EP2297422A1 - Element de garniture de forage, tige de forage et train de tiges de forage correspondant - Google Patents

Element de garniture de forage, tige de forage et train de tiges de forage correspondant

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Publication number
EP2297422A1
EP2297422A1 EP09722713A EP09722713A EP2297422A1 EP 2297422 A1 EP2297422 A1 EP 2297422A1 EP 09722713 A EP09722713 A EP 09722713A EP 09722713 A EP09722713 A EP 09722713A EP 2297422 A1 EP2297422 A1 EP 2297422A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zone
bearing
activation
grooves
axis
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09722713A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean Boulet
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.)
Altifort SMFI SAS
Original Assignee
Vam Drilling France SAS
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 Vam Drilling France SAS filed Critical Vam Drilling France SAS
Publication of EP2297422A1 publication Critical patent/EP2297422A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/10—Wear protectors; Centralising devices, e.g. stabilisers
    • E21B17/1078—Stabilisers or centralisers for casing, tubing or drill pipes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/22—Rods or pipes with helical structure
    • 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

Definitions

  • the invention relates to the field of research and exploitation of oil or gas deposits in which we use rotating drill linings consisting of rods and possibly other tubular components assembled end to end, depending on the needs of drilling.
  • the invention relates to a shaped part for rotary drilling equipment, such as a rod, disposed in a rotary drill string, or a heavy rod or a drill collar, or a drill stabilizer or a workpiece. cross-over sub) of different diameters or thread types.
  • Such drill rods associated with other components of the drill string can in particular make it possible to carry out deviated drillings, that is to say drilling which can be varied. the inclination with respect to the vertical or the direction in azimuth, during the drilling. Deviated drilling can today reach depths of the order of 2 to 8 km and horizontal distances of the order of 2 to 15 km.
  • FR 2 760 783 proposes a profile for a drill pipe with a sleeve that comes into contact with the wall of the borehole and can remain stationary in rotation with respect to the wall, and groove sections allowing activate the circulation of the drilling fluid.
  • document FR 2 824 104 relates to a profiled element for rotary drilling equipment, comprising a bearing zone on the wall of the borehole, a zone of turbulence to produce an activation of the circulation of a drilling fluid.
  • a profiled element for rotary drilling equipment comprising a bearing zone on the wall of the borehole, a zone of turbulence to produce an activation of the circulation of a drilling fluid.
  • the meridian line in an axial plane away from the axis of the profiled element, in the direction from the bottom upwards in the service position of the profiled element in the hole drilling.
  • the drill string element for drilling a hole with circulation of a drilling fluid around said element and in a direction from a downhole to the surface, comprises at least one zone of support on the wall of the hole during drilling, the bearing zone being provided on its outer surface with at least one bearing section of outer diameter greater than the diameter of the other parts of the element, and two activation zones substantially adjacent to the bearing zone and disposed upstream and downstream of the bearing zone, said activation zones comprising a plurality of generally helical grooves around the axis of said element.
  • the activation zones are integral with the support zone.
  • the bearing zone comprises two round convex revolution-shaped guide sections arranged upstream and downstream of the support section and adjacent to the support section. The guide sections are tangent to the support section and to the activation zones.
  • a drill string element for drilling a hole with a drilling fluid circulating around said element and in a direction from a downhole to the surface, forms a connection between a drill string of drilling or a heavy drill string and a downhole set.
  • the element comprises a first end comprising an outer surface having a first diameter and a female thread, a second end comprising an outer surface having a second diameter and a male thread, the first diameter being less than or equal to the second diameter, at least one bearing zone on the wall of the hole during drilling, the bearing zone being provided with at least one cylindrical outer surface bearing section and of outside diameter greater than the diameter of the other parts of the element, and two activation zones substantially adjacent to the support zone and disposed upstream and downstream of the support zone.
  • Said activation zones comprise a plurality of grooves of generally helical shape around the axis of said element.
  • the support zone comprises two sections of convex rounded annular shape guide, arranged upstream and downstream of the support section and adjacent to the support section. Said guide sections are tangent to the support section and to the activation zones.
  • Drill packing element means not only the components of the drill string (drill pipe, etc.) but also the constituent parts of said components such as, for example, threaded connectors ("tool-joints"). which can be attached to the ends of the rods by any means such as for example by welding and which allow the assembly of the rods to each other by screwing.
  • upstream and downstream relate here to the direction of circulation of the drilling fluid in the annular space around the element.
  • drill string means that part of the drill string that includes both standard drill rods and heavy drill rods.
  • the Applicant has observed a decrease in static and dynamic rotational loads, a decrease in axial loads downhill and upwellings of the wells, an increase in the capacity of transmission of weight on a tool, a better capacity of recovery of the drill cuttings. , a greater margin of safety in overtraction and overthrow, a decrease in critical buckling conditions, an increase in alternating flexural fatigue strengths, a decrease in wear and abrasion of the drill string, a better capacity working in the up-and-down cuttings to reduce the risk of plugging, maintaining the mechanical integrity of the threaded connections, reducing hydraulic head losses, improving the flow of sludge and debris around the machine.
  • a drill pipe may comprise at least one element as described above and a pipe welded end to end on a threadless end of said element. The welding of the tube to the element can be performed by friction.
  • Said element can be machined from a short piece of large diameter while the tube can be of smaller diameter, resulting in a very large reduction in the mass of metal to be machined and the amount of waste machining .
  • Said short piece may have a length of the order of 0.3 to 1 meter
  • the drill string preferably comprises a high proportion of rods as described above, for example at least 80% or more than 95%.
  • a train of rods consisting of rods as described above allows to benefit from the effects mentioned above.
  • the drill string may comprise at least two adjacent rods.
  • a drill string stabilizer for drilling a hole with a drilling fluid circulating about said element and in a direction from a downhole to the surface, may comprise at least one zone of bearing on the wall of the hole during drilling, the bearing zone being provided with at least one bearing section of outside diameter greater than the diameter of the other parts of the stabilizer, and two activation zones substantially adjacent to the zone of support and arranged upstream and downstream of the support zone, said activation zones comprising a plurality of generally helical grooves around the axis of said stabilizer.
  • the activation zones are integral with the support zone.
  • the bearing zone comprises at least two convex rounded guide sections arranged upstream and downstream of the support section and adjacent to the support section.
  • the guide sections are tangent to the support section and to the activation zones.
  • Shape circulation grooves generally helical around the axis of said stabilizer are provided on the outer surface of the bearing zone.
  • FIG. 1 is a side elevational view of a drill pipe (drill string component) having a threaded connector member at each of its two ends;
  • FIG. 1 is an axial sectional view of the drill pipe of Figure 1;
  • FIG. 3 is a sectional view along 3-3 of Figure 1;
  • - Figure 4 is a sectional view along 4-4 of Figure 1;
  • Figure 5 is a sectional view along 5-5 of Figure 1;
  • Figure 6 is a sectional view along 6-6 of Figure 1;
  • Figure 7 is a partial detail view of Figure 1;
  • FIG. 8 is a partial detail view of Figure 1;
  • FIG. 9 is a partial side elevational view of two elements on the assembled ends of two drill pipes;
  • FIG. 10 is a partial side elevational view of two elements on the assembled ends of two drill pipes
  • FIG. 11 is a side elevational view of a drill collar drill four support sections
  • FIG. 12 is a side elevational view of a heavy drill pipe with four support sections
  • FIG. 13 is a side elevational view of a support section drill stabilizer
  • FIG. 14 is a side elevational view of a connecting piece often referred to as "cross-over sub"; and - Figure 15 shows the rods of Figures 7 and 8 assembled.
  • the profiled rod 1 has a general shape of revolution about an axis 2 which is substantially the axis of the borehole, when the profiled rod 1 of a drill string is in the service position inside a borehole made by a tool such as a bit disposed at the end of the drill string.
  • Axis 2 is the axis of rotation of the drill string.
  • the profiled rod 1 has a tubular shape, a channel 3 of substantially cylindrical shape of revolution being formed in the central part of the profiled rod 1.
  • the components of the drill string (and in particular the rods of the drill string illustrated in FIGS. 1 to 12) are made in tubular form and are connected together end to end, so that their central channels 3 are located in the extension of one another and constitute a continuous central space of circulation of a drilling fluid from top to bottom, as represented by the arrow 4 of Figure 2 between the surface from which the drilling is carried out until bottom of the borehole where the drill tool is working.
  • the drilling fluid or mud then rises in an annular space delimited between the wall of the borehole and the outer surface of the drill string, see arrow 5.
  • a drill string may comprise rods, heavy rods ("heavy weight" drill pipe "), drill collars, stabilizers or couplings. The rods are assembled end-to-end by screwing into a drill string which constitutes a substantial or even preponderant part of the length of the drill string.
  • the drilling fluid causes debris from the geological formations traversed by the drilling tool to the surface from which drilling is being performed.
  • the drill string is designed to facilitate the upward flow of drilling fluid into the annulus between the shaft and the well wall.
  • the characteristics of a drill pipe and more generally of a drill string component contribute to the fundamental properties of quality, performance and safety of the general drilling process, whether during the excavation phases themselves or during the phases maneuvering between the bottom and the surface.
  • the evolution of hydrocarbon research requires the realization of increasingly complex trajectory profiles and in increasingly extreme geological conditions. Hydrocarbons are currently being investigated at depths of more than 4 km and at horizontal distances from the fixed facility of up to 10 km.
  • the Applicant has realized that the mechanical and hydraulic characteristics at the points of contact between the component of the drill string and the walls of the drilled hole were of great importance. Indeed, the liner rubs in rotation and in translation against the wall of the drilled hole. Friction causes slow but significant wear of the packing components and relatively rapid wear of the walls of the drilled hole resulting in an increase in the diameter of the drilled hole and an increase in the volume of debris that may be significant for holes. of great length. Furthermore, it is necessary to avoid clogging by setting the mass of debris between the borehole and the liner.
  • the Applicant has developed a new universal profile allowing a very significant reduction in the coefficients of axial friction, from the bottom to the surface and the surface to the bottom and rotation while allowing dynamic cleaning of the entire hole during drilling and a destruction of the accumulations of cuttings that can be generated during lifts in operation of the drill string.
  • the profile allows a drastic reduction of the abrasive wear of the packing and in particular drill string and a reduction in wear by abrasion of the walls of the borehole.
  • the profile also makes it possible to avoid contact between the maximum stress zones of the screwed connections.
  • the profile makes it possible to increase the lifespan of the equipment, the in-service preservation of its mechanical resistance during the drilling and maneuvering phases.
  • the profiled rod 1 can be made of high strength steel, in monobloc form of origin or obtained in sections and then welded together. More particularly, the profiled rod 1 may comprise two relatively short end sections 6 and 7 forming "tool-joint" rod assembly connectors and a central tubular section 8 length of more than ten meters welded together.
  • the central section 8 pt have a smaller outer diameter than the end sections.
  • the manufacture of the central section 8 long apart short end sections 6, 7 can significantly reduce the amount of waste, including chips machining. In this way a considerably higher material yield is obtained.
  • the central section 8 may be in the form of a substantially constant bore tube and substantially constant outside diameter (nominal diameter of the drill pipe), with possibly an excess thickness at the ends towards the sections 6 and 7 to facilitate the connection by welding to said sections 6 and 7.
  • the section 6 (female tool-seal) comprises a female connection portion 9 of cylindrical outer annular surface having a bore 9a provided with a female thread for connection to a male thread of another rod 1.
  • the female thread 9a may be truncated, for example according to API 7 specification or according to one of the applicant's patents , for example, QS 7,210,710, US 6,513,840.
  • the connecting portion 9 constitutes the free end of the end section 6 and of the rod 1.
  • the end section 6 then comprises, on an outer surface, an activation zone 10, a sectional view of which is given in FIG. 3.
  • the activation zone 10 comprises an outer surface tangent to the outer cylindrical surface of the portion 9, while being able to have a very slight annular hollow relative to the outer diameter of the connecting portion 9, then an increasing outer diameter.
  • the activation zone 10 comprises an outer surface tangent to the outer cylindrical surface of the portion 9, while being able to have a very slight annular hollow relative to the outer diameter of the connecting portion 9, then an
  • the angle of inclination of the helix grooves 11 relative to the axis 2 can be between 7 and 45 degrees.
  • the bottom of the grooves 11 comprises a portion 11a of decreasing diameter with respect to the connecting portion 9, an annular bottom 11b of short length and an inclined portion lie on the opposite side to the connecting portion 9 to reach the outer diameter of the activation zone 11.
  • the annular hollow of the outer surface of the activation zone 10 is located substantially at the inclined portion 11a of the groove 11.
  • the grooves 11 have an asymmetrical profile shaped scoop with an obtuse angle with respect to the outer cylindrical surface of the activation zone 10 on one side and an acute angle on the opposite side. The acute angle may be provided on the rear or exit side of the grooves in the direction of rotation of the drill string (arrow 91).
  • the obtuse angle provided on the front or groove inlet side is designed to facilitate the entry of the fluid threads into the grooves 11.
  • the grooves 11 provide makes their asymmetric profile a function of scooping debris.
  • the activation zone 10 may be provided with grooves 11 in number of between seven and ten, for example nine.
  • the axial length of the portion 11a can be between 10 and 70 mm, preferably between 35 and 45 mm, for example equal to 39 mm.
  • the axial length of the central portion 11b may be between 5 and 40 mm, preferably between 10 and 15 mm, for example equal to 11 mm.
  • the angle ⁇ 1 of the first portion 11a with respect to the axis may be between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °, for example equal to 20 °.
  • the angle ⁇ 1 of the portion lie may be between 30 and 60 °, preferably between 40 and 50 °, for example equal to 45 °.
  • connection fillet between said portions may be between 3 and 10 mm radius.
  • the depth of the grooves 11 may be between 5 and 20 mm, preferably between 10 and 15 mm.
  • the acute angle of the downstream edge of the groove 11, complementary to ⁇ i may be between 50 and 80 °, preferably between 60 and 70 °, for example equal to 65 °.
  • the distance d1 between two grooves 11 on the outside of the activation portion 10 may be between 20 and 40 mm, for example between 25 and 30 mm.
  • the activation zone 10 ensures a recirculation effect of the mud and debris during drilling (downward rotation of the drill string) and scraping of the walls of the hole at the rise of the drill string.
  • the rod 1 then comprises on its outer surface, away from the connecting portion 9, a bearing zone 12.
  • the bearing zone 12 comprises a guide portion 13, a central support portion 14 and a guide portion 15. In the direction of flow 5 of the drilling mud outside the rod 1, the guide portion 13 is downstream and the guide portion 15 is upstream.
  • the bearing zone 12 may have an axial length of the order of 50 to 110 mm, preferably of the order of 70 to 80 mm.
  • the central support portion 14 has a cylindrical shape of revolution of outside diameter greater than the outside diameter of the other parts of the rod 1.
  • the guide portions 13 and 15 have an outer rounded shape of revolution, for example toroidal, ogival or ellipsoidal.
  • the guide portions 13 and 15 are tangentially external to the central support portion 12.
  • the guide portion 13 is externally tangent to the outer surface of the activation zone 10.
  • the guide portion 15 is externally tangential to the zone activation 16 described later.
  • the guide portions 14 may have a length of the order of half the length of the bearing zone 12.
  • the bearing zone 12, in particular the supporting section 14, can be made in the form of a coating or a hardening material that is harder than the rest of the rod 1.
  • the hard material can comprise tungsten carbide or of chromium.
  • the hard material may have a thickness of between 1 and 10 mm, for example between 2 and 4 mm.
  • Said hard material is in the form of a hard coating that can be provided by a welding operation or thermal projection (for example in a flame or a plasma).
  • the bearing zone 12 is provided to support axial friction and rotation against the wall of the drilled hole.
  • the bearing zone 12, in particular the profile of the guide portions, allows the fluid to generate a fluid bearing effect.
  • the activation zone 16, disposed upstream of the bearing zone 12 in the direction of flow of the drilling mud outside the rod 1, comprises a generally increasing outer diameter in the direction of flow of the the drilling mud according to the arrow 5.
  • the outer shape may for example be ovoid convex.
  • the activation zone 16 is tangentially connected on one side to the guide portion
  • the activation zone 16 comprises a plurality of grooves 17 of general shape similar to that of the grooves 11 and of different dimensions.
  • the grooves 17 may be between four and eight, for example six.
  • the activation zone 16 ensures scooping of sludge and debris with recirculation effect of the sludge during drilling (lowering of the drill string).
  • the inclination on the axis of the helix of the grooves 11 situated downstream of the grooves 17 can be smaller than that of the grooves 17.
  • a groove 17 comprises a downstream portion 17a adjacent to the guide portion 15, a central portion 17b having a cylindrical bottom and an upstream portion 17c of decreasing diameter in the direction of the arrow 5.
  • the downstream portion 17a may have an angle ⁇ 2 relative to the axis 2 between 30 and 60 °, preferably between 40 and 50 °, for example equal to 45 °.
  • the upstream portion 17c may have an angle ⁇ 2 with respect to the axis 2 of between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °, for example equal to 20 °.
  • the axial length of the central portion 17b may be between 20 and 60 mm, more preferably between 30 and 40 mm, for example equal to 36 mm.
  • the axial length of the upstream portion 17c may be between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 30 mm, for example equal to 24 mm.
  • the central portion 17b may have a diameter smaller than the diameter of the central portion 11b of the grooves 11 of the activation zone 10.
  • the grooves 17 may have a depth greater than the depth of the grooves 11, preferably more than twice as deep. .
  • the depth of the grooves 17 may be between 20 and 30 mm, preferably between 25 and 28 mm. It is preferable that the thickness of material between the cylindrical bottom 17b of the grooves and the bore 3 is greater than that of the connection zone 18 described hereinafter.
  • the groove base diameter may be greater than or equal to the outside diameter of the connection zone 18.
  • ⁇ 2 for example between 50 and 80 °, preferably between 60 and 70 °, for example equal to 65 °.
  • the distance d 2 between two grooves 17 may be between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 40 mm, for example equal to 30 mm in the zone where said distance is minimal.
  • the end section 6 may comprise a conical elevator zone 92 (intended to support the rod when it is raised and held by the elevator of the drilling tower before its connection to another rod) tangential to the outer surface of the activation zone 16, then a connecting zone 18 having a cylindrical outer surface to its end welded to the central section 8.
  • the upstream end portion 7 (male tool-seal) has a shape very generally symmetrical to that of the end section 6.
  • the end section 7 comprises on its outer surface, in the direction of the arrow 4, a zone connection 19, an activation zone 20 provided with grooves 21, a bearing zone 22 comprising a downstream guide portion 23, a central support portion 24 and an upstream guide portion 25, an activation zone 26 provided with grooves 27 and a male connection area 28.
  • the connecting zone 19 has a cylindrical outer shape of revolution fixed on one side by welding to the central section 8 and tangent on the opposite side to the activation zone 20.
  • the activation zone 20 is provided with grooves 21 in number between four and eight, for example equal to six.
  • the grooves 21 may have geometric features seen in section shown in Figure 5 close to the geometric characteristics of the grooves 17, but with a slightly lower depth.
  • the activation zone 20 ensures a recirculation effect of the sludge and debris during the drilling (lowering of the drill string) and scraping of the hole at the rise of the drill string.
  • the grooves 21 comprise two main portions instead of three for the grooves 11 and 17.
  • the grooves 21 comprise a downstream portion 21a located in the extension of the outer surface of the connection zone 19 so as to maintain a rod wall thickness at the portions 21a of the grooves 21 at least equal to that of the wall of the connection zone 19.
  • the bottom of the grooves 21 is substantially flat.
  • the grooves 21 comprise an upstream portion 21b inclined to join the outer diameter of the activation zone 20.
  • the upstream portion 21b may have an angle of inclination ⁇ 3 with respect to the axis 2, between 30 and 60 °, preferably between 40 and 50 °, for example equal to 45 °.
  • the outer surface of the activation zone 20 has a generally convex shape, for example ogival between the connection zone 19 and the bearing zone 22.
  • the axial length of the downstream portion 21a can be between 50 and 100 mm, preferably between 60 and 80 mm, more preferably still less than the average radius of the guide sections.
  • the distance d 3 between the grooves 21 may be equal to the distance d 2 .
  • the bearing zone 22 may have geometrical, physical and / or chemical characteristics similar to those of the bearing zone 12.
  • the downstream guide portion 23 is tangent to the outer surface of the activation zone 20 and to the outer surface of the bearing portion 22.
  • the upstream guide portion 25 is tangent to the outer surface of the activation zone 26 and to the outer surface of the bearing portion 22.
  • the activation zone 26 comprises a plurality of grooves 27, for example in number between five and ten, for example seven.
  • the outer surface of the activation zone 26 comprises a portion of diameter increasing in the direction of the arrow 5 then a portion of decreasing diameter connecting to the outer diameter of the connecting portion 28.
  • the bottom of the grooves 27 comprises a downstream portion 27a of increasing diameter in the direction of the arrow 5, a central portion 27b of cylindrical bottom, and an upstream portion 27c of decreasing diameter in the direction of the arrow 5.
  • the downstream portion 27a may have an angle ⁇ 4 with respect to the axis 2 of between 30 and 60 °, preferably between 40 and 50 °, for example equal to 45 °.
  • the upstream portion 27c may have an angle Of 4 with respect to the axis 2 between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °, for example equal to 20 °.
  • the diameter of the central portion 27b may be between the diameter of the central portion 11b of the grooves 11 and the diameter of the central portion 17b of the grooves 17.
  • the axial length of the central portion 27b may be between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 30 mm.
  • the axial length of the upstream portion 27c may be between 20 and 80 mm, preferably between 40 and 60 mm, for example equal to 53 mm.
  • the activation zone 26 provides a scooping with recirculation effect of sludge and debris during drilling (down the drill string).
  • the grooves 27 have an upstream edge in the direction of rotation of the drill string at an obtuse angle to the outer circumference of the activation zone 26 and a acute angle on the side of the downstream edge, complementary to ⁇ 4 for example with an angle of between 50 and 80 ° relative to the outer circumference, preferably between 60 and 70 °, for example equal to 65 e .
  • the depth of the grooves 27 may be between 15 and 30 mm, preferably between 20 and 25 mm.
  • the distance d 4 between the grooves may be between 10 and 40 mm, preferably between 20 and 35 mm, for example equal to 25 mm.
  • the connecting zone 28 upstream of the activation zone 26 has a cylindrical outer shape of revolution.
  • the connection zone 28 also includes a male thread 28a provided to cooperate with a corresponding female thread.
  • the profiled element 1 comprises two support zones 12 and 22 separated from each other and each surrounded by two activation zones, respectively 10 and 16, 20 and 26.
  • the distance between the bearing zones 12 and 22 may be relatively large, for example of the order of 5 to 15 m depending on the length of the profiled element 1.
  • the central section 8 is in the form of a part of revolution of maximum diameter much smaller than the maximum diameter of the end sections 6 and 7 (tool-joints) can be manufactured from a tubular blank of outside diameter clearly lower, for example of the order of 15 to 30% to the outer diameter of the end sections 6 and 7. This considerably reduces the amount of material to be machined relative to a rod 1 made from a one-piece blank.
  • the sections 6, 7 and 8 are welded together, for example by friction, before or after machining the grooves of the activation zones and before or after formation of the hard reinforcement of the bearing zones 12 and 22.
  • a drill string can be composed of rods 1 to which are added or not other elements such as fittings, or heavy rods, drill collars or stabilizers. It is particularly interesting to compose a trim and more particularly a train of. rods from a high proportion of rods 1 providing excellent drilling characteristics, including linear speed of advance, low drive torque, and low abrasion of the drilled hole. Indeed, the activation zones 10, 16, 20 and 26 cause a movement of the drilling mud and debris located outside the rod 1 with a scraping effect, especially in the case of deviated wells substantially horizontal in which the drilling debris tends to settle in the lower part of the drilled hole.
  • the bearing zone 12, 22 is made of a material of hardness greater than the hardness of the remainder of the rod 1 and on a radial thickness such that the outside diameter of the bearing section decreased by twice as much. radial thickness is greater than the outer diameter of a threaded portion of the element.
  • At least one guide section may have a toroidal shape preferably of average radius greater than 20 mm, preferably 60 mm, for forming a fluid bearing.
  • At least one activation zone may have an increasing outer diameter towards the bearing zone.
  • At least one guide section may have an ogival or ellipsoidal shape.
  • the length of the support section may be between 20 and 50 mm, preferably between 30 and 40 mm.
  • the length of the bearing zone may be between 50 and 100 mm, preferably between 70 and 80 mm, more preferably smaller than the average radius of the guide sections.
  • Figure 15 shows an assembly of two rods 1 by their threads 9a and 28a.
  • the bearing zone 12 and the activation zones 10, 16 of one of the rods are relatively close to the bearing zone 22 and the activation zones 20 and 26 of the other rod (distance from the order of less than 0.50 m).
  • the mud and debris In view of the direction of circulation of the mud and debris outside the drill string, the mud and debris first encounter the activation zone 16, then the support zone 12, then the zone of activation 10 then a few tens of cm activation area 26, then the support zone 22 and finally the activation zone 20.
  • the inclination angle of the grooves 21 may be chosen smaller than that of the grooves 27, the inclination angle of the grooves 27 may be chosen smaller than that of the grooves 11 and the angle the inclination of the grooves 11 may be chosen smaller than that of the grooves 17.
  • a rod 41 may comprise an end section 7 (male tool-seal) comprising an activation zone 20 downstream of a downstream support zone 22, an activation zone 26 upstream of an upstream support zone 42 and an activation zone 46 between said downstream and upstream support zones, see Figure 10.
  • the rod 41 provides increased sludge activation and excellent sliding on the walls of the well.
  • a rod 31 may comprise a section 6 (female tool-seal) comprising an activation zone 16 upstream of an upstream support zone 12 and an activation zone 11 between a downstream support zone 32 and said upstream bearing zone 12, see Figure 9.
  • the section 31 comprises two support zones and two activation zones.
  • the profiled element 1 is a drill collar.
  • the profiled element 1 comprises four bearing zones 12, 22, 52 and 62, each surrounded by activation zones 10 and 16, 20 and 26, 50, and 56, 60 and 66.
  • the profiled element 1 is a heavy rod.
  • the profiled element 1 comprises four bearing zones 12, 22, 52 and 62, each surrounded by activation zones 10 and 16, 20 and 26, 50 and 56, 60 and 66.
  • a stabilizer 70 for example disposed under the lower end of a drill string.
  • the stabilizer 70 includes a male thread at one end and a female thread at another end.
  • the stabilizer 70 comprises on its outer surface a bearing zone 12 comprising two downstream support sections 14 and upstream 74, and two activation zones 10 and 16 downstream and upstream of the bearing zone. 12.
  • the support zone 12 comprises two guide sections 13, 15 respectively between the activation zone 10 and the downstream support section 14, and between the activation zone 16 and the support section.
  • the support zone 12 comprises a connecting section 73 between the downstream support section 14 and the upstream support section 74.
  • the connection section may have an outside diameter smaller than the outside diameter of the support sections. 14 and 74.
  • the outer diameter of the activation zone 10 may be different from the outer diameter of the activation zone 16.
  • the stabilizer 70 comprises a first tubular portion between the male thread and the bearing zone 12 and a second tubular portion between the female thread and the bearing zone 12.
  • the outer diameter of each tubular portion is smaller than the maximum diameter the bearing zone 12, preferably less than 65% of the maximum diameter of the bearing zone 12.
  • the outer diameter of the first tubular portion may be greater than or equal to the outer diameter of the second tubular portion.
  • the length of the first tubular portion may be between 254 and 1219 mm.
  • Grooves 71 of generally helical shape may be formed at least in the bearing zone 12 by forming stabilizer blades 75 between the grooves 71.
  • the grooves 71 extend at least from the downstream support section 14 to the section of the groove 71. upstream support 74.
  • the grooves 71 may be in number between two and six, for example three.
  • the grooves 71 have an angle of inclination with respect to the axis 2 between 15 and 35 °. The angle of inclination can be between the angle of inclination of the grooves 11 of the activation zone 10 and the inclination angle of the grooves 17 of the activation zone 16.
  • the grooves 71 can extending from the activation zone 10 to the activation zone 16.
  • the grooves 71 may open at their ends in at least a portion of the grooves 11 and 17, for example three out of six.
  • the grooves 71 provide a function of circulation of drilling muds, the outer diameter of the stabilizer can be close to that of the drilled hole and at least some of the blades 75 bearing against the lower surface of the hole.
  • a connecting piece or "cross-over sub” 80 is devoid of grooves 71.
  • the connecting piece 80 may have a bearing zone 41 similar to that illustrated in FIG. 10, a male thread at one end and a female thread at another end, a first tubular portion between the male thread and the male thread. bearing zone 41 and a second tubular portion between the female thread and the bearing zone 41.
  • the outer diameter of each tubular portion is less than the maximum diameter of the bearing zone 12 which may itself be much smaller than the diameter of the drilled hole.
  • the inertia of the first and second tubular portions may be close to the inertia of the ends of the components that are adjacent to them.
  • the inertia of the first portion may be close to that of the drill collar. If the component adjacent to the second portion is a heavy rod, the inertia of the second portion may be close to that of the heavy rod.
  • Each stabilizer 70 or connecting piece 80 may serve as a connection between a bottom hole assembly (BHA) and a drill string that may have heavy rods at its lower end.
  • a stabilizer 70 or connecting piece 80 is disposed between a heavy rod (or a standard rod if no heavy rod is provided) forming part of the drill string and a drill collar or a drill collar. another component forming part of the downhole assembly. More particularly, the outer diameter of the upper tubular portion of the drill collar may be different from the outer diameter of the first tubular portion of the stabilizer 70 or the connecting piece 80. The outer diameter of the lower tubular portion of the heavy stem may be different from the outer diameter of the second tubular portion of the stabilizer 70 or the connecting piece 80.
  • the stabilizers are ordinarily arranged within the bottom hole assembly (for example towards the lower and upper ends) .
  • the establishment of a stabilizer 70 or a connecting piece 80 between the drill string and the downhole assembly provides special advantages during so-called backrea- ing operations.
  • a standard configuration without component type 70, 80 between the set of bottoms and the drill stem, it tends to create an accumulation of debris or "dune" just above the set of downhole under backreaming trim conditions.
  • the inventors have found the particularly beneficial influence on the evacuation of debris to have at least one component 70, 80 between the set of downhole and the drill string.
  • a connecting piece 80 can make it possible to make a transition between the high inertia of a drill collar of the downhole assembly and the lower one of a heavy rod or a standard drill rod.
  • the grooves 11, 17, 21, 27 may comprise a bottom portion inclined along a plane secant to the axis close to the adjacent bearing zone, the inclination of this plane relative to the axis being between 30 and 60 °, preferably between 40 and 50 °.
  • At least a portion of the grooves 11, 17, 21, 27 may comprise a central portion whose bottom is in a plane substantially parallel to the axis.
  • a rod may comprise a substantially tubular portion between an activation zone upstream of a first bearing zone and an activation zone downstream of a second bearing zone.
  • the grooves of the activation zone upstream of the second bearing zone may comprise an inclined portion distant from the adjacent bearing zone, the bottom of which is inclined along a plane intersecting with the axis.
  • the inclination of this plane relative to the axis may be between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °.
  • the grooves of the activation zone upstream of the second bearing zone may comprise a portion that is remote from the bearing zone, the bottom of which is inclined along a plane intersecting with the axis and of length lying between 20 and 80 mm, preferably between 40 and 60 mm, and a central portion whose bottom is in a substantially parallel plane. leles to the axis, of length between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 30 mm.
  • the grooves of the activation zone downstream of the second bearing zone may comprise a portion whose bottom is in a plane substantially parallel to the axis, with a length of between 50 and 120 mm, preferably between 70 and 80 mm.
  • the grooves of the activation zone downstream of the second bearing zone may comprise a portion whose bottom is in a plane substantially parallel to the axis and tangential to an outer surface of a substantially tubular surface.
  • the grooves of the activation zone upstream of the first bearing zone may comprise a portion whose bottom is inclined along a plane secant to the axis distant from the adjacent bearing zone.
  • the inclination with respect to the axis may be between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °.
  • the grooves of the activation zone upstream of the first bearing zone may comprise a portion whose bottom is inclined along a plane intersecting with the axis distant from the adjacent bearing zone and of length lying between
  • the grooves of the activation zone downstream of the first bearing zone may comprise a portion whose bottom is inclined along a plane intersecting with the axis distant from the adjacent bearing zone, the inclination relative to at the axis being between 10 and 30 °, preferably between 15 and 25 °.
  • the grooves of the activation zone downstream of the first bearing zone may comprise a portion whose bottom is inclined according to a secant plane at the axis distant from the adjacent bearing zone and of length lying between and 70 mm, preferably between 35 and 45 mm, and a substantially axial central portion of length between 5 and 40 mm, preferably between 10 and 15 mm.
  • the product of the depth of a groove and the number of grooves of an activation zone may be between 80 and 200 mm, preferably between 100 and 160 mm.
  • the grooves of the activation zones may present with the outer surface of the activation zone an acute angle on an edge and an obtuse angle on the opposite edge in the circumferential direction and with respect to the outer circumference of the activation zone. .
  • the acute angle can have a value between 60 ° and 70 °.
  • the distance between two grooves of an activation zone may be between 10 and 50 mm, preferably between 20 and 35 mm.
  • the depth of a groove of an activation zone may be between 10 and 40 mm, preferably between 11 and 28 mm.
  • the grooves have a generally angular helix shape with respect to the decreasing axis from upstream to downstream of a bearing zone.
  • a section as described above may be provided with a threaded connection at one of its ends and without thread at the other end.
  • a drill pipe may comprise at least one section of this type (consisting for example from a tool-joint) and a tube whose end face is welded to the end of said threaded end without threading. (welding said end).
  • the drill pipe may comprise two sections connected by a tube welded by its end faces to the threadless end of each section. It is possible to form a drill string comprising at least 80% of drill pipes according to the invention, or even 100%.
  • a drilling rod element is available which allows a considerable improvement in the drilling performance, in particular an increase in the forward speed of the order of 10 to 30%, a reduction in the friction torque of the order from 10 to 60%, a decrease in axial friction of the order of 10 to 50%, an increase in the life of the drill string of the order of 10 to 30% and an increase in the total length of the hole drilled on the order of 1 to 2 km.

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Abstract

Elément (6) de garniture (1) de forage comprenant au moins une zone d'appui (12) sur la paroi de trou de forage, la zone d'appui (12) étant pourvue d'au moins un tronçon d'appui (14) de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties de l'élément, et deux zones d'activation (10, 16) sensiblement adjacentes à la zone d'appui (12) et disposées en amont et en aval de la zone d'appui (12), lesdites zones d'activation (10, 16) comprenant une pluralité de rainures (11, 17) de forme générale hélicoïdale autour de l'axe (2) dudit élément, la zone d'appui (12) comprenant deux tronçons de guidage (13, 15) de forme de révolution arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui (14), de façon adjacente au tronçon d'appui (14), et tangents au tronçon d'appui (14) et aux zones d'activation (10, 16).

Description

Elément de garniture de forage, tige de forage et train de tiges de forage correspondant
L'invention relève du domaine de la recherche et de l'exploitation de gisements pétroliers ou gaziers dans lesguels on utilise des garnitures de forage rotatives constituées de tiges et éventuellement d'autres composants tubulaires assemblés bout à bout, selon les besoins du forage.
L'invention concerne plus particulièrement une pièce profilée pour un équipement de forage rotatif, tel qu'une tige, disposée dans un train de tiges de forage rotatif, ou une tige lourde ou une masse-tige, ou un stabilisateur de forage ou une pièce de raccordement ("cross-over sub") de diamètre ou de type de filetage différents.
De tels trains de tiges associés à d'autres composants de la garniture de forage (masse-tiges, stabilisateurs ...) peuvent permettre en particulier de réaliser des forages déviés, c'est-à-dire des forages dont on peut faire varier l'inclinaison par rapport à la verticale ou la direction en azimut, pendant le forage. Les forages déviés peuvent aujourd'hui atteindre des profondeurs de l'ordre de 2 à 8 km et des distances horizontales de l'ordre de 2 à 15 km.
Dans le cas de forages déviés, comportant des tronçons pratiquement horizontaux, les couples de frottement dus à la rotation des trains de tiges dans le puits peuvent atteindre des valeurs très élevées au cours du forage. Les couples de frottement peuvent remettre en cause les équipements utilisés ou les objectifs du forage. En outre, la remontée de déblais produits par le forage est très souvent difficile, compte tenu de la sédimentation des débris produits dans le trou de forage, en particulier dans la partie fortement inclinée par rapport à la verticale, du trou de forage. Il s'ensuit un mauvais nettoyage du trou et une augmentation à la fois des coefficients de frottement des tiges du train de tiges à l'intérieur du trou de forage et des surfaces de contact entre les tiges et les parois du trou.
On a proposé, dans le document FR 2 760 783, un profil pour une tige de forage avec une manchette venant en contact avec la paroi du trou de forage et pouvant rester stationnaire en rotation par rapport à la paroi, et des tronçons rainures permettant d'activer la circulation du fluide de forage.
Plus récemment, le document FR 2 824 104 concerne un élément profilé pour équipement de forage rotatif, comprenant une zone d'appui sur la paroi du trou de forage, une zone de turbulences pour produire une activation de la circulation d'un fluide de forage dans le trou de forage autour de l'équipement de forage et une zone de déflexion adjacente à la zone d'appui et à la zone de turbulences s ' étendant suivant la direction axiale de l'élément profilé et comportant au moins une surface inclinée par rapport à l'axe du forage, dont la ligne méridienne dans un plan axial s'éloigne de l'axe de l'élément profilé, dans le sens allant de bas en haut dans la position de service de l'élément profilé dans le trou de forage. Ce type de dispositif a donné satisfaction jusqu'à récemment. Toutefois, le besoin se fait sentir de garnitures de forage particulièrement robustes, multifonction- nelles et conçues en vue de forages à des profondeurs et à des déports considérables. L'invention vient améliorer la situation.
L'élément de garniture de forage, pour le forage d'un trou avec circulation d'un fluide de forage autour dudit élément et dans un sens allant d'un fond de trou de forage vers la surface, comprend au moins une zone d'appui sur la paroi du trou pendant le forage, la zone d'appui étant pourvue sur sa surface extérieure d'au moins un tronçon d'appui de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties de l'élément, et deux zones d'activation sensiblement adjacentes à la zone d'appui et disposées en amont et en aval de la zone d'appui, lesdites zones d'activation comprenant une pluralité de rainures de forme générale hélicoïdale autour de l'axe dudit élément. Les zones d'activation sont solidaires de la zone d'appui. La zone d'appui comprend deux tronçons de guidage de forme de révolution arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui et de façon adjacente au tronçon d'appui. Les tronçons de guidage sont tangents au tronçon d'appui et aux zones d'activation. Un élément de garniture de forage, pour le forage d'un trou avec circulation d'un fluide de forage autour dudit élément et dans un sens allant d'un fond de trou de forage vers la surface, forme raccord entre un train de tiges de forage ou un train de tiges lourdes de forage et un en- semble de fond de trou. L'élément comprend une première extrémité comprenant une surface extérieure présentant un premier diamètre et un filetage femelle, une deuxième extrémité comprenant une surface extérieure présentant un deuxième diamètre et un filetage mâle, le premier diamètre étant inférieur ou égal au deuxième diamètre, au moins une zone d'appui sur la paroi du trou pendant le forage, la zone d'appui étant pourvue d'au moins un tronçon d'appui de surface extérieure cylindrique et de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties de l'élément, et deux zones d'activation sensiblement adjacentes à la zone d'appui et disposées en amont et en aval de la zone d'appui. Lesdites zones d'activation comprennent une pluralité de rainures de forme générale hélicoïdale autour de l'axe dudit élément. La zone d'appui comprend deux tronçons de guidage de forme annulaire arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui et de façon adjacente au tronçon d'appui. Lesdits tronçons de guidage sont tangents au tronçon d'appui et aux zones d' activation. Par élément de garniture de forage, on entend non seulement les composants de la garniture de forage (tiges de forage, etc ...) mais encore des parties constitutives des dits composants telles que par exemple les connecteurs filetés (« tool-joints ») qui peuvent être rapportés aux extrémités des tiges par tout moyen tel que par exemple par soudage et qui permettent l'assemblage des tiges l'une à l'autre par vissage.
Les termes amont et aval se rapportent ici au sens de circulation du fluide de forage dans l'espace annulaire autour de l'élément.
Sauf indication contraire, "train de tiges" signifie la partie de la garniture de forage englobant à la fois les tiges de forage standard et les tiges lourdes de forage.
La demanderesse a constaté une diminution des charges statiques et dynamiques en rotation, une diminution des charges axiales en descente et remontée de garniture de puits, une augmentation de la capacité de transmission du poids sur un outil, une meilleure capacité de remontée des déblais de forage, une meilleure marge de sécurité en surtraction et en surtorsion, une diminution des conditions de flambage critiques, une augmentation des résistances en fatigue sous flexion alternée, une diminution de l'usure et de l'abrasion de la garniture de forage, une meilleure capacité de travail dans les déblais en manœuvre de remon- tée permettant de réduire le risque de bouchon, un bon maintien de l'intégrité mécanique des connexions filetées, une réduction des pertes de charges hydrauliques, un meilleur écoulement des boues et des déblais autour de la tige de forage, une diminution de l'usure par abrasion de la paroi interne du puits de forage, une forte diminution des risques de collage dus à la pression différentielle, notamment lorsque la pression hydrostatique de boue est supérieure à la pression régnant dans le matériau, par exemple la roche, en cours de forage, une forte diminution des risques de coincement du train de tiges lors d'une manœuvre de remontée et une amélioration des états de surface des parois du trou de forage. Une tige de forage peut comprendre au moins un élément tel que décrit ci-dessus et un tube soudé bout à bout sur une extrémité dépourvue de filetage dudit élément. La soudure du tube à l'élément peut être effectuée par friction. Ledit élément peut être usiné à partir d'une pièce courte de fort diamètre tandis que le tube peut être de diamètre plus faible, d'où une très forte réduction de la masse de métal à usiner et de la quantité de déchets à l'usinage. Ladite pièce courte peut avoir une longueur de l'ordre de 0,3 à 1 mètre Le train de tiges comprend de préférence une forte proportion de tiges tels que décrites ci-dessus, par exemple au moins 80 %, voire plus de 95 %. Un train de tiges composé de tiges telles que décrites ci-dessus permet de bénéficier des effets évoqués plus haut. Le train de tiges peut comprendre au moins deux tiges adjacentes.
Un stabilisateur de garniture de forage, pour le forage d'un trou avec circulation d'un fluide de forage autour dudit élément et dans un sens allant d'un fond de trou de forage vers la surface, peut comprendre au moins une zone d'appui sur la paroi du trou pendant le forage, la zone d'appui étant pourvue d'au moins un tronçon d'appui de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties du stabilisateur, et deux zones d'activation sensiblement adjacentes à la zone d'appui et disposées en amont et en aval de la zone d'appui, lesdites zones d'activation comprenant une pluralité de rainures de forme générale hélicoïdale autour de l'axe dudit stabilisateur. Les zones d'activation sont solidaires de la zone d'appui. La zone d'appui comprend au moins deux tronçons de guidage de forme arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui et de façon adjacente au tronçon d'appui. Les tronçons de guidage sont tangents au tronçon d'appui et aux zones d'activation. Des rainures de circulation de forme générale hélicoïdale autour de l'axe dudit stabilisateur sont ménagées sur la surface extérieure de la zone d'appui.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisa- tion pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue de côté en élévation d'une tige de forage (composant de garniture de forage) comportant un élément connecteur fileté à chacune de ses deux extrémités ;
- la figure 2 est une vue en coupe axiale de la tige de forage de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en coupe selon 3-3 de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en coupe selon 4-4 de la figure 1 ;
- la figure 5 est une vue en coupe selon 5-5 de la figure 1 ;
- la figure 6 est une vue en coupe selon 6-6 de la figure 1 ;
- la figure 7 est une vue partielle de détail de la figure 1 ;
- la figure 8 est une vue partielle de détail de la figure 1 ; - la figure 9 est une vue partielle de côté en élévation de deux éléments sur les extrémités assemblées de deux tiges de forage ;
- la figure 10 est une vue partielle de côté en élévation de deux éléments sur les extrémités assemblées de deux tiges de forage ;
- la figure 11 est une vue de côté en élévation d'une masse-tige de forage à quatre tronçons d'appui;
- la figure 12 est une vue de côté en élévation d'une tige lourde de forage à quatre tronçons d'appui; - la figure 13 est une vue de côté en élévation d'un stabilisateur de forage à tronçons d'appui;
- la figure 14 est une vue de côté en élévation d'une pièce de raccordement souvent dénommée "cross-over sub"; et - la figure 15 montre les tiges des figures 7 et 8 assemblées.
Comme on peut le voir sur les figures 1 à 12, la tige profilée 1 présente une forme générale de révolution autour d'un axe 2 qui constitue sensiblement l'axe du forage, lorsque la tige profilée 1 d'un train de tiges de forage est en position de service à l'intérieur d'un trou de forage réalisé par un outil tel qu'un trépan disposé à l'extrémité de la garniture de forage. L'axe 2 est l'axe de rotation du train de tiges. La tige profilée 1 présente une forme tubulaire, un canal 3 de forme sensiblement cylindrique de révolution étant ménagé dans la partie centrale de la tige profilée 1.
Les composants de la garniture de forage (et notamment les tiges du train de tiges de forage illustrés par les figures 1 à 12) sont réalisés sous forme tubulaire et sont reliés entre eux bout à bout, de manière que leurs canaux centraux 3 se trouvent dans le prolongement l'un de l'autre et constituent un espace central continu de circulation d'un fluide de forage de haut en bas, comme représenté par la flèche 4 de la figure 2 entre la surface depuis laquelle on réalise le forage jusqu'au fond du trou de forage où travaille l'outil de forage. Le fluide ou boue de forage remonte ensuite dans un espace annulaire délimité entre la paroi du trou de forage et la surface extérieure du train de tiges, voir la flèche 5. Une garniture de forage peut comprendre des tiges, des tiges lourdes (« heavy weight drill pipe ») , des masses-tiges ("drill collar"), des stabilisateurs ou encore des raccords. Les tiges sont assemblées bout à bout par vissage en un train de tiges qui constitue une partie notable voire prépondérante de la longueur de la garniture de forage.
Le fluide de forage, au cours de sa remontée à l'extérieur de la tige de forage, entraîne des débris des forma- tions géologiques traversées par l'outil de forage vers la surface depuis laquelle on réalise le forage. Le train de tiges de forage est conçu de manière à faciliter la circulation ascendante du fluide de forage dans l'espace annulaire entre la tige et la paroi du puits. On cherche à entraîner les débris de forage de manière efficace et à produire un balayage de la paroi du trou de forage et des surfaces d'appui du train de tiges pour faciliter la progression du train de tiges de forage à l'intérieur du trou. Les caractéristiques d'une tige de forage et plus généralement d'un composant de garniture de forage contribuent aux propriétés fondamentales de qualité, de performances et de sécurité du processus général de forage que ce soit pendant les phases de creusement proprement dites ou pendant les phases de manœuvre entre le fond et la surface. Les évolutions de la recherche des hydrocarbures exigent la réalisation de profils de trajectoires de plus en plus complexes et dans des conditions géologiques de plus en plus extrêmes. On recherche actuellement des hydrocarbures à des profondeurs couramment supérieures à 4 km et à des distances à l'horizontale par rapport à l'installation fixe pouvant dépasser une dizaine de kilomètres.
La demanderesse s'est rendu compte que les caractéristiques mécaniques et hydrauliques aux points de contact entre le composant de la garniture de forage et les parois du trou foré présentaient une grande importance. En effet, la garniture frotte en rotation et en translation contre la paroi du trou foré. Le frottement provoque une usure lente mais néanmoins significative des composants de la garniture et une usure relativement rapide des parois du trou foré d'où un accroissement du diamètre du trou foré et une augmentation du volume de débris qui peut s'avérer conséquente pour des trous de grande longueur. Par ailleurs, il convient d'éviter un colmatage par prise en masse des débris entre le trou de forage et la garniture.
La demanderesse a mis au point un nouveau profil universel permettant une diminution très importante des coefficients de frottement axiaux, du fond vers la surface et de la surface vers le fond et de rotation tout en permet- tant un nettoyage dynamique du trou complet durant le forage et une destruction des accumulations de déblais pouvant être générées au cours des remontées en manœuvre du train de tiges de forage. Le profil permet une diminution drastique de l'usure par abrasion de la garniture et notam- ment du train de tiges de forage et une diminution des usures par abrasion des parois du trou de forage. Le profil permet également d'éviter un contact entre les zones de contraintes maximales des connexions vissées. Le profil permet d'augmenter la durée de vie des équipements, la préservation en service de leur résistance mécanique durant les phases de forage et de manœuvre.
La tige profilée 1 peut être réalisée en acier à haute résistance mécanique, sous forme monobloc d'origine ou obtenue par tronçons puis soudés ensemble. Plus particulièrement, la tige profilée 1 peut comprendre deux tronçons profilés d'extrémités 6 et 7 relativement courts formant connecteurs d'assemblage de tiges dits « tool-joints » et un tronçon central 8 tubulaire de longueur pouvant dépasser dix mètres soudés ensemble. Le tronçon central 8 pt présenter un diamètre extérieur plus faible que les tronçons d'extrémités. La fabrication du tronçon central 8 long à part des tronçons d'extrémités 6, 7 courts permet de réduire significativement la quantité de déchets, notamment de copeaux à l'usinage. On obtient de la sorte un rendement matière considérablement plus élevé. Le tronçon central 8 peut se présenter sous la forme d'un tube d'alésage sensiblement constant et de diamètre extérieur sensiblement constant (diamètre nominal de la tige de forage) , avec éventuellement une surépaisseur aux extrémités vers les tronçons 6 et 7 pour faciliter le raccordement par soudure auxdits tronçons 6 et 7.
De façon générale, la description qui suit est donnée de l'extrémité libre du tronçon 6 à l'extrémité libre du tronçon 7. Le tronçon 6 (tool-joint femelle) comprend une portion de connexion femelle 9 de surface extérieure annulaire cylindrique comportant un alésage pourvu d'un filetage femelle 9a en vue de la connexion à un filetage mâle d'une autre tige 1. Le filetage femelle 9a peut être tron- conique, par exemple selon spécification API 7 ou selon l'un des brevets de la demanderesse, par exemple QS 7 210 710, US 6 513 840. La portion de connexion 9 constitue l'extrémité libre du tronçon d'extrémité 6 et de la tige 1. Le tronçon d'extrémité 6 comprend ensuite, sur une surface extérieure une zone d'activation 10 dont une vue en coupe est donnée sur la figure 3. La zone d'activation 10 comprend une surface extérieure tangente à la surface cylindrique extérieure de la portion de connexion 9, tout en pouvant présenter un très léger creux annulaire par rapport au diamètre extérieur de la portion de connexion 9, puis un diamètre extérieur croissant. La zone d'activation
10 comprend une pluralité de rainures 11 formées en hélice et présentant une forme générale (dont une inclinaison) favorisant la remontée des boues dans le sens de rotation du train de tiges, ce sens de rotation étant matérialisé sur les figures 1 et 3 à 6 par la flèche 91. Les rainures
11 s'étendent axialement depuis la surface extérieure cylindrique de la portion de connexion 9 jusqu'au voisinage de l'extrémité de la zone d'activation 10. L'angle d'inclinaison de l'hélice des rainures 11 par rapport à l'axe 2 peut être compris entre 7 et 45 degrés.
Le fond des rainures 11 comprend une portion lia de diamètre décroissant par rapport à la portion de connexion 9, un fond annulaire 11b de faible longueur et une portion inclinée lie du côté opposé à la portion de connexion 9 jusqu'à rejoindre le diamètre extérieur de la zone d'activation 11. Le creux annulaire de la surface extérieure de la zone d'activation 10 est situé sensiblement au niveau de la portion inclinée lia de la rainure 11. Comme illustré sur la figure 3, les rainures 11 présentent un profil dissymétrique en forme d'écope avec un angle obtus par rapport à la surface cylindrique extérieure de la zone d'activation 10 d'un côté et un angle aigu du côté opposé. L'angle aigu peut être prévu du côté arrière ou de sortie des rainures dans le sens de la rotation du train de tiges de forage (flèche 91) . On rappellera ici qu'un train de tiges de forage est actionné en rotation toujours dans le même sens afin d'éviter un dévissage des connexions filetées. L'angle obtus prévu du côté avant ou d'entrée des rainures est conçu pour faciliter l'entrée des filets de fluide dans les rainures 11. Les rainures 11 assurent du fait de leur profil dissymétrique une fonction d'écopage des débris.
Plus particulièrement, la zone d'activation 10 peut être pourvue de rainures 11 en nombre compris entre sept et dix, par exemple neuf. La longueur axiale de la portion lia peut être comprise entre 10 et 70 mm, préférablement entre 35 et 45 mm, par exemple égale à 39 mm. La longueur axiale de la portion centrale 11b peut être comprise entre 5 et 40 mm, préférablement entre 10 et 15 mm, par exemple égale à 11 mm. L'angle αl de la première portion lia par rapport à l'axe peut être compris entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°, par exemple égal à 20°. L'angle βl de la portion lie peut être compris entre 30 et 60°, préférablement entre 40 et 50°, par exemple égal à 45°. Les congés de raccordement entre lesdites portions peuvent être compris entre 3 et 10 mm de rayon. La profondeur des rainures 11 peut être comprise entre 5 et 20 mm, préférablement entre 10 et 15 mm. L'angle aigu du bord aval de la rainure 11, complémentaire de γi peut être compris entre 50 et 80°, préférablement entre 60 et 70°, par exemple égal à 65°. La distance dl entre deux rainures 11 sur l'extérieur de la portion d'activation 10 peut être comprise entre 20 et 40 mm, par exemple entre 25 et 30 mm. La zone d'activation 10 assure un effet de recirculation de la boue et des débris en cours de forage (descente en rotation du train de tiges) et un raclage des parois du trou à la remontée du train de tiges.
La tige 1 comprend ensuite sur sa surface extérieure, en s 'éloignant de la portion de connexion 9, une zone d'appui 12. La zone d'appui 12 comprend une portion de guidage 13, une portion centrale d'appui 14 et une portion de guidage 15. Dans le sens d'écoulement 5 de la boue de forage à l'extérieur de la tige 1, le tronçon de guidage 13 est en aval et le tronçon de guidage 15 est en amont. La zone d'appui 12 peut présenter une longueur axiale de l'ordre de 50 à 110 mm, préférablement de l'ordre de 70 à 80 mm. La portion centrale d'appui 14 présente une forme cylindrique de révolution de diamètre extérieur supérieur au diamètre extérieur des autres parties de la tige 1. Les tronçons de guidage 13 et 15 présentent une forme extérieure arrondie de révolution, par exemple toroïdale, ogivale ou encore ellipsoïdale. Les portions de guidage 13 et 15 sont tangentes extérieurement à la portion centrale d'appui 12. La portion de guidage 13 est tangente extérieurement à la surface extérieure de la zone d'activation 10. La portion de guidage 15 est tangente extérieurement à la zone d'activation 16 décrite plus loin. Le tronçon d'appui
14 peut présenter une longueur de l'ordre de la moitié de la longueur de la zone d'appui 12. Les portions de guidage
13 et 15 peuvent présenter chacune une longueur de l'ordre du quart de la longueur de la zone d'appui 12. Dans le cas d'une forme toroïdale, les portions de guidage 13 et 15 peuvent présenter un rayon de courbure de l'ordre de 50 à 100 mm, préférablement compris entre 70 et 80 mm. La zone d'appui 12, en particulier le tronçon d'appui 14, peut être réalisé sous forme d'un revêtement ou rechargement en un matériau plus dur que le reste de la tige 1. Le matériau dur peut comprendre du carbure de tungstène ou de chrome. Le matériau dur peut présenter une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, par exemple entre 2 et 4 mm. Ledit matériau dur se présente sous la forme d'un revêtement dur qui peut être apporté par une opération de soudure ou de projection thermique (par exemple dans une flamme ou un plasma) . La zone d'appui 12 est prévue pour supporter le frottement axial et en rotation contre la paroi du trou foré. La zone d'appui 12, en particulier le profil des portions de guidage, permet au fluide de générer un effet de palier flui- dique. La zone d'activation 16, disposée en amont de la zone d'appui 12 dans le sens d'écoulement de la boue de forage à l'extérieur de la tige 1, comprend un diamètre extérieur généralement croissant dans le sens d'écoulement de la boue de forage selon la flèche 5. La forme extérieure peut être par exemple ovoïde convexe. La zone d'activation 16 se raccorde tangentiellement d'un côté à la portion de guidage
15 de la zone d'appui 12 et peut se raccorder de l'autre côté à une surface conique de support vertical de la tige 1 avant son assemblage à une autre tige 1 (cône d'élévateur). La zone d'activation 16 comprend une pluralité de rainures 17 de forme générale similaire à celle des rainures 11 et de dimensions différentes. Les rainures 17 peuvent être au nombre compris entre quatre et huit, par exemple six. La zone d'activation 16 assure un écopage des boues et débris avec effet de recirculation des boues en cours de forage (descente du train de tiges) . Pour augmenter la vitesse axiale des boues entre les zones d'activation amont 16 et aval 10 et par là l'effet de recirculation des boues, l'inclinaison sur l'axe de l'hélice des rainures 11 situées en aval des rainures 17 peut être inférieure à celle des rainures 17.
Une rainure 17 comprend une portion aval 17a voisine de la portion de guidage 15, une portion centrale 17b présentant un fond cylindrique et une portion amont 17c de diamètre décroissant dans le sens de la flèche 5. La portion aval 17a peut présenter un angle β2 par rapport à l'axe 2 compris entre 30 et 60°, préférablement entre 40 et 50°, par exemple égal à 45°. La portion amont 17c peut présenter un angle α2 par rapport à l'axe 2 compris entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°, par exemple égal à 20°. La longueur axiale de la portion centrale 17b peut être comprise entre 20 et 60 mm, plus préférablement entre 30 et 40 mm, par exemple égale à 36 mm. La longueur axiale de la portion amont 17c peut être comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 30 mm, par exemple égale à 24 mm. La portion centrale 17b peut présenter un diamètre inférieur au diamètre de la portion centrale 11b des rainures 11 de la zone d'activation 10. Les rainures 17 peu- vent présenter une profondeur supérieure à la profondeur des rainures 11, préférablement plus de deux fois supérieure. La profondeur des rainures 17 peut être comprise entre 20 et 30 mm, préférablement entre 25 et 28 mm. Il est préférable que l'épaisseur de matériau entre le fond cylin- drique 17b des rainures et l'alésage 3 soit supérieure à celle de la zone de raccordement 18 décrite ci-après. Par exemple le diamètre en fonds de rainure peut être supérieur ou égal au diamètre extérieur de la zone de raccordement 18. Les rainures 17, illustrées en coupe sur la figure 4, présentent un bord amont dans le sens de la rotation du train de tiges avec un angle obtus par rapport à la surface extérieure de révolution de la zone d'activation 16 et un angle aigu du côté aval, complémentaire à γ2 par exemple compris entre 50 et 80°, préférablement entre 60 et 70°, par exemple égal à 65°. La distance d2 entre deux rainures 17 peut être comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 40 mm, par exemple égale à 30 mm dans la zone où ladite distance est minimale.
Au-delà de la zone d'activation 16, le tronçon d'extrémité 6 peut comprendre une zone d'élévateur conique 92 (destinée à supporter la tige lorsqu'elle est soulevée et maintenue par l'élévateur de la tour de forage avant sa connexion à une autre tige) tangente à la surface extérieure de la zone d'activation 16, puis une zone de raccordement 18 présentant une surface extérieure cylindrique jusqu'à son extrémité soudée au tronçon central 8.
Le tronçon d'extrémité 7 amont (tool-joint mâle) présente une forme très généralement symétrique à celle du tronçon d'extrémité 6. Le tronçon d'extrémité 7 comprend sur sa surface extérieure, dans le sens de la flèche 4, une zone de raccordement 19, une zone d'activation 20 pourvue de rainures 21, une zone d'appui 22 comprenant une portion de guidage aval 23, une portion d'appui central 24 et une portion de guidage amont 25, une zone d'activation 26 pourvue de rainures 27 et une zone de connexion mâle 28.
Plus précisément, la zone de raccordement 19 présente une forme extérieure cylindrique de révolution fixée d'un côté par soudure au tronçon central 8 et tangente du côté opposé à la zone d'activation 20. La zone d'activation 20 est munie de rainures 21 en nombre compris entre quatre et huit, par exemple égal à six. Les rainures 21 peuvent présenter des caractéristiques géométriques vues en coupe illustrées sur la figure 5 proches des caractéristiques géométriques des rainures 17 avec toutefois une profondeur légèrement inférieure. La zone d'activation 20 assure un effet de recirculation des boues et débris en cours de forage (descente du train de tiges) et un raclage du trou à la remontée du train de tiges.
Vues en coupe axiale, voir figures 2 et 8, les rainures 21 comprennent deux portions principales au lieu de trois pour les rainures 11 et 17. Les rainures 21 comprennent une portion aval 21a située dans le prolongement de la surface extérieure de la zone de raccordement 19 de manière à conserver une épaisseur de paroi de tige au niveau des portions 21a des rainures 21 au moins égale à celle de la paroi de la zone de raccordement 19. En d'autres termes, dans la zone aval 21a, le fond des rainures 21 est sensiblement plat. Au-delà de la portion aval 21a, les rainures 21 comprennent une portion amont 21b inclinée pour rejoindre le diamètre extérieur de la zone d'activation 20. La portion amont 21b peut présenter un angle d'inclinaison β3 par rapport à l'axe 2, compris entre 30 et 60°, préféra- blement entre 40 et 50°, par exemple égal à 45°. La surface extérieure de la zone d'activation 20 présente une forme générale bombée, par exemple ogivale entre la zone de raccordement 19 et la zone d'appui 22. La longueur axiale de la portion aval 21a peut être comprise entre 50 et 100 mm, préférablement entre 60 et 80 mm, plus préférable- ment encore inférieure au rayon moyen des tronçons de guidage. La distance d3 entre les rainures 21 peut être égale à la distance d2.
La zone d'appui 22 peut présenter des caractéristiques géométriques, physiques et/ou chimiques semblables à celles de la zone d'appui 12. Le tronçon de guidage aval 23 est tangent à la surface extérieure de la zone d'activation 20 et à la surface extérieure de la portion d'appui 22. Le tronçon de guidage amont 25 est tangent à la surface extérieure de la zone d'activation 26 et à la surface extérieure de la portion d'appui 22.
La zone d'activation 26 comprend une pluralité de rainures 27, par exemple en nombre compris entre cinq et dix, par exemple sept. La surface extérieure de la zone d'activation 26 comprend une portion de diamètre croissant dans le sens de la flèche 5 puis une portion de diamètre décroissant se raccordant au diamètre extérieur de la portion de connexion 28. Le fond des rainures 27 comprend une portion aval 27a de diamètre croissant dans le sens de la flèche 5, une portion centrale 27b de fond cylindrique, et une portion amont 27c de diamètre décroissant dans le sens de la flèche 5. La portion aval 27a peut présenter un angle β4 par rapport à l'axe 2 compris entre 30 et 60°, préférablement entre 40 et 50°, par exemple égal à 45°. La portion amont 27c peut présenter un angle Of4 par rapport à l'axe 2 compris entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°, par exemple égal à 20°. Le diamètre de la portion centrale 27b peut être compris entre le diamètre de la portion centrale 11b des rainures 11 et le diamètre de la portion centrale 17b des rainures 17. La longueur axiale de la portion centrale 27b peut être comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 30 mm. La longueur axiale de la portion amont 27c peut être comprise entre 20 et 80 mm, préférablement entre 40 et 60 mm, par exemple égale à 53 mm. La zone d'activation 26 assure un écopage avec effet de recirculation des boues et débris lors du forage (descente du train de tiges) . Pour augmenter la vitesse axiale des boues entre les zones d'activation amont 26 et aval 20 et par là, la remontée des débris, l'inclinaison sur l'axe de l'hélice des rainures 21 situées en aval des rainures 27 peut être inférieure à celle des rainures 27. Vues en coupe transversale, voir figure 6, les rainures 27 présentent un bord amont dans le sens de rotation du train de tiges avec un angle obtus par rapport à la circonférence extérieure de la zone d'activation 26 et un angle aigu du côté du bord aval, complémentaire à γ4 par exemple avec un angle compris entre 50 et 80° par rapport à la circonférence extérieure, préférablement entre 60 et 70°, par exemple égal à 65e. La profondeur des rainures 27 peut être comprise entre 15 et 30 mm, préférablement entre 20 et 25 mm. La distance d4 entre les rainures peut être comprise entre 10 et 40 mm, de préférence entre 20 et 35 mm, par exemple égale à 25 mm.
La zone de raccordement 28 en amont de la zone d'activation 26 présente une forme extérieure cylindrique de révolution. La zone de raccordement 28 comprend également un filetage mâle 28a prévu pour coopérer avec un filetage femelle correspondant.
Dans le mode de réalisation représenté, l'élément profilé 1 comprend deux zones d'appui 12 et 22 séparées l'une de l'autre et chacune entourée par deux zones d'acti- vation, respectivement 10 et 16, 20 et 26. La distance entre les zones d'appui 12 et 22 peut être relativement importante, par exemple de l'ordre de 5 à 15 m selon la longueur de l'élément profilé 1. Il est intéressant de fabriquer la tige profilée 1 en tronçons 6, 7 et 8 distincts. Le tronçon central 8 se présentant sous la forme d'une pièce de révolution de diamètre maximal nettement inférieur au diamètre maximal des tronçons d'extrémités 6 et 7 (tool-joints) peut être fabriqué à partir d'une ébauche tubulaire de diamètre extérieur nettement inférieur, par exemple de l'ordre de 15 à 30 % au diamètre extérieur des tronçons d'extrémités 6 et 7. On réduit ainsi considérablement la quantité de matière à usiner par rapport à une tige 1 réalisée à partir d'une ébauche monobloc. Les tronçons 6, 7 et 8 sont soudés ensemble, par exemple par friction, avant ou après usinage des rainures des zones d'activation et avant ou après formation du renfort dur des zones d'appui 12 et 22.
Une garniture de forage peut être composée à partir de tiges 1 auxquelles sont ajoutés ou non d'autres éléments tels que des raccords, ou encore des tiges lourdes, des masses-tiges ou des stabilisateurs. Il est particulièrement intéressant de composer une garniture et plus particulièrement un train de . tiges à partir d'une forte proportion de tiges 1 assurant d'excellentes caractéristiques de forage, notamment de vitesse linéaire d'avancement, de faible couple d'entraînement, et de faible abrasion du trou foré. En effet, les zones d'activation 10, 16, 20 et 26 provoquent une mise en mouvement de la boue de forage et des débris situés à l'extérieur de la tige 1 avec un effet de raclage, notamment dans le cas de puits déviés sensiblement horizontaux dans lesquels les débris de forage ont tendance à sédimenter dans la partie inférieure du trou foré. Les zones d'activation assurent une reprise de ces sédiments et tendent à les faire remonter dans le sens de la flèche 5 en raison de leur inclinaison en hélice et du sens de rotation des garnitures de forage. De façon générale, la zone d'appui 12, 22 est réalisée en un matériau de dureté supérieure à la dureté du reste de la tige 1 et sur une épaisseur radiale telle que le diamètre extérieur du tronçon d'appui diminué du double de l'épaisseur radiale soit supérieur au diamètre extérieur d'une portion filetée de l'élément.
Au moins un tronçon de guidage peut présenter une forme toroïdale préférablement de rayon moyen supérieur à 20 mm, préférablement à 60 mm, en vue de former un palier fluide.
Au moins une zone d'activation peut présenter un diamètre extérieur croissant vers la zone d'appui. Au moins un tronçon de guidage peut présenter une forme ogivale ou ellipsoïdale.
La longueur du tronçon d'appui peut être comprise entre 20 et 50 mm, préférablement entre 30 et 40 mm.
La longueur de la zone d'appui peut être comprise entre 50 et 100 mm, préférablement entre 70 et 80 mm, plus préférablement inférieure au rayon moyen des tronçons de guidage .
La figure 15 montre un assemblage de deux tiges 1 par leurs filetages 9a et 28a. La zone d'appui 12 et les zones d'activation 10, 16 de l'une des tiges sont relativement proches de la zone d'appui 22 et des zones d'activation 20 et 26 de l'autre tige (distance de l'ordre de moins de 0,50 m) . Compte tenu du sens 5 de circulation de la boue et débris à l'extérieur du train de tiges, la boue et les débris rencontrent d'abord la zone d'activation 16, puis la zone d'appui 12, puis la zone d'activation 10 puis à quelques dizaines de cm la zone d'activation 26, puis la zone d'appui 22 et enfin la zone d'activation 20.
Du fait de la proximité de ces zones, il peut être avantageux de chercher à augmenter la vitesse axiale des boues et débris le long de ces différentes zones. Pour cela on pourra choisir un angle d'inclinaison des rainures tel que cet angle diminue de manière monotone depuis les rainures les plus en amont 17 jusqu'aux rainures les plus en aval 21. En d'autres termes, l'angle d'inclinaison des rainures 21 peut être choisi inférieur à celui des rainures 27, l'angle d'inclinaison des rainures 27 peut être choisi inférieur à celui des rainures 11 et l'angle d'inclinaison des rainures 11 peut être choisi inférieur à celui des rainures 17.
Une tige 41 peut comprendre un tronçon d'extrémité 7 (tool-joint mâle) comprenant une zone d'activation 20 à l'aval d'une zone d'appui aval 22, une zone d'activation 26 à l'amont d'une zone d'appui amont 42 et une zone d'activation 46 entre lesdites zones d'appui aval et amont, voir figure 10. La tige 41 offre une activation accrue des boues et un excellent glissement sur les parois du puits.
Une tige 31 peut comprendre un tronçon 6 (tool-joint femelle) comprenant une zone d'activation 16 à l'amont d'une zone d'appui amont 12 et une zone d'activation 11 entre une zone d'appui aval 32 et ladite zone d'appui amont 12, voir figure 9. Le tronçon 31 comprend deux zones d'appui et deux zones d'activation. Dans le mode de réalisation de la figure 11, l'élément profilé 1 est une masse-tige. L'élément profilé 1 comprend quatre zones d'appui 12, 22, 52 et 62, chacune entourée de zones d'activation 10 et 16, 20 et 26, 50, et 56, 60 et 66.
Dans le mode de réalisation de la figure 12, l'élément profilé 1 est une tige lourde. L'élément profilé 1 comprend quatre zones d'appui 12, 22, 52 et 62, chacune entourée de zones d'activation 10 et 16, 20 et 26, 50 et 56, 60 et 66.
Dans le mode de réalisation de la figure 13, est prévu un stabilisateur 70, par exemple disposé sous l'extrémité inférieure d'un train de tiges. Le stabilisateur 70 comprend un filetage mâle à une extrémité et un filetage femelle à une autre extrémité.
Le stabilisateur 70 comprend sur sa surface extérieure une zone d'appui 12 comprenant deux tronçons d'appui aval 14 et amont 74, et deux zones d'activation 10 et 16 à l'aval et à l'amont de la zone d'appui 12. La zone d'appui 12 comprend deux tronçons de guidage 13, 15 respectivement entre la zone d'activation 10 et le tronçon d'appui aval 14, et entre la zone d'activation 16 et le tronçon d'appui amont 74. La zone d'appui 12 comprend un tronçon de liaison 73 entre le tronçon d'appui aval 14 et le tronçon d'appui amont 74. Le tronçon de liaison peut présenter un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur des tronçons d'appui 14 et 74. Le diamètre extérieur de la zone d'acti- vation 10 peut être différent du diamètre extérieur de la zone d'activation 16.
Le stabilisateur 70 comprend une première portion tu- bulaire entre le filetage mâle et la zone d'appui 12 et une deuxième portion tubulaire entre le filetage femelle et la zone d'appui 12. Le diamètre extérieur de chaque portion tubulaire est inférieur au diamètre maximal de la zone d'appui 12, préférablement inférieur à 65 % du diamètre maximal de la zone d'appui 12. Le diamètre extérieur de la première portion tubulaire peut être supérieur ou égal au diamètre extérieur de la deuxième portion tubulaire. La longueur de la première portion tubulaire peut être comprise entre 254 et 1219 mm.
Des gorges 71 de forme générale hélicoïdale peuvent être ménagées au moins dans la zone d'appui 12 en constituant des lames 75 de stabilisateur entre les gorges 71. Les gorges 71 s'étendent au moins du tronçon d'appui aval 14 au tronçon d'appui amont 74. Les gorges 71 peuvent être en nombre compris entre deux et six, par exemple trois. Les gorges 71 présentent un angle d'inclinaison par rapport à l'axe 2 compris entre 15 et 35°. L'angle d'inclinaison peut être compris entre l'angle d'inclinaison des rainures 11 de la zone d'activation 10 et l'angle d'inclinaison des rainures 17 de la zone d'activation 16. Les gorges 71 peuvent s'étendre de la zone d'activation 10 à la zone d'activation 16. Les gorges 71 peuvent déboucher à leurs extrémités dans au moins une partie des rainures 11 et 17, par exemple trois sur six. Les gorges 71 assurent une fonction de circulation des boues de forage, le diamètre extérieur du stabilisateur pouvant être proche de celui du trou foré et certaines au moins des lames 75 venant en appui contre la surface inférieure du trou.
Dans le mode de réalisation de la figure 14, une pièce de raccordement ou "cross-over sub" 80 est dépourvue de gorges 71. La pièce de raccordement 80 peut présenter une zone d'appui 41 semblable à celle illustrée sur la figure 10, un filetage mâle à une extrémité et un filetage femelle à une autre extrémité, une première portion tubulaire entre le filetage mâle et la zone d'appui 41 et une deuxième portion tubulaire entre le filetage femelle et la zone d'appui 41. Le diamètre extérieur de chaque portion tubulaire est inférieur au diamètre maximal de la zone d'appui 12 qui peut lui-même être très inférieur au diamètre du trou foré. L'inertie des première et deuxième portions tubulaires peut être voisine de l'inertie des extrémités des composants qui leur sont adjacents. Ainsi, si le composant adjacent à la première portion est une masse-tige, l'inertie de la première portion peut être voisine de celle de la masse-tige. Si le composant adjacent à la deuxième portion est une tige lourde, l'inertie de la deuxième portion peut être voisine de celle de la tige lourde.
Chaque stabilisateur 70 ou pièce de raccordement 80 peut servir de raccord entre un ensemble de fond de trou ("bottom hole assembly" ou BHA) et un train de tiges pouvant comporter des tiges lourdes à son extrémité inférieure. Dans un mode de réalisation, un stabilisateur 70 ou pièce de raccordement 80 est disposé entre une tige lourde (ou une tige standard s'il n'est pas prévu de tige lourde) faisant partie du train de tiges et une masse-tige ou un autre composant faisant partie de l'ensemble de fond de trou. Plus particulièrement, le diamètre extérieur de la partie tubulaire supérieure de la masse-tige peut être différent du diamètre extérieur de la première portion tubulaire du stabilisateur 70 ou de la pièce de raccordement 80. Le diamètre extérieur de la partie tubulaire inférieure de la tige lourde peut être différent du diamètre extérieur de la deuxième portion tubulaire du stabilisateur 70 ou de la pièce de raccordement 80. On notera que les stabilisateurs sont ordinairement disposés au sein de l'ensemble de fond de trou (par exemple vers les extrémités inférieure et supérieure). La mise en place d'un stabilisateur 70 ou d'une pièce de raccordement 80 entre le train de tiges et l'ensemble de fond de trou offre des avantages particuliers lors d'opérations dites "backrea- ming" de remontée de garniture. Dans une configuration standard (sans composant de type 70, 80 entre l'ensemble de fonds de trou et le train de tige) , il tend en effet à se créer une accumulation de débris ou "dune" juste au dessus de l'ensemble de fond de trou en conditions de remontée de garniture backreaming. Les inventeurs ont constaté l'influence particulièrement bénéfique sur l'évacuation des débris de disposer au moins un composant 70, 80 entre l'ensemble de fond de trou et le train de tiges. En outre, une pièce de raccordement 80 peut permettre de réaliser une transition entre l'inertie élevée d'une masse-tige de l'ensemble de fond de trou et celle plus faible d'une tige lourde ou d'une tige standard de forage. De façon plus générale, les rainures 11, 17, 21, 27 peuvent comprendre une portion de fond inclinée selon un plan sécant à l'axe proche de la zone d'appui adjacente, l'inclinaison de ce plan par rapport à l'axe étant comprise entre 30 et 60°, préférablement entre 40 et 50°. Au moins une partie des rainures 11, 17, 21, 27 peut comprendre une portion centrale dont le fond est selon un plan sensiblement parallèle à l'axe.
Une tige peut comprendre une portion sensiblement tubulaire entre une zone d'activation à l'amont d'une première zone d'appui et une zone d'activation à l'aval d'une deuxième zone d'appui.
Les rainures de la zone d'activation à l'amont de la deuxième zone d'appui peuvent comprendre une portion inclinée distante de la zone d'appui adjacente dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe. L'inclinaison de ce plan par rapport à l'axe peut être comprise entre 10 et 30°, de préférence entre 15 et 25°.
Les rainures de la zone d'activation à l'amont de la deuxième zone d'appui peuvent comprendre une portion dis- tante de la zone d'appui dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe et de longueur comprise entre 20 et 80 mm, préférablement entre 40 et 60 mm, et une portion centrale dont le fond est selon un plan sensiblement parai- lèle à l'axe, de longueur comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 30 mm.
Les rainures de la zone d'activation à l'aval de la deuxième zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est selon un plan sensiblement parallèle à l'axe, de longueur comprise entre 50 et 120 mm, préférablement entre 70 et 80 mm.
Les rainures de la zone d'activation à l'aval de la deuxième zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est selon un plan sensiblement parallèle à l'axe et tangent à une surface extérieure d'une surface sensiblement tubulaire.
Les rainures de la zone d'activation à l'amont de la première zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe distante de la zone d'appui adjacente. L'inclinaison par rapport à l'axe peut être comprise entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°.
Les rainures de la zone d'activation à l'amont de la première zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe distante de la zone d'appui adjacente et de longueur comprise entre
10 et 60 mm, préférablement entre 20 et 30 mm, et une portion centrale sensiblement axiale de longueur comprise entre 10 et 80 mm, préférablement entre 30 et 40 mm.
Les rainures de la zone d'activation à l'aval de la première zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe distante de la zone d'appui adjacente, l'inclinaison par rapport à l'axe étant comprise entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°.
Les rainures de la zone d'activation à l'aval de la première zone d'appui peuvent comprendre une portion dont le fond est incliné selon un plan sécant à l'axe distante de la zone d'appui adjacente et de longueur comprise entre 10 et 70 mm, préférablement entre 35 et 45 mm, et une portion centrale sensiblement axiale de longueur comprise entre 5 et 40 mm, préférablement entre 10 et 15 mm. Le produit de la profondeur d'une rainure et du nombre de rainures d'une zone d'activation peut être compris entre 80 et 200 mm, préférablement entre 100 et 160 mm.
Les rainures des zones d'activation peuvent présenter avec la surface extérieure de la zone d'activation un angle aigu sur un bord et un angle obtus sur le bord opposé dans le sens circonférentiel et par rapport à la circonférence extérieure de la zone d'activation. L'angle aigu peut présenter une valeur comprise entre 60° et 70°. La distance entre deux rainures d'une zone d'activation peut être comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 35 mm.
La profondeur d'une rainure d'une zone d'activation peut être comprise entre 10 et 40 mm, préférablement entre 11 et 28 mm.
Les rainures présentent une forme générale d'hélice d'angle par rapport à l'axe décroissant d'amont en aval d'une zone d'appui.
Un tronçon tel que décrit ci-dessus peut être pourvu d'un raccordement fileté à l'une de ses extrémités et dépourvu de filetage à l'autre extrémité. Ainsi, une tige de forage peut comprendre au moins un tronçon de ce type (constitué par exemple à partir d'un tool-joint) et un tube dont une face d'extrémité est soudée sur l'extrémité dé- pourvue de filetage dudit tronçon (soudage dit en bout) . La tige de forage peut comprendre deux tronçons reliés par un tube soudé par ses faces d'extrémité à l'extrémité dépourvue de filetage de chaque tronçon. On peut former un train de tiges de forage comprenant au moins 80 % de tiges de forage selon l'invention, voire 100 %.
On dispose d'un élément de tige de forage permettant une amélioration considérable des performances de forage, notamment une augmentation de la vitesse d'avancement de l'ordre de 10 à 30 %, une diminution du couple de frotte- ment de l'ordre de 10 à 60 %, une diminution du frottement axial de l'ordre de 10 à 50 %, une augmentation de la durée de vie du train de tiges de l'ordre de 10 à 30 % et une augmentation de la longueur totale du trou foré de l'ordre de 1 à 2 km.

Claims

Revendications
1. Elément (6) de garniture (1) de forage, pour le fo- rage d'un trou avec circulation d'un fluide de forage autour dudit élément (6) et dans un sens (5) allant d'un fond de trou de forage vers la surface, comprenant au moins une zone d'appui (12) sur la paroi du trou pendant le forage, la zone d'appui (12) étant pourvue extérieurement d'au moins un tronçon d'appui (14) de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties de l'élément, et deux zones d'activation (10, 16) sensiblement adjacentes à la zone d'appui (12) et disposées en amont et en aval de la zone d'appui (12), les termes amont et aval étant définis par rapport au sens (5) de circulation du fluide autour dudit élément, lesdites zones d'activation (10, 16) comprenant une pluralité de rainures (11, 17) de forme générale hélicoïdale autour de l'axe (2) dudit élément, caractérisé par le fait que la zone d'appui (12) comprend deux tronçons de guidage (13, 15) de forme de révolution arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui (14) et de façon adjacente au tronçon d'appui (14), lesdits tronçons de guidage (13, 15) étant tangents extérieurement au tronçon d'appui (14) et aux zones d'activation (10, 16) .
2. Elément de garniture (1) de forage, pour le forage d'un trou avec circulation d'un fluide de forage autour dudit élément (6) et dans un sens (5) allant d'un fond de trou de forage vers la surface, ledit élément formant raccord entre un train de tiges (1) de forage ou un train de tiges lourdes de forage et un ensemble de fond de trou, l'élément comprenant une première extrémité comprenant une surface extérieure présentant un premier diamètre et un filetage femelle, une deuxième extrémité comprenant une surface extérieure présentant un deuxième diamètre et un filetage mâle, le premier diamètre étant inférieur ou égal au deuxième diamètre, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une zone d'appui (12) sur la paroi du trou pendant le forage, la zone d'appui (12) étant pourvue d'au moins un tronçon d'appui (14) de surface extérieure cylindrique et de diamètre extérieur supérieur au diamètre des autres parties de l'élément, et deux zones d'activation (10, 16) sensiblement adjacentes à la zone d'appui (12) et disposées en amont et en aval de la zone d'appui (12), lesdites zones d'activation (10, 16) comprenant une pluralité de rainures (11, 17) de forme générale hélicoïdale autour de l'axe (2) dudit élément, la zone d'appui (12) comprenant deux tronçons de guidage (13, 15) de forme annulaire arrondie convexe, disposés en amont et en aval du tronçon d'appui (14) et de façon adjacente au tronçon d'appui (14), lesdits tronçons de guidage (13, 15) étant tangents au tronçon d'appui (14) et aux zones d'activation (10, 16).
3. Elément selon la revendication 2, dans lequel des gorges (71) de forme générale hélicoïdale ménagées au moins dans la zone d'appui 12, s'étendent au moins du tronçon d'appui aval 14 au tronçon d'appui amont 74.
4. Elément selon la revendication 3, dans lequel les gorges 71 sont en nombre compris entre deux et six, présentent un angle d'inclinaison par rapport à l'axe (2) compris entre 15 et 35°, s'étendent de la zone d'activation 10 à la zone d'activation 16 et débouchent à leurs extrémités dans au moins une partie des rainures (11, 17).
5. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la zone d'appui (12) est réalisée en un matériau de dureté supérieure à la dureté du reste de l'élément et sur une épaisseur radiale E telle que le diamètre extérieur du tronçon d'appui (14) diminué du double de l'épaisseur radiale E soit supérieur au diamètre extérieur d'une portion filetée (9) de l'élément, au moins un tronçon de guidage (13, 15) présentant une forme toroïdale de rayon moyen compris entre 60 et 100 mm, préférablement entre 70 et 80 mm.
6. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une zone d'activation (10) présentant un diamètre extérieur croissant vers la zone d'appui (12) .
7. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un tronçon de guidage (13, 15) pré- sente une forme ogivale ou ellipsoïdale.
8. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'angle d'inclinaison par rapport à l'axe (2) de l'hélice des rainures (11) de la zone d'activation (10) en aval de la zone d'appui (12) est inférieur à l'angle correspondant de l'hélice des rainures (17) de la zone d'activation (16) en amont de la zone d'appui (12).
9. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les rainures (11) comprennent une portion inclinée proche de la zone d'appui adjacente, l'inclinaison par rapport à l'axe étant comprise entre 30 et 60°, préférablement entre 40 et 50°.
10. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie des rainures (11) comprend une portion centrale (llb) de forme tubulaire.
11. Elément selon l'une des revendications précéden- tes, dans lequel le produit de la profondeur d'une rainure
(11) et du nombre de rainures d'une zone d'activation (10) est compris entre 80 et 200 mm, préférablement entre 100 et
160 mm.
12. Elément selon l'une des revendications précéden- tes, dans lequel les rainures (11) d'au moins une zone d'activation (10) présentent un angle aigu sur un bord et un angle obtus sur le bord opposé dans le sens circonféren- tiel.
13. Elément selon la revendication précédente, dans lequel l'angle aigu présente une valeur comprise entre 20 et 30° par rapport à un plan passant par l'axe (2) de l'élément et par ledit bord.
14. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distance entre deux rainures (11) d'une zone d'activation (10) est comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 35 mm.
15. Elément selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la profondeur d'une rainure (11) d'au moins une zone d'activation (10) est comprise entre 10 et 40 mm, préférablement entre 11 et 28 mm.
16. Elément selon l'une des revendications précédentes, comprenant trois à cinq zones d'appui.
17. Elément selon l'une des revendications précédentes, comprenant une zone d'activation (20) à l'aval d'une zone d'appui aval (22), une zone d'activation (26) à l'amont d'une zone d'appui amont (42), et une zone d'activation (46) entre lesdites zones d'appui aval et amont.
18. Elément selon l'une des revendications précéden- tes, comprenant une zone d'activation (16) à l'amont d'une zone d'appui amont (12), et une zone d'activation (11) entre une zone d'appui aval (32) et ladite zone d'appui amont (12) .
19. Elément selon la revendication 1, dépourvu de fi- letage à l'une de ses extrémités et muni d'un filetage à
1' autre extrémité .
20. Tige de forage comprenant deux éléments selon la revendication 19 et une portion sensiblement tubulaire (8) fixée auxdits éléments entre une zone d'activation (16) à l'amont d'une première zone d'appui (12) et une zone d'activation (20) à l'aval d'une deuxième zone d'appui (22).
21. Tige selon la revendication précédente, dans Ia- quelle les rainures (27) de la zone d'activation (26) à l'amont de la deuxième zone d'appui (22) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (27c) selon un plan sécant à l'axe, l'inclinaison (α4) dudit plan sécant par rapport à l'axe dudit plan sécant par rapport à l'axe étant comprise entre 10° et 30°, préféra- blement entre 15° et 25°.
22. Tige selon l'une des deux revendications précédentes, dans laquelle les rainures (27) de la zone d'activa- tion (26) à l'amont de la deuxième zone d'appui (22) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (27c) selon un plan sécant à l'axe et de longueur comprise entre 20 et 80 mm, préférablement entre 40 et 60 mm, et une portion centrale (27b) à fond selon un plan sensiblement parallèle à l'axe de longueur comprise entre 10 et 50 mm, préférablement entre 20 et 30 mm.
23. Tige selon l'une des trois revendications précédentes, dans laquelle les rainures (21) de la zone d'acti- vation (20) à l'aval de la deuxième zone d'appui (22) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond (21a) selon un plan sensiblement parallèle à l'axe de longueur comprise entre 50 et 120 mm, préférablement entre 70 et 80 mm.
24. Tige selon l'une des quatre revendications précédentes, dans laquelle les rainures (21) de la zone d' activâtion (20) à l'aval de la deuxième zone d'appui (22) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond (21a) selon un plan sensiblement parallèle à l'axe et tangente à une surface extérieure d'une portion sensiblement tubulaire (19) .
25. Tige selon l'une des cinq revendications précédentes, dans laquelle les rainures (17) de la zone d' activa- tion (16) à l'amont de la première zone d'appui (12) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (17c) selon un plan sécant à l'axe, l'incli- naison dudit plan sécant étant comprise entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°.
26. Tige selon l'une des six revendications précédentes, dans laquelle les rainures (17) de la zone d'activa- tion (16) à l'amont de la première zone d'appui (12) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (17c) selon un plan sécant à l'axe et de longueur comprise entre 10 et 60 mm, préférablement entre 20 et 30 mm, et une portion centrale (17b) à fond selon un plan sensiblement parallèle à l'axe de longueur comprise entre 10 et 80 mm, préférablement entre 30 et 40 mm.
27. Tige selon l'une des sept revendications précédentes, dans laquelle les rainures (11) de la zone d'activa- tion (10) à l'aval de la première zone d'appui (12) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (lia) selon un plan sécant à l'axe, l'inclinaison dudit plan sécant par rapport à l'axe étant comprise entre 10 et 30°, préférablement entre 15 et 25°.
28. Tige selon l'une des huit revendications précédentes, dans laquelle les rainures (11) de la zone d'activa- tion (10) à l'amont de la première zone d'appui (12) comprennent une portion distante de la zone d'appui adjacente à fond incliné (lia) selon un plan sécant à l'axe et de longueur comprise entre 10 et 70 mm, préférablement entre 35 et 45 mm, et une portion centrale (Hb) à fond selon un plan sensiblement parallèle à l'axe de longueur comprise entre 5 et 40 mm, préférablement entre 10 et 15 mm.
29. Tige de forage (1) comprenant au moins un élément (6) selon la revendication 19 et un tube (8) dont une extrémité est soudée sur l'extrémité dépourvue de filetage dudit élément.
30. Train de tiges de forage comprenant au moins deux tiges (1) selon l'une quelconque des revendications 20 à 29.
31. Garniture de forage comprenant un train de tiges de forage comportant optionnellement à son extrémité inférieure au moins une tige lourde de forage, un ensemble de fond de trou, et au moins un élément selon l'une des reven- dications 2 à 4, éventuellement combinées avec au moins l'une des revendications 5 à 19 formant raccord entre une tige du train et l'ensemble de fond de trou.
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