EP2102443B1 - Dispositif d'activation d'un outil de fond - Google Patents

Dispositif d'activation d'un outil de fond Download PDF

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EP2102443B1
EP2102443B1 EP07701581A EP07701581A EP2102443B1 EP 2102443 B1 EP2102443 B1 EP 2102443B1 EP 07701581 A EP07701581 A EP 07701581A EP 07701581 A EP07701581 A EP 07701581A EP 2102443 B1 EP2102443 B1 EP 2102443B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow piston
trigger element
tubular
piston
tool according
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07701581A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2102443A1 (fr
Inventor
Erik Dithmar
Phillipe Fanuel
Erik Moi Stein
Luis Quintana
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Halliburton Energy Services Inc
Original Assignee
Halliburton Energy Services BV
Halliburton Energy Services Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Halliburton Energy Services BV, Halliburton Energy Services Inc filed Critical Halliburton Energy Services BV
Publication of EP2102443A1 publication Critical patent/EP2102443A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2102443B1 publication Critical patent/EP2102443B1/fr
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/26—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers
    • E21B10/32—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools
    • E21B10/322—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with expansible cutting tools cutter shifted by fluid pressure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B23/00—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells
    • E21B23/04—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion
    • E21B23/0413—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion using means for blocking fluid flow, e.g. drop balls or darts
    • 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
    • E21B23/00—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells
    • E21B23/04—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion
    • E21B23/042—Apparatus for displacing, setting, locking, releasing or removing tools, packers or the like in boreholes or wells operated by fluid means, e.g. actuated by explosion using a single piston or multiple mechanically interconnected pistons

Definitions

  • the piston immobilized by the activation device is subjected to a differential pressure that acts on the piston up or down.
  • the activation device provides a tubular extension extending the piston. The end of this extension is held fixed in a tubular sleeve by shear pins. The sleeve rests on a ring forming stop and attached to the tubular body of the tool. This stop prevents the movement of the piston subjected to a differential pressure and thus producing a tensile force on the tubular sleeve, as long as this pressure remains below a predetermined threshold.
  • the shear pins are calibrated so that a pulling force of the piston greater than the aforesaid threshold causes a shear of the pins and releases the hollow piston which can then slide in the axial cavity of the tubular body of the tool.
  • the piston turned motor then allows the deployment of cutting arms.
  • the calibrated value of the shear pins is a compromise between, on the one hand, the limit of use of the tool in its dormant mode, that is to say when the hollow piston is not activated, and the limit of the maximum acceptable pressure by the tool or available from the drilling pumps.
  • the caliber of the shear pins is expected as high as possible. Shearing is caused by temporary plugging of the tubular sleeve by a ball and / or by a very large increase in the pressure of the drilling muds. The substantial energy stored by the motor piston must then be dissipated upon release of the piston caused by breakage of the pins. The resulting shock can cause deformations of parts and alter the subsequent operation of the tool.
  • the present invention aims to develop an activation device that is not subject to the risk of accidental activation of the hollow piston and that allows selective activation thereof without significant release of energy so as to release the hollow piston in the axial cavity of the drilling tool, always adequate.
  • safety measures will be provided to prevent the movement of the parts of the tool is prevented or hampered by drilling muds.
  • the tubular expansion sleeve is inserted between the trigger element integral with the hollow piston and an extension of the hollow piston, so as to slide between them after shearing of said at least one pin of shear.
  • the tubular sleeve comprises a first wall portion having a first thickness and a second wall portion having a second thickness less than the first and, in its position of immobilization of the hollow piston, the trigger member is radially supported on said first wall portion of the sleeve tubular and, in its erasing position, it bears radially on said second wall portion.
  • the trigger element is formed of a ring of blades which extend axially around the first part of the tubular sleeve in the immobilization position of the trigger element and which are supported radially on said second portion of the tubular sleeve when the trigger element is in the erasing position.
  • the tubular extension extending the hollow piston is provided with a ring of blades, preferably metal, preferably spring steel.
  • the rigid tubular sleeve is fixedly held at this extension by shear pins. In this position the blades rest on the thick part of the sleeve and are therefore kept apart from one another.
  • the end of these blades which are advantageously thickened and protrude radially outwards, are then in axial abutment against a retaining ring projecting radially inside the tubular body. This arrangement prevents any movement of the piston and the tool is kept in its dormant mode.
  • the temporary sealing means is a ball launched into said axial cavity, the tubular expansion sleeve comprising a seat for receiving this ball and lateral openings to restore a flow of hydraulic fluid when the tubular sleeve is in its release position.
  • a hydraulic pressure obtained by closing the passage of the drilling muds by means of said ball exerts a force on the sleeve.
  • This effort which can be minimal, causes shearing of the shear pins and releases the sleeve that can be released.
  • the blades of the trigger element are then in front of the thinned portion of the sleeve and they can flex radially inwards, for example under a radial thrust of the retaining ring or under the action of an elastic restoring force. In this bent position, the blades can slide inside the retaining ring under the action of the tension of the released hollow piston. The tool is then activated.
  • Figures 1 and 2 is an example of a bottom tool according to the invention on which an activation device can be arranged.
  • the tool is an enlargement and stabilization tool to be implemented in a borehole. It could however be any tool using a piston engine that must be activated only when the tool is in position in the borehole and is immobilized during the descent.
  • the tool illustrated on Figures 1 and 2 comprises a tubular body 1 to be mounted between a first section of a drill string and a second section thereof.
  • This tubular body 1 has an axial cavity 2 in which the drilling muds circulate.
  • the tubular body 1 comprises housings 3 provided with an opening towards the outside.
  • a knife element 4 is housed in each housing 3 and it comprises two cutting arms 5 and 6 hinged together and on a transmission means in the form of a slide 7. In the illustrated position the arms 5 and 6 are recessed in their housing and the tool is in sleep mode.
  • a motor means designed in the form of a hollow piston 8 is arranged inside the tubular body 1, allowing unhindered flow of sludge inside the tubular body.
  • the hollow piston 8 is connected to the slider 7.
  • the drilling muds can accumulate in a chamber or annular cul-de-sac 10 where the stud 8 is, by its surface 11, in contact with the hydraulic fluid under pressure formed by the drilling muds.
  • the piston is, in the illustrated case, indirectly supported on a return spring 12 which, at its opposite end, abuts on an element integral with the tubular body 1 and acts in the opposite direction to the above-mentioned pressure of the hydraulic fluid passing through the axial cavity 2.
  • the piston 8 is provided with a tubular extension 13 of the downstream side around which the return spring is arranged bearing on it, which allows an off-center arrangement of the spring 12 relative to the cutting arms.
  • This extension is provided with a trigger element 14 which is therefore integral with the piston 8.
  • the trigger element is formed of a ring of blades 15 which are advantageously flexible, for example made of spring steel, which extend axially downstream around a portion of the tubular extension 13.
  • a tubular expansion sleeve 16 is inserted between the blades 15 of the trigger element 14 and said tubular extension 13 of the hollow piston 8. This sleeve is connected to the extension 13 by shear pins 17, only one of which is shown .
  • the tubular sleeve 16 in its downstream portion 18, has a greater thickness than in its upstream portion 19 and advantageously the transition between the downstream and upstream parts is made sloping.
  • the blades 15 of the trigger member 14 bear against the thicker downstream portion 18 of the sleeve and are thus kept spaced radially outwardly.
  • the tubular expansion sleeve 16 is provided with a receiving seat 22 for receiving a closure means 23, a ball in the illustrated case, which is launched from the surface.
  • the sleeve 16 is also provided with lateral openings 24, only one of which is shown on the figure 3 .
  • the blades 15 have reached, by elastic return, in radial support against the thinned portion 19 of the tubular expansion sleeve 16. It could also be provided that this bending of the blades 15 results from an elastic deformation under a thrust in the radial direction of the biased end of the retaining ring 21.
  • the blades 15 are thus moved into an erasing position in which they are no longer in axial abutment against the retaining ring 21.
  • the blades 15 of the trigger element 14 in the erasing position can pass inside said ring 21.
  • the hollow piston 8 is now released and the tool is activated. In this case, the piston can control a deployment of the cutting arms 5 and 6 to proceed for example to an enlargement of the borehole.
  • the tool has an annular chamber in cul-de-sac 10 which extends between, on the one hand, the tubular body 1 and, on the other hand, the hollow piston 8 and its extension tubular 13 through which the drilling muds pass.
  • the surface 11 of the piston axially limits the chamber 10, on one side, and, on the opposite side, it is limited by an annular ring 26.
  • This annular ring 26 is connected to the tubular body 1 via at least one shear pin 27.
  • a communication for fluid, in the form of orifices 25, allows penetration of the drilling muds inside the hollow piston 8 in the annular chamber 10.
  • the surface 11 of the piston 8 is thus subjected to pressure variations of the sludge. drilling passing through the tool.
  • the hollow piston 8, released by erasure of the trigger element, is thus able to slide between a first position shown on the figure 6 which corresponds to the immobilization position of the non-released piston, and a position where the annular chamber 10 has a volume greater than that of the first position, the piston being pushed upwards under the pressure of the drilling muds.
  • the piston can be returned to its first position by the return spring 12 in the event of a reduction in the pressure of the drilling muds passed through the body of the tool.
  • Each movement of the engine piston 8 causes a phenomenon of suction (increase of the volume of the chamber 10 when the piston is in the raised position) and rejection (decrease of the volume 10 when the piston is in the lower position) of the drilling mud by the orifices 25 in and respectively out of the dead-end chamber 10.
  • suction increase of the volume of the chamber 10 when the piston is in the raised position
  • rejection decrease of the volume 10 when the piston is in the lower position
  • These sludge movements associated with settling effects of solid particles of the sludge or centrifugal effects of the solid particles of the sludge, can cause fouling excessive volume of the chamber 10.
  • the percentage of stagnant sludge volume which is not renewed, may present a cementing phenomenon. Stuffing the volume of the chamber 10 can thus prevent the complete stroke of the movement of the motor piston, hindering the complete removal of the cutting arms 5 and 6.
  • the cutting arms partially exposed outside the main tubular body 1 form an obstacle to the rise of the tool, at the time of passage at the location of a restriction of the diameter of the well.
  • the reaction on the cutting arms due to the tensile force of the tool blocked by the restriction of the diameter of the hole, transmits, via the sliders 7, an additional restoring force to the engine piston.
  • the increase in the compacting effect of the particles in the dead volume of the chamber 10 generates a pressure on the ring 26.
  • This pressure force on the ring 26 causes, beyond a predetermined threshold, a shear of the pins. 27 of the ring 26.
  • the ring no longer secured to the main tubular body 1 can under the effect of the compaction pressure move downwards, while allowing the complete movement of the engine piston and consequently the complete withdrawal of cutting arm.
  • the piston and its tubular extension may be arranged so as to undergo downward pressure from the drilling muds.

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Description

  • La présente invention est relative à un outil de fond comportant
    • un corps tubulaire (1) doté d'une cavité axiale (2),
    • un piston creux (8) capable de coulisser dans ladite cavité axiale et soumis à des pressions hydrauliques différentielles variables, et
    • un dispositif d'activation du piston creux.
  • On connaît des outils de fond de ce genre, par exemple des outils d'élargissement et de stabilisation à mettre en oeuvre dans un trou de forage (voir par exemple WO 2005/124094 ).
  • Les outils de forage, d'élargissement ou autres, doivent être descendus avec le piston creux maintenu de manière fixe à l'intérieur du corps tubulaire et ensuite, lorsque l'outil est en position, le piston creux peut être activé. On a déjà envisagé un système de verrouillage du piston qui, dans une position de fermeture, maintient axialement le piston creux dans une position d'immobilisation et qui est amené en position de libération par commande électrique.
  • Toutefois, d'une manière générale, il est plus courant de commander l'activation du piston creux par voie hydraulique, à l'aide du fluide formé par les boues de forage. Lors de la circulation de celles-ci dans le train de tiges qui relie l'outil à la surface, le piston immobilisé par le dispositif d'activation est soumis à une pression différentielle qui agit sur le piston vers le haut ou vers le bas. Le dispositif d'activation prévoit une extension tubulaire prolongeant le piston . L'extrémité de cette extension est maintenue fixe dans un manchon tubulaire par des goupilles de cisaillement. Le manchon s'appuie sur une bague formant butée et fixée au corps tubulaire de l'outil. Cette butée empêche le mouvement du piston soumis à une pression différentielle et produisant donc un effort de traction sur le manchon tubulaire, tant que cette pression reste inférieure à un seuil prédéterminé.
  • Les goupilles de cisaillement sont calibrées de façon qu'une force de traction du piston supérieure au seuil susdit provoque un cisaillement des goupilles et libère le piston creux qui peut alors coulisser dans la cavité axiale du corps tubulaire de l'outil. Dans le cas d'un outil d'élargissement, le piston devenu moteur permet alors le déploiement de bras de coupe.
  • La valeur calibrée des goupilles de cisaillement est un compromis entre, d'une part, la limite d'utilisation de l'outil dans son mode dormant, c'est-à-dire lorsque le piston creux n'est pas activé, et la limite de la pression maximale acceptable par l'outil ou disponible par les pompes de forage.
  • Afin de ne pas limiter les capacités de travail de l'outil en mode dormant, et d'éviter, ce qui n'est pas toujours possible, les risques d'une activation accidentelle qui pourrait être causée par exemple par un à-coup de pression, le calibre des goupilles de cisaillement est prévu le plus élevé possible. Le cisaillement est provoqué par une obturation temporaire du manchon tubulaire par une bille et/ou par une augmentation très importante de la pression des boues de forage. L'énergie substantielle stockée par le piston moteur doit alors être dissipée à la libération du piston provoquée par la rupture des goupilles. Le choc qui en résulte peut provoquer des déformations de pièces et altérer le fonctionnement ultérieur de l'outil.
  • D'autre part, l'expérience a montré que des volumes morts et des jeux entre pièces pouvaient présenter un obstacle au bon fonctionnement de la mécanique de l'outil. En effet, les particules présentes dans les boues de forage peuvent se compacter ou se cimenter à ces endroits de façon à gêner ou à empêcher les mouvements des pièces.
  • La présente invention a pour but de mettre au point un dispositif d'activation qui ne soit pas soumis aux risques d'activation accidentelle du piston creux et qui permette une activation sélective de celui-ci sans dégagement important d'énergie de façon à libérer le piston creux dans la cavité axiale de l'outil de forage, de manière toujours adéquate. Avantageusement, des mesures de sécurité seront prévues pour éviter que le mouvement des pièces de l'outil ne soit empêché ou gêné par les boues de forage.
  • On résout ces problèmes par un dispositif tel qu'indiqué au début, qui comprend
    • - un élément de gâchette solidaire du piston creux qui est déplaçable depuis une position d'immobilisation du piston creux, dans laquelle l'élément de gâchette est retenu en butée, à l'encontre desdites pressions différentielles, contre un appui du corps tubulaire, vers une position d'effacement dans laquelle l'élément de gâchette n'est pas en butée contre ledit appui et libère le piston creux,
    • - un manchon tubulaire de détente de l'élément de gâchette qui, dans ladite position d'immobilisation dudit élément de gâchette, est relié au piston creux par au moins une goupille de cisaillement et empêche un déplacement de l'élément de gâchette de sa position d'immobilisation du piston creux à sa position d'effacement, et
    • - un moyen d'obturation temporaire du manchon tubulaire de détente qui, en position d'obturation, provoque une élévation de pression hydraulique sur le manchon tubulaire, au-dessus d'un seuil prédéterminé où a lieu un cisaillement de ladite au moins une goupille de cisaillement, et un coulissement du manchon tubulaire de détente dans une position de libération permettant un déplacement de l'élément de gâchette de sa position d'immobilisation du piston creux à sa position d'effacement.
  • On peut constater que, en mode dormant de l'outil, les efforts de traction exercés par le piston creux sous l'action d'une pression différentielle ne sont pas directement transmis aux goupilles de cisaillement du dispositif d'activation. Au contraire, c'est l'élément de gâchette qui retient le piston creux immobilisé, par appui sur une bague fixe, solidaire du corps tubulaire de l'outil, l'élément de gâchette et l'appui n'étant en aucune façon destinés à être rompus pendant l'utilisation. Les risques d'activation accidentelle durant la phase de travail en mode dormant de l'outil sont ainsi écartés. D'autre part, une pression hydraulique ne peut s'appliquer sur le manchon que lorsque celui-ci est obturé. Il y a donc une activation sélective du piston, car celle-ci ne peut avoir lieu que par une obturation voulue du manchon, laquelle est commandée depuis la surface. Puisqu'il n'y a pas de lien direct entre les efforts de traction exercés par le piston et les efforts de cisaillement des goupilles, celles-ci peuvent être calibrées à une valeur de résistance beaucoup plus basse qu'auparavant et la pression d'activation nécessaire pour les rompre peut être relativement faible, ce qui permet d'éviter une mise en jeu d'énergie trop importante et donc des dommages potentiels à l'équipement.
  • Suivant une forme de réalisation de l'invention, le manchon tubulaire de détente est inséré entre l'élément de gâchette solidaire du piston creux et une extension du piston creux, de manière à pouvoir coulisser entre eux après cisaillement de ladite au moins une goupille de cisaillement.
  • Suivant une forme avantageuse de réalisation de l'invention, le manchon tubulaire comporte une première partie à paroi présentant une première épaisseur et une deuxième partie à paroi présentant une deuxième épaisseur inférieure à la première et, dans sa position d'immobilisation du piston creux, l'élément de gâchette est en appui radialement sur ladite première partie de paroi du manchon tubulaire et, dans sa position d'effacement, il est en appui radialement sur ladite deuxième partie de paroi.
  • Suivant une forme perfectionnée de réalisation de l'invention, l'élément de gâchette est formé d'une couronne de lames qui s'étendent axialement autour de la première partie du manchon tubulaire en position d'immobilisation de l'élément de gâchette et qui viennent en appui radialement sur ladite deuxième partie du manchon tubulaire lorsque l'élément de gâchette est en position d'effacement.
  • L'extension tubulaire prolongeant le piston creux est donc pourvue d'une couronne de lames, de préférence métalliques, avantageusement en acier à ressort. Le manchon tubulaire, rigide, est maintenu de manière fixe à cette extension par des goupilles de cisaillement. Dans cette position les lames reposent sur la partie épaisse du manchon et sont donc maintenues écartées l'une de l'autre. L'extrémité de ces lames, qui sont avantageusement épaissies et font saillie radialement vers l'extérieur, sont alors en appui axial contre une bague de retenue faisant saillie radialement à l'intérieur du corps tubulaire. Cet agencement empêche tout mouvement du piston et l'outil est maintenu dans son mode dormant.
  • Suivant encore une forme de réalisation de l'invention le moyen d'obturation temporaire est une bille lancée dans ladite cavité axiale, le manchon tubulaire de détente comportant un siège pour recevoir cette bille et des ouvertures latérales permettant de rétablir une circulation de fluide hydraulique lorsque le manchon tubulaire est dans sa position de libération.
  • Une pression hydraulique obtenue par l'obturation du passage des boues de forage au moyen de ladite bille exerce un effort sur le manchon. Cet effort, qui peut être minime, provoque le cisaillement des goupilles de cisaillement et libère le manchon qui peut se dégager. Les lames de l'élément de gâchette se trouvent alors en face de la partie amincie du manchon et elles peuvent fléchir radialement vers l'intérieur, par exemple sous une poussée radiale de la bague de retenue ou sous l'action d'une force de rappel élastique. Dans cette position fléchie, les lames peuvent coulisser à l'intérieur de la bague de retenue sous l'action de la traction du piston creux libéré. L'outil est alors activé.
  • Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, l'outil comprend en outre
    • - une chambre en cul-de-sac qui s'étend annulairement entre ledit corps tubulaire et ledit piston creux et/ou une extension tubulaire de celui-ci où passent des boues de forage, une surface du piston creux limitant axialement cette chambre en cul-de-sac, d'un premier côté,
    • - une bague annulaire qui limite axialement la chambre en cul-de-sac, d'un second côté opposé au premier susdit, et qui est reliée au corps tubulaire par au moins une goupille de cisaillement,
    • - une communication pour fluide entre l'intérieur du piston creux et/ou de son extension tubulaire et la chambre en cul-de-sac, ladite surface du piston creux étant ainsi soumise auxdites pressions hydrauliques différentielles variables desdites boues de forage,
    • - le piston creux, libéré par effacement dudit élément de gâchette, étant capable de coulisser entre une première position dans laquelle la chambre en cul-de-sac présente un premier volume et une deuxième position dans laquelle la chambre en cul-de-sac présente un deuxième volume supérieur au premier, ainsi que
    • - des moyens de rappel qui agissent sur le piston creux pour le ramener à sa première position, ladite au moins une goupille de cisaillement étant, lorsqu'un obstacle empêche le piston creux de retourner à sa première position et augmente ainsi la pression appliquée sur la bague annulaire au-delà d'un seuil prédéterminé, cisaillée en libérant la bague annulaire et en permettant ainsi un retour du piston creux à sa première position.
  • D'autres particularités de l'invention sont indiquées dans les revendications annexées.
  • D'autres détails de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif, d'une forme de réalisation de l'outil de fond muni d'un dispositif d'activation suivant l'invention.
    • Les figures 1 et 2 représentent une vue en coupe axiale d'un même outil d'élargissement doté d'un dispositif d'activation suivant l'invention.
    • La figure 3 représente une vue en coupe axiale d'un dispositif d'activation suivant l'invention, dans laquelle l'outil fonctionne en mode dormant.
    • La figure 4 représente une vue en coupe axiale du dispositif d'activation suivant la figure 3, dans laquelle l'outil est en mode activé.
    • La figure 5 représente une vue en perspective partiellement brisée du dispositif d'activation illustré sur les figures 3 et 4.
    • La figure 6 représente une vue à l'échelle agrandie du détail A de la figure 2.
  • Sur les différents dessins les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.
  • La description des figures 1 et 2 porte sur un exemple d'outil de fond suivant l'invention sur lequel un dispositif d'activation peut être agencé. On a prévu ici, à titre d'exemple, que l'outil est un outil d'élargissement et de stabilisation à mettre en oeuvre dans un trou de forage. Il pourrait cependant s'agir de tout outil faisant usage d'un piston moteur qui doit être activé uniquement lorsque l'outil est en position dans le trou de forage et qui est immobilisé pendant la descente.
  • L'outil illustré sur les figures 1 et 2 comprend un corps tubulaire 1 à monter entre une première section d'un train de tiges et une deuxième section de celui-ci. Ce corps tubulaire 1 présente une cavité axiale 2 dans laquelle circule les boues de forage. En périphérie le corps tubulaire 1 comporte des logements 3 pourvus d'une ouverture vers l'extérieur.
  • Dans l'exemple illustré, un élément de couteau 4 est logé dans chaque logement 3 et il comporte deux bras de coupe 5 et 6 articulés entre eux ainsi que sur un moyen de transmission en forme de coulisseau 7. Dans la position illustrée les bras 5 et 6 sont en retrait dans leur logement et l'outil est en mode dormant.
  • Dans l'exemple illustré, un moyen moteur conçu sous la forme d'un piston creux 8 est agencé à l'intérieur du corps tubulaire 1, en permettant une circulation des boues sans entrave à l'intérieur du corps tubulaire. Le piston creux 8 est relié au coulisseau 7.
  • Ainsi qu'il ressort des figures 1, 2 et 6, les boues de forage peuvent s'accumuler dans une chambre ou cul-de-sac annulaire 10 où le piton 8 est, par sa surface 11, en contact avec le fluide hydraulique sous pression formé par les boues de forage. Le piston, est, dans le cas illustré, indirectement en appui sur un ressort de rappel 12 qui, à son extrémité opposée, bute sur un élément solidaire du corps tubulaire 1 et agit en sens inverse à la pression susdite du fluide hydraulique passant par la cavité axiale 2.
  • Ainsi qu'il est représenté de manière plus détaillée dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 3 à 5, le piston 8 est doté d'une extension tubulaire 13 du côté aval autour de laquelle le ressort de rappel est agencé en prenant appui sur elle, ce qui permet une disposition décentrée du ressort 12 par rapport aux bras de coupe. Cette extension est pourvue d'un élément de gâchette 14 qui est donc solidaire du piston 8. Dans l'exemple illustré, l'élément de gâchette est formé d'une couronne de lames 15 avantageusement flexibles, par exemple en acier à ressort, qui s'étendent axialement en direction aval, autour d'une partie de l'extension tubulaire 13.
  • Un manchon tubulaire de détente 16 est inséré entre les lames 15 de l'élément de gâchette 14 et ladite extension tubulaire 13 du piston creux 8. Ce manchon est relié à l'extension 13 par des goupilles de cisaillement 17, dont une seule est représentée.
  • Dans l'exemple illustré, dans sa partie aval 18, le manchon tubulaire 16 présente une plus grande épaisseur que dans sa partie amont 19 et avantageusement la transition entre les parties aval et amont est réalisée en pente. Dans la position illustrée sur la figure 3 où le manchon tubulaire 16 est immobilisé sur l'extension tubulaire 13, les lames 15 de l'élément de gâchette 14 sont en appui sur la partie aval 18 plus épaisse du manchon et sont donc maintenues écartées radialement vers l'extérieur.
  • Dans cette position d'écartement, l'extrémité libre 20, avantageusement épaissie, des lames 15 vient axialement en butée contre une bague de retenue 21, solidaire du corps tubulaire 1 de l'outil.
  • Lorsque l'outil est descendu en mode dormant, même si la pression hydraulique des boues exercées sur le piston 8 est importante et développe un effort de traction vers le haut, celle-ci est contrecarrée par la butée des lames 15 contre la bague de retenue 21.
  • A son extrémité aval le manchon tubulaire de détente 16 est pourvu d'un siège de réception 22 destiné à recevoir un moyen d'obturation 23, une bille dans le cas illustré, qui est lancé depuis la surface. Le manchon 16 est aussi pourvu d'ouvertures latérales 24, dont une seule est représentée sur la figure 3. Lorsqu'une bille est amenée à obturer le passage des boues dans la cavité axiale, l'augmentation brusque de pression exercée sur le manchon tubulaire 16 a pour effet de cisailler les goupilles 17 en libérant le manchon. Celui-ci peut alors coulisser vers l'aval entre les lames 15 de l'élément de gâchette et l'extension tubulaire 13 du piston creux. Dans cette position illustrée sur la figure 4, les ouvertures latérales 24 permettent de rétablir la circulation des boues dans la cavité axiale.
  • Ainsi qu'il ressort de la figure 4, les lames 15 sont parvenues, par rappel élastique, en appui radial contre la partie amincie 19 du manchon tubulaire de détente 16. On pourrait aussi prévoir que ce fléchissement des lames 15 résulte d'une déformation élastique sous une poussée en sens radial de l'extrémité en biais de la bague de retenue 21. Les lames 15 sont ainsi passées dans une position d'effacement dans laquelle elles ne sont plus en appui axial contre la bague de retenue 21. Sous l'action du piston creux 8 soumis à une pression hydraulique qui le pousse vers l'amont, les lames 15 de l'élément de gâchette 14 en position d'effacement peuvent passer à l'intérieur de ladite bague 21. Le piston creux 8 est à présent libéré et l'outil est activé. Dans le cas présent, le piston peut commander un déploiement des bras de coupe 5 et 6 pour procéder par exemple à un élargissement du trou de forage.
  • Ainsi qu'il ressort de la figure 6, et comme déjà indiqué précédemment, l'outil compte une chambre annulaire en cul-de-sac 10 qui s'étend entre, d'une part, le corps tubulaire 1 et, d'autre part, le piston creux 8 et son extension tubulaire 13 par où passent les boues de forage. La surface 11 du piston limite axialement la chambre 10, d'un côté, et, du côté opposé, elle est limitée par une bague annulaire 26. Cette bague annulaire 26 est reliée au corps tubulaire 1 par l'intermédiaire d'au moins une goupille de cisaillement 27.
  • Une communication pour fluide, sous la forme d'orifices 25, permet une pénétration des boues de forage à l'intérieur du piston creux 8 dans la chambre annulaire 10. La surface 11 du piston 8 est ainsi soumise aux variations de pression des boues de forage passant par l'outil. Le piston creux 8, libéré par effacement de l'élément de gâchette, est ainsi capable de coulisser entre une première position représentée sur la figure 6, qui correspond à la position d'immobilisation du piston non libéré, et une position où la chambre annulaire 10 présente un volume supérieur à celui de la première position, le piston étant repoussé vers le haut sous la pression des boues de forage. Le piston peut être rappelé vers sa première position par le ressort de rappel 12 en cas de diminution de la pression des boues de forage passées dans le corps de l'outil.
  • Chaque mouvement du piston moteur 8 entraîne un phénomène de succion (augmentation du volume de la chambre 10 quand le piston est en position haute) et de rejet (diminution du volume 10 quand le piston est en position basse) de la boue de forage par les orifices 25 dans et respectivement hors de la chambre en cul-de-sac 10. Ces mouvements de boue, associés à des effets de décantation de particules solides de la boue ou à des effets centrifuges des particules solides de la boue, peuvent provoquer un encrassement excessif du volume de la chambre 10. De plus, le pourcentage du volume de boue stagnante, qui n'est pas renouvelé, peut présenter un phénomène de cimentation. Le bourrage du volume de la chambre 10 peut ainsi empêcher la course complète du mouvement du piston moteur, en entravant le retrait complet des bras de coupe 5 et 6.
  • Dans cette configuration, les bras de coupe partiellement exposés à l'extérieur du corps tubulaire principal 1 forment un obstacle à la remontée de l'outil, au moment du passage à l'endroit d'une restriction du diamètre du puits. La réaction sur les bras de coupe, due à l'effort de traction de l'outil bloqué par la restriction du diamètre du trou, transmet, par l'intermédiaire des coulisseaux 7, une force de rappel supplémentaire au piston moteur. L'accroissement de l'effet de compactage des particules dans le volume mort de la chambre 10 engendre une pression sur la bague 26. Cette force de pression sur la bague 26 provoque, au-delà d'un seuil prédéterminé, un cisaillement des goupilles 27 de cette bague 26. La bague n'étant plus solidaire du corps tubulaire principal 1 peut sous l'effet de la pression du compactage se déplacer vers le bas, en permettant alors le mouvement complet du piston moteur et par conséquence le retrait complet des bras de coupe.
  • Avantageusement on peut prévoir de remplir les jeux entre pièces et les volumes morts de la mécanique par une graisse ou un gel déterminé. Cela permet d'empêcher la boue de forage de venir occuper ces volumes et de gêner le fonctionnement de l'outil. Il peut être intéressant par conséquent de remplir la chambre annulaire en cul-de-sac 10 par une telle matière, cette chambre pouvant être considérée comme un volume mort.
  • Par ailleurs, on peut constater que les mouvements longitudinaux de la mécanique provoquent des variations de volume à divers endroits de l'outil, comme c'est le cas par exemple dans la chambre annulaire 10. Ces variations de volume engendrent des effets de succion et de rejet de la boue de forage avec les inconvénients connus précités.
  • Il est donc avantageux de dimensionner les pièces de façon à obtenir un volume mort le plus grand possible en comparaison de la variation de volume provoquée par les mouvements mécaniques, ceci afin de limiter les effets de compactage de la boue.
  • Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées.
  • On peut par exemple prévoir que le piston et son extension tubulaire soient agencés de manière à subir de la part des boues de forage une pression dirigée vers le bas.

Claims (15)

  1. Outil de fond comportant
    - un corps tubulaire (1) doté d'une cavité axiale (2),
    - un piston creux (8) capable de coulisser dans ladite cavité axiale et soumis à des pressions hydrauliques différentielles variables, et
    - un dispositif d'activation du piston creux,
    caractérisé en ce que le dispositif d'activation comprend
    - un élément de gâchette (14) solidaire du piston creux (8) qui est déplaçable depuis une position d'immobilisation du piston creux, dans laquelle l'élément de gâchette est retenu en butée, à l'encontre desdites pressions différentielles, contre un appui du corps tubulaire, vers une position d'effacement dans laquelle l'élément de gâchette (14) n'est pas en butée contre ledit appui et libère le piston creux,
    - un manchon tubulaire de détente (16) de l'élément de gâchette (14) qui, dans ladite position d'immobilisation dudit élément de gâchette, est relié au piston creux (8) par au moins une goupille de cisaillement (17) et empêche un déplacement de l'élément de gâchette de sa position d'immobilisation du piston creux à sa position d'effacement, et
    - un moyen d'obturation temporaire (23) du manchon tubulaire de détente (16) qui, en position d'obturation, provoque une élévation de pression hydraulique sur le manchon tubulaire (16), au-dessus d'un seuil prédéterminé où a lieu un cisaillement de ladite au moins une goupille de cisaillement (17), et un coulissement du manchon tubulaire de détente (16) dans une position de libération permettant un déplacement de l'élément de gâchette (14) de sa position d'immobilisation du piston creux (8) à sa position d'effacement.
  2. Outil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le manchon tubulaire de détente (16) est inséré entre l'élément de gâchette (14) solidaire du piston creux (8) et une extension (13) du piston creux, de manière à pouvoir coulisser entre eux après cisaillement de ladite au moins une goupille de cisaillement (17).
  3. Outil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le manchon tubulaire (16) comporte une première partie (18) à paroi présentant une première épaisseur et une deuxième partie (19) à paroi présentant une deuxième épaisseur inférieure à la première et en ce que, dans sa position d'immobilisation du piston creux, l'élément de gâchette (14) est en appui radialement sur ladite première partie de paroi (18) du manchon tubulaire et, dans sa position d'effacement, il est en appui radialement sur ladite deuxième partie de paroi (19).
  4. Outil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, comme appui susdit, le corps tubulaire comporte une bague de retenue (21) faisant saillie radialement vers l'intérieur de ladite cavité axiale et en ce que, dans sa position d'immobilisation du piston creux (8), l'élément de gâchette (14) est en butée axialement contre ladite bague et, dans sa position d'effacement, il est entraîné par le piston creux libéré à l'intérieur de ladite bague (21).
  5. Outil suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'élément de gâchette (14) est formé d'une couronne de lames (15) qui s'étendent axialement autour de la première partie (18) du manchon tubulaire (16) en position d'immobilisation de l'élément de gâchette (14) et qui viennent en appui radialement sur ladite deuxième partie de paroi (19) lorsque l'élément de gâchette (14) est en position d'effacement.
  6. Outil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les lames (15) de ladite couronne sont en acier à ressort.
  7. Outil suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les lames (15) susdites présentent une extrémité libre épaissie (20) qui fait saillie radialement vers l'extérieur et qui, en position d'immobilisation de l'élément de gâchette (14), sont en appui axial contre ladite bague de retenue (21).
  8. Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen d'obturation temporaire (23) est une bille lancée dans ladite cavité axiale (2) et en ce que le manchon tubulaire de détente (16) comporte un siège (22) pour recevoir cette bille et des ouvertures latérales (24) permettant de rétablir une circulation de fluide hydraulique lorsque le manchon tubulaire (16) est dans sa position de libération.
  9. Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est un élargisseur muni d'éléments de couteau (4) formés de bras de coupe (5, 6) articulés entre eux et en ce que le piston creux (8) est un moyen moteur permettant une extension des bras de coupe hors du corps tubulaire (1) de l'outil.
  10. Outil suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ressort de rappel (12) qui agit sur le piston creux (8) pour le ramener en direction de sa position d'immobilisation, dans laquelle lesdits bras de coupe sont en position de retrait.
  11. Outil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le ressort de rappel (12) est agencé autour d'une extension tubulaire (13) du piston creux de manière à prendre appui sur elle.
  12. Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites pressions hydrauliques variables agissant sur le piston creux (8) sont dirigées vers le haut.
  13. Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre
    - une chambre en cul-de-sac (10) qui s'étend annulairement entre ledit corps tubulaire (1) et ledit piston creux (8) et/ou une extension tubulaire (13) de celui-ci où passent des boues de forage, une surface (11) du piston creux limitant axialement cette chambre en cul-de-sac, d'un premier côté,
    - une bague annulaire (26) ,qui limite axialement la chambre en cul-de-sac (10), d'un second côté opposé au premier susdit, et qui est reliée au corps tubulaire par au moins une goupille de cisaillement (27),
    - une communication pour fluide (25) entre l'intérieur du piston creux (8) et/ou de son extension tubulaire (13) et la chambre en cul-de-sac (10), ladite surface (11) du piston creux étant ainsi soumise auxdites pressions hydrauliques différentielles variables desdites boues de forage,
    - le piston creux (8), libéré par effacement dudit élément de gâchette (14), étant capable de coulisser entre une première position dans laquelle la chambre en cul-de-sac (10) présente un premier volume et une deuxième position dans laquelle la chambre en cul-de-sac présente un deuxième volume supérieur au premier, ainsi que
    - des moyens de rappel (4, 5, 6, 7, 12) qui agissent sur le piston creux pour le ramener à sa première position, ladite au moins une goupille de cisaillement (27) étant, lorsqu'un obstacle empêche le piston creux de retourner à sa première position et augmente ainsi la pression appliquée sur la bague annulaire au-delà d'un seuil prédéterminé, cisaillée en libérant la bague annulaire (26) et en permettant ainsi un retour du piston creux à sa première position.
  14. Outil suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il présente des jeux entre pièces et des volumes morts et ce que ces jeux et volumes morts sont remplis d'une graisse ou d'un gel.
  15. Outil suivant la revendication 14, caractérisé en ce que la chambre en cul-de-sac (10) susdite est un volume mort de l'outil.
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