orientation selon l'invention, le corps principal 1 intègre des capteurs de mesures "à l'outil" ("at bit") comme, par exemple, des mesures d'inclinaison, d'azimut, de pression, de température, de rayonnement gamma naturel, de résistivité, de "WOB", de couple à l'outil, de niveau vibratoire ("bit bouncing" et/ou "whirling"), de vitesse de rotation, de "stick-slip" ou broutage, etc.
De par leur conception, les mesures de rayonnement gamma naturel sont directionnelles, compte tenu de l'excentration des dits cristaux et de la rotation (lente) du corps principal 1 par rapport au puits foré. On peut à cet égard utiliser, de manière connue, plusieurs cristaux répartis régulièrement en barillet autour de l'arbre.
La rotation (lente) du corps principal 1 par rapport au puits foré étant aléatoire, la ou les génératrice(s) peuvent être mises en court-circuit et/ ou la ou les pompe(s) peuvent être bloquée(s) afin de maîtriser la rotation du corps principal 1 par rapport au puits foré par rotation des tiges. Selon une forme particulière de réalisation de la version pseudodynamique du dispositif d'orientation selon l'invention, le corps principal 1 intègre un détecteur de rotation (non représenté) du train de tiges (en l'absence de rotation, on est en mode coulissant ("sliding") avec arbre 3 fléchi, tandis qu'avec une rotation on est en mode "tournant ("rotary") avec arbre droit", pour une activation autonome du boîtier orientable 2, sans recourir à une transmission surface/fond.
Selon une variante de réalisation de la version pseudo-dynamique du dispositif d'orientation selon l'invention, le détecteur de rotation du train de tiges est intégralement mécanique (par exemple balourd en rotation libre autour du corps principal 1, masse en translation radiale, etc.) pour les applications à haute température, notamment à des températures d'environ 200°C et plus.
Dans la forme de réalisation du dispositif d'orientation selon l'invention procurant à celui-ci un fonctionnement dynamique, ledit dispositif intègre avantageusement dans ou sur son corps principal 1 des capteurs d'inclinaison et d'azimut ou une centrale inertielle ou un balourd en rotation libre associé à un codeur angulaire et à un inclinomètre, couplés à un calculateur temps réel, pour piloter le dispositif de déflexion suivant une direction ou une trajectoire donnée. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans sa forme de réalisation aussi bien pseudo-dynamique que dynamique, le dispositif d'orientation peut être télécontrôlé depuis la surface par l'intermédiaire d'un codage utilisant la pression de boue et/ ou la rotation du train de tiges comme paramètres, ou encore au moyen d'une transmission par ondes électromagnétiques, avec ou sans relais.
Une transmission bidirectionnelle appropriée équipant les raccords orientables selon l'invention de type aussi bien pseudo-dynamique que dynamique présente l'avantage de permettre de transmettre en surface les mesures effectuées au niveau de l'outil (dites mesures à l'outil), aussi bien avec que sans relais, selon les préférences et les contraintes d'environnement, ce qui rend le forage interactif.
Par ailleurs, il est avantageux de munir le dispositif d'orientation selon l'invention de capteurs tels que ceux indiqués plus haut, et d'une interface électrique avec connecteur (comportant au moins un fil + masse) à avantageusement quatre contacts (2 fils d'alimentation et 2 fils de communication) plus la masse, pour permettre le dialogue (programmation, paramétrage, relecture de mémoire, etc.) avec un ordinateur ou même directement par réseau.
Naturellement, l'homme du métier comprendra que le dispositif d'orientation selon l'invention se place en pratique entre des éléments en amont classiques (MWD, LWD, moteur, etc., et train de tiges) et l'outil de forage (mèche/PDC/trépan) en aval, ou à la limite peut même intégrer ou être intégré à un de ces éléments.
L'invention a également pour objet un procédé pour la réalisation de forages maîtrisés, c'est-à-dire nécessitant un contrôle précis de trajectoire. Dans un tel procédé selon l'invention, on fournit, et on met en fonctionnement sous l'action d'un dispositif de déflexion approprié, au moins un dispositif d'orientation/réorientation selon la présente invention.
L'application du dispositif en réorientation peut s'avérer particulièrement avantageuse lorsque le forage a subi une incurvation non souhaitée ou qu'il est préférable de réorienter la trajectoire d'un puits dont la production baisse.
Dans une forme de réalisation préférée, le procédé selon l'invention comporte les caractéristiques, formes de réalisation et/ ou variantes avantageuses indiquées plus haut pour le dispositif de raccord orientable lui-même ou ses composantes.
Ainsi la présente invention procure une architecture pour l'orientation d'un outil de forage, permettant de s'affranchir des limitations de la technique antérieure, et ayant pour avantages marquants une longueur réduite, la possibilité de fournir un BUR important malgré un faible angle de coude, une grande fiabilité, et une fabrication et une maintenance extrêmement aisées/économiques.
En option, on peut intégrer dans le dispositif selon l'invention une transmission unidirectionnelle surface-fond, fonctionnant par exemple par variation de pression ou par exemple par rotation du train de tiges et codage /décodage sur génératrice(s), et ainsi permettre le pilotage du système depuis la surface, en recourant aux connaissances de l'homme du métier. On peut également intégrer dans ce dispositif une transmission électromagnétique unidirectionnelle ou bidirectionnelle surface-fond ou locale, permettant elle aussi le pilotage interactif du système en temps réel.
Ledit procédé peut comporter en option l'analyse des variations des signaux de la ou des génératrices susdites, en vue de la détection d'un dysfonctionnement tel qu'une survitesse ou un broutage ("stick-slip").
Il peut également comporter la mise en oeuvre de moyens pour la détection, avantageusement mécanique, des modes de forage par progression sans rotation du train de tiges ("sliding") et avec rotation du train de tiges ("rotary") pour un fonctionnement autonome.
En variante, le procédé peut comporter la mise en oeuvre de moyens de pilotage de l'orientation du boîtier orientable 2, notamment par intégration avantageusement dans le corps principal 1 d'un balourd couplé à un codeur angulaire et un inclinomètre, ainsi que d'un calculateur temps réel.
Le procédé selon l'invention peut également comporter la mise en oeuvre de moyens de pilotage de l'orientation du boîtier orientable 2 dans toutes les directions, notamment par intégration avantageusement dans le corps principal 1 d'une sonde de déviation (composée de préférence de 3 magnétomètres + 3 accéléromètres) et d'un calculateur temps réel. En variante, cette fonctionnalité peut être assurée par intégration dans le corps principal 1 d'une centrale inertielle, avantageusement de type MEMS, et d'un calculateur temps réel.
Pour la mesure du couple à l'outil de forage/mèche 16, qui présente de l'intérêt dans la pratique, on peut utiliser des techniques connues de l'homme du métier. Avec le dispositif selon l'invention, on peut avantageusement procéder par mesure de l'angle de torsion de l'arbre 3 entre les paliers 4 et 6. Pour cela, il est recommandé d'utiliser des roulements instrumentés faisant office de codeur, la ou les génératrices 19a, ou des aimants associés à au moins un capteur à effet Hall, ou une combinaison des ces éléments, et de procéder avec ces moyens à une mesure directe de déphasage entre les deux mesures, ainsi qu'à une mesure de vitesse par génératrices.
Outre son aptitude à réduire le coût global du mètre de trou foré, le dispositif conforme à la présente invention possède un potentiel de miniaturisation permettant d'envisager des réalisations pour des phases de forage inférieures ou égales à 5"7/8. Il est par ailleurs compatible avec un élargisseur ("reamer/underreamer", en anglais), placé en amont du dit dispositif. On peut ainsi forer différents diamètres avec un même dispositif.
Dans tous les cas, le ou les fluide(s) de forage et le WOB ("weight on bit") passent directement par l'arbre de transmission tubulaire, permettant respectivement de réduire les pertes de charge et, dans le cas des systèmes statique et pseudo-dynamique, de placer la butée dans le corps principal 1. La longueur du boîtier orientable 2 se trouve ainsi réduite au maximum, sans que cela compromette la durée de vie de la butée, d'où un BUR important avec un angle de coude faible.
Dans le cas d'un raccord pseudo-dynamique, les avantages susmentionnés sont encore complétés par les possibilités, notamment: • d'activer l'orientation du boîtier automatiquement ou depuis la surface, suivant le mode de forage - "rotary" arbre droit pour les forage rectilignes et "sliding" arbre fléchi pour les forages nécessitant un contrôle précis de la trajectoire; la rotation du boîtier fléchi en mode "rotary" est ainsi supprimée et la qualité du trou foré est semblable à celle que l'on obtiendrait avec un RSS, mais avec un système plus simple et donc plus fiable et moins coûteux;
• d'instrumenter le moteur avec des capteurs de pression, de température, de déviation, de rayonnement gamma naturel, de neutrons, etc., disposés dans le corps principal, ce qui permet des mesures à l'outil; et
• d'implanter une communication fond/surface pour avoir des mesures à l'outil en temps réel en surface.
Dans le cas d'un raccord dynamique, il est ainsi possible de: • réduire considérablement la longueur du RSS, pour
0 améliorer la qualité des mesures en cours de forage
(MWD/LW) en réduisant la distance entre les différents points de mesure et la mèche (PDC ou Tricône, par exemple); 0 augmenter le BUR et rendre les performances directionnelles du RSS insensibles à l'inclinaison dudit RSS avec des appuis du corps principal et du boîtier au diamètre de l'outil de forage /mèche; et 0 réduire la masse, l'investissement et les coûts de mise en oeuvre du produit et de transport, entre autres; • donner accès à tous les organes tant mécaniques qu'électroniques du RSS, sans que l'on ait besoin de démonter complètement ledit RSS, si bien que les coûts de montage et de maintenance s'en trouvent fortement réduits;
• réduire de plus de 30% les efforts dans l'ensemble des mécanismes et des connexions des différents organes constituant le RSS, ainsi que le nombre des composants mécaniques, et par voie de conséquence augmenter la fiabilité dudit RSS;
• miniaturiser le RSS pour des forages de taille inférieure ou égale à 5" 7/8; • faciliter l'introduction des dispositifs de RSS existant sur le marché en tirant profit de l'expérience déjà acquise avec le forage avec raccords coudés des moteurs de fond, qui équipent ces derniers depuis 1962; et
• atteindre une vitesse de rotation potentielle plus élevée que dans le cas de la plupart des systèmes existants.
Il convient en outre de noter que les avantages susdits doivent conduire à une réduction très significative du coût global du mètre foré - qui ne peut être atteinte au moyen des dispositifs de forage actuellement connus - tout en procurant de plus larges opportunités d'utilisation aussi bien des moteurs de fond que des RSS.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'orientation d'outils de forage, caractérisé en ce qu'il comporte, consécutivement de l'amont vers l'aval, un corps principal (1) et un boîtier orientable (2), liés respectivement par au moins une liaison de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier (4) et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier (5) à un arbre de transmission (3) incurvable ou flexible, qui les traverse longitudinalement, tandis qu'une liaison de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire ou rotule formant un troisième palier (6) entre ledit arbre de transmission et le corps principal (1) est agencée à proximité de l'extrémité du dit corps principal située du côté du dit boîtier orientable, et tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens agissant comme système de déflexion (7) pour le déplacement relatif essentiellement radial du corps principal (1) par rapport au boîtier orientable (2) à proximité de leur interface, ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (9) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche (16), et ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (10a) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche (16) vers son extrémité située du côté du dit outil de forage /mèche, et de patins ou de crampons fixes ou expansibles (10b) vers son extrémité située du côté du corps principal (1).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison pivot entre le corps principal (1) et l'arbre (3) est réalisée au moyen (A) d'un palier dit supérieur (4) de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire, et (B) d'un palier (6) dit central de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire ou rotule, ces deux paliers étant situés à proximité des deux extrémités respectives du corps principal (1), tandis que le palier central (6) est du côté boîtier orientable (2), et la liaison pivot entre ledit boîtier orientable et l'arbre (3) est réalisée au moyen d'un palier dit inférieur (5) de type pivot, situé à proximité de l'extrémité du boîtier orientable (2) du côté de l'outil de forage/mèche (16).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un système de déflexion (7), destiné à permettre une flexion par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable (2) par rapport à l'extrémité inférieure du corps principal (1), en prenant appui soit sur l'arbre de transmission (3) ou le corps principal (1), soit sur la paroi du puits foré.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits paliers (4, 5, 6) sont composés soit de roulements, notamment de roulements à billes, roulements à rouleaux coniques, roulements à rouleaux cylindriques ou roulements à aiguilles, avantageusement précontraints; soit de paliers hydrodynamiques, notamment à huile ou à boue de forage; soit par combinaison de ceux-ci.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est conçu pour constituer un raccord dynamique, et est muni, à l'extrémité du boîtier orientable (2) située du côté du système de déflexion (7), de crampons ou de couteaux destinés à permettre, lors de la déflexion de l'arbre (3), l'arrêt par blocage ou le freinage en rotation du dispositif par rainurage de la paroi du puits de forage.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'arbre (3) est un arbre de transmission tubulaire monobloc réalisé en matériaux composites ou en alliage ayant un rapport élevé entre la limite d'endurance en flexion alternée et le module d'Young, et ledit arbre ne comporte pas de changements de section brutaux, tandis que seules les extrémités de l'arbre peuvent en option être filetées et peuvent présenter des gorges de joint, et tandis que les composants tels que roulements, couronne dentée, palier, et autres, sont fixés sur l'arbre par frettage, thermique ou mécanique.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la liaison des connexions respectivement basse et haute avec l'arbre (3) est réalisée par un filetage associé à une frette mécanique à commande hydraulique, assurant la transmission respectivement des efforts axiaux de traction/compression et du couple à l'outil de forage.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un ensemble de joint racleur et de joint d'étanchéité frontaux, ou un soufflet en métal, en matière plastique et/ou en matériau lamifié élastomère assure l'étanchéité à l'interface entre le corps principal (1) et le boîtier orientable (2).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système de déflexion (7) est réalisé, dans le cas d'un dispositif de raccord statique, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison par pivot glissant, ainsi que d'un ressort de précontrainte, la déflexion étant alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le corps principal (1) intègre un détecteur de rotation du train de tiges, avantageusement intégralement mécanique, ou en mode "tournant avec arbre droit" pour une activation autonome du boîtier, sans recourir à une transmission surface/fond.
11. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce il comporte une ou plusieurs génératrices (19a) disposées en barillet autour de l'arbre (3) et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur (18), les dites génératrices étant de préférence couplées à un ou plusieurs redresseurs pouvant être couplés en série ou en parallèle pour plage de vitesse large, et une pluralité de condensateurs de forte capacité, pour faire office de pile durant le fonctionnement en l'absence de rotation de l'arbre (3).
12. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs pompes hydrauliques (19b) disposées en barillet autour de l'arbre (3) et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur (18).
13. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble regroupé de pompes, génératrices, électrovannes, vérins et clapets de surpression, agencés pour pouvoir activer le système de déflexion (7), lesdites pompes et lesdites génératrices étant coaxiales et partageant le même pignon d'entraînement.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mesure en temps réel de l'angle de torsion de l'arbre (3) entre les paliers (4) et (6), comme mesure du couple à l'outil de forage/mèche (16).
15. Procédé pour la réalisation de forages nécessitant un contrôle précis de la trajectoire, caractérisé en ce qu'on fournit, et on met en fonctionnement au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on réalise la flexion de l'arbre (3) au moyen du système de déflexion (7) par déplacement essentiellement radial du boîtier orientable (2) par rapport au corps principal (1), et/ou par rapport à l'arbre de transmission traversant (3).
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'analyse des variations des signaux de la ou des génératrices, en vue de la détection d'un dysfonctionnement tel qu'une survitesse ou un broutage.
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