EP4288634A1 - Trépan et outil de forage de hautes puissances pulsées - Google Patents

Trépan et outil de forage de hautes puissances pulsées

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Publication number
EP4288634A1
EP4288634A1 EP22702475.9A EP22702475A EP4288634A1 EP 4288634 A1 EP4288634 A1 EP 4288634A1 EP 22702475 A EP22702475 A EP 22702475A EP 4288634 A1 EP4288634 A1 EP 4288634A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bit
drill
drilling
face
voltage electrode
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.)
Pending
Application number
EP22702475.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gilles Avrillaud
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.)
I Cube Research
Original Assignee
I Cube Research
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 I Cube Research filed Critical I Cube Research
Publication of EP4288634A1 publication Critical patent/EP4288634A1/fr
Pending 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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
    • E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C37/00—Other methods or devices for dislodging with or without loading
    • E21C37/18—Other methods or devices for dislodging with or without loading by electricity

Definitions

  • the present invention relates to the field of drilling and relates more particularly to a rotary drilling tool with high pulsed powers.
  • Another known solution consists in using a high-power pulsed tool which triggers electric arcs in the rock from a high-voltage electrode and a ground electrode subjected to a high potential difference, for example order of a few tens of kilovolts to a few hundred kilovolts.
  • this solution only makes it possible to break the rock at the level of the pair of electrodes, which can make the process again relatively time-consuming.
  • Document US 8172006 B2 relates to a drilling tool whose drill bit includes electro-grinding electrodes.
  • the drill bit comprises both teeth and a high-voltage electrode surrounded by an annular ground electrode.
  • the electrical impulses are therefore only concentrated in the center of the tool head, which can limit its effectiveness and therefore has a disadvantage.
  • the electrodes can be damaged because they are directly exposed to the rock as the bit rotates.
  • the bit comprises rows of teeth, a high-voltage electrode and a remote electrode arranged in place of a row of teeth.
  • the electrical impulses are only concentrated on one side of the tool, which can limit its effectiveness and therefore again presents a disadvantage.
  • the electrodes can be damaged because they are directly exposed to the rock as the bit rotates.
  • the tool has no teeth and is not rotatable so as not to damage the electrodes.
  • High-voltage electrodes are distributed in the center of the front face of the drill bit and ground electrodes are distributed around the high-voltage electrodes, on the periphery of the front face of the drill bit.
  • This configuration has the disadvantage of requiring a lot of energy to generate pulses between each of the high-voltage electrodes and a ground electrode. Then, drilling can be time-consuming with such a tool as it is only electrical and not mechanical rotating.
  • the invention relates first of all to a bit for a drilling tool, said bit comprising a bit body having a drilling face and a face for attaching the bit to a rotor assembly of the drilling tool, said bit body delimiting a through channel for passage of the fluid flow connecting the fastening face to the drilling face by opening out at the level of a circular central facial opening of the drilling face, the drilling face comprising an external surface connecting the central face opening at the attachment face and from which extends a plurality of drill members uniformly distributed over said outer surface, each drill member comprising a fin, extending radially from the outer surface from the face of attachment into the central face opening, and a plurality of drill teeth extending from said vane being disposed side-by-side between a first drill tooth located at the end of the drilling face and a last drilling tooth located on the side of the fixing face, and each comprising a base and a cutting element arranged at the end of said base, the drill bit comprising a high-voltage electrode arranged in the channel crossing,
  • Each pair of electrodes formed by the high-voltage electrode and a ground electrode is configured to trigger an electric arc when said pair receives a voltage delivered across its terminals by the high-power pulse generator.
  • the through channel allows the flow of fluid to be routed through the bit in such a way that the fluid circulates continuously around the high electrode.
  • -voltage thus forming a fluid screen having a function of dielectric element allowing the electric arc to form between the high-voltage electrode and one of the ground electrodes.
  • the ground electrodes exhibit a tangential velocity greater than the tangential velocity of the high-voltage electrode, which is close to zero since the high-voltage electrode is located at the center of the front face of the bit body .
  • an electric arc is generated between the high voltage electrode and one of the ground electrodes and through the rock while the drill bit is rotating.
  • the fluid circulating between the high-voltage electrode and the ground electrodes has a dual function: a dielectric element function because, between the fluid and the rock, the electric arc will favor passage through the rock and thus fracture it and a drilling mud function because the circulation of the fluid makes it possible to evacuate the rock debris, conveying it to the surface.
  • the flow of fluid makes it possible to clean the inter-electrode zone.
  • the drilling members are uniformly distributed on the outer surface around the bit body in order to improve the efficiency of drilling, in particular mechanical, while allowing the flow of drilling mud between drilling devices.
  • the bit body comprises at least three drilling members, preferably four, five or six drilling members to improve drilling efficiency while allowing the flow of drilling mud between the drilling members.
  • the fins are made from material of the external surface of the bit body in order to improve the solidity of the bit and therefore the drilling efficiency.
  • the bases of the teeth of a drill member are made from the material of the fin of said drill member in order to improve the solidity of the drill bit and therefore the efficiency of the drilling.
  • the fins extend across the outer surface in a curved manner opposite to the rotation of the drill bit for the purpose of drilling efficiency.
  • each drill member comprises at least three drill teeth, preferably four, five or six drill teeth in order to improve drilling efficiency.
  • the base is of substantially cylindrical shape extending in a direction orthogonal to the axis of rotation of the drill bit in order to make the teeth solid and thus improve the efficiency of drilling and the duration of tool life.
  • the cutting elements are made of a hard and abrasive drilling material, for example from particles of polycrystalline diamond bonded together, in particular of the “polycrystalline diamond compact” (PDC) type.
  • PDC polycrystalline diamond compact
  • the ground electrodes being identical, the high-voltage electrode and the ground electrodes each have at least partly a spherical shape in order to slow down the erosion of the electrodes.
  • the electrodes could have a pointed shape, for example conical, or any other suitable shape.
  • the electrodes each having at least partly a spherical shape the diameter of the high-voltage electrode is at least equal to twice the diameter of each ground electrode in order to allow the formation of an electric arc between the high voltage electrode and any of the ground electrodes.
  • the high-voltage electrode and the six ground electrodes are made of an electrically conductive material, for example metal such as, preferably, steel.
  • the invention also relates to a rotary drilling tool of high pulsed powers, said drilling tool comprising a stator assembly and a rotor assembly, said stator assembly comprising a hollow cylindrical body comprising an attachment end adapted to be connected to a drill pipe and a free end, said rotor assembly comprising an impeller, mounted within the body at the attachment end and configured to be driven by a flow of fluid supplied by the drill pipe to drive said rotor assembly in rotation, a high-power pulse generator mounted inside the body and integrally connected to the turbine and a drill bit as presented above extending outside the cylindrical body at the end free from the stator assembly.
  • the drilling tool further comprises an electricity generator configured to convert the mechanical energy of the rotating turbine into electrical energy in order to supply the high-power pulse generator.
  • the generator is mounted inside the stator assembly.
  • the drilling tool further comprises a drilling motor mounted inside the body, integrally connected to the high-power pulse generator and configured to be driven by the flow of fluid having passed through the turbine.
  • the drilling tool further comprises a steering device integrally connected to the drill bit and in the form of an articulated tube configured to receive the power supplied by the turbine or the increased power supplied by the drilling motor and transmitting said power to the bit, to orient the bit in a given direction and to transfer fluid flow from the turbine to the bit.
  • a steering device integrally connected to the drill bit and in the form of an articulated tube configured to receive the power supplied by the turbine or the increased power supplied by the drilling motor and transmitting said power to the bit, to orient the bit in a given direction and to transfer fluid flow from the turbine to the bit.
  • the drilling tool 1 is rotary and has high pulsed powers.
  • the drilling tool 1 comprises a stator assembly 10 and a rotor assembly 20.
  • the stator assembly 10 comprises a hollow cylindrical body 110 having an attachment end 110A, adapted to be connected to a drill pipe 2, and a free end 110B.
  • the rotor assembly 20 comprises a turbine 210, a high-power pulse generator 220 and a drill bit 230.
  • the drilling tool 1 further comprises an electricity generator 240, a drill motor 250 and a steering device 260.
  • Turbine 210 is mounted within body 110 of stator assembly 10 at attachment end 110A and is configured to be driven by fluid flow supplied by drill pipe 2 to drive said rotor assembly 20 in rotation.
  • the electricity generator 240 is configured to convert the mechanical energy of the rotating turbine 210 into electrical energy.
  • High power pulse generator 220 is mounted within body 110 of stator assembly 10 and is integrally connected to turbine 210.
  • the 250 drill motor is a "mud motor” type.
  • the drilling motor 250 is mounted inside the body 110 of the stator assembly 10 by being integrally connected to the high-power pulse generator 220 and is configured to be driven by the flow of fluid having passed through the turbine 210 in order to increase the torque generated by the turbine 210 and supply it to the drill bit 230 via the steering device 260.
  • the steering device 260 is integrally connected on the one hand to the drilling motor 250 and on the other hand to the drill bit 230.
  • the steering device 260 is in the form of an articulated tube configured both to receive the increased power supplied by the drill motor 250 and to transmit said increased power to the drill bit 230, to steer the drill bit 230 in a given direction and to transfer fluid flow from turbine 210 via drill motor 250 to drill bit 230.
  • bit 230 is connected to the steering device 260 via a tubular connection portion 270 so as to extend outside the hollow cylindrical body 110 of the stator assembly 10 by the free end 110B.
  • Bit 230 is rotatable around an axis of rotation X.
  • Bit 230 includes a bit body 231 having a drilling face 231A and an attaching face 231B ( ).
  • the drilling face 231A is intended to come into contact with the rock in order to crush it.
  • Attachment face 231B is configured to attach drill bit 230 to tubular connection portion 270 such that bit body 231 and tubular connection portion 270 are coaxially connected.
  • the bit body 231 delimits a through channel 231C for passage of the fluid flow connecting the fixing face 231B, at the level of the connection to the tubular connection portion 270, to the drilling face 231A by emerging at the level of an opening central facial 231A1 circular drilling face 231A ( ) to allow the flow of fluid to circulate from the drill bit 230 to the rock in order in particular to evacuate the rock debris.
  • drill bit 230 comprises a high-voltage electrode 232C placed in the center of central facial opening 231A1 and having the shape of a hemisphere, the axis of which coincides with the axis of rotation X.
  • the axis of rotation X passes through the center of the central face opening 231A1 and the center of the high voltage electrode 232C.
  • Bit body 231 includes an outer surface 232 extending from central facial aperture 231A1 to attachment face 231B and from which extend a plurality of drill (or cutter) members 233 adapted to break rock .
  • Each drill member 233 comprises a fin 233A resulting from material of the outer surface 232 by extending radially in a curved manner in the direction opposite to the rotation of the drill bit 230 for the purpose of drilling efficiency.
  • Each fin 233A includes a distal end extending partially into the central facial opening 231A1 and a proximal end located at the junction between the outer surface 232 and the attachment face 231B ( ). Each pair of adjacent fins 233A delimits a groove 234 allowing in particular the evacuation of drilling mud.
  • each drill tooth 233B extends from the vane 233A in a direction orthogonal to the axis of rotation X of the bit 230 so as to dig the rock efficiently.
  • the assembly comprising each first drill tooth of each drill member 233 constitutes the end of the bit body 231 that first comes into contact with the rock.
  • Each drill member 233 comprises a ground electrode 233C placed at the end of the fin 233A, at the level of the high-voltage electrode 232C, so as to extend at least partly in line with the facial opening. central 231A1.
  • each ground electrode 233C is set back from the first drill teeth 233B of the drill members 233, that is to say set back in the fluid passage through channel 231C , in order to protect it from the friction of the rock during the rotation of the drill bit 230.
  • each ground electrode 233C has the shape of a hemisphere whose axis can be slightly inclined in the direction of the high-voltage electrode 232C , for example between 0 and 30°, in order to improve the formation of an electric arc between the high-voltage electrode 232C and said ground electrode 233C.
  • the power generator 240 driven by the turbine 210, then generates a charging current making it possible to recharge the capacitors of the high-frequency pulse generator 220 by means of a suitable electronic circuit.
  • the high-frequency pulse generator 220 periodically applies, for example between 0.5 and 50 pulses per second, preferably 30 pulses per second, a voltage between the high-voltage electrode 232C and the electrodes of mass 233C in order to trigger the formation of an electric arc making it possible to generate rock fragments, which eliminates the significant mechanical stresses on the drill bit which would have had to be applied to it to generate these fragments.
  • the ground electrodes 233C exhibit a greater tangential velocity than the tangential velocity of the high-voltage electrode 232C, which is close to zero since the high-voltage electrode 232C is located at the center of the drill face 231A of bit body 231.
  • the flow of fluid surrounding the high voltage electrode 232C creates an effective medium which ensures the formation of an electric arc in the rock between the high voltage electrode 232C and one of the ground electrodes 233C while the bit 230 is rotating.
  • the fluid thus has a dual function: a dielectric function because, between the fluid and the rock, the electric arc will favor the passage in the rock and thus fracture it and a drilling mud function because the circulation of the fluid allows evacuate the rock debris, conveying it to the surface.
  • the flow of fluid makes it possible to clean the inter-electrode zone.

Landscapes

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Abstract

Trépan (230) pour outil de forage (1) comprenant un corps de trépan (231) délimitant un canal traversant (231C) de passage du flux de fluide et comprenant une surface externe (232) de laquelle s'étend une pluralité d'organes de forage (233) répartis uniformément sur ladite surface externe (232), chaque organe de forage (233) comprenant une ailette (233A) s'étendant depuis la surface externe (232) et une pluralité de dents de forage (233B) s'étendant depuis ladite ailette (233A) et comportant chacune une embase (233B1) et un élément de coupe (233B2) disposé à l'extrémité de l'embase (233B1), le trépan comprenant une électrode haute-tension (232C) disposée au centre de l'ouverture faciale centrale (231A1) et chaque organe de forage (233) comprenant une électrode de masse (233C) placée à l'extrémité de l'ailette (233A), au niveau de ladite électrode haute-tension (232C), de sorte à s'étendre au moins en partie au droit de l'ouverture faciale centrale (231A1).

Description

    Trépan et outil de forage de hautes puissances pulsées
  • La présente invention se rapporte au domaine du forage et concerne plus particulièrement un outil de forage rotatif de hautes puissances pulsées.
    •
  • Dans le domaine du forage, il est connu d’utiliser des outils de forage rotatif pour creuser la roche. Dans une solution connue, ce type d’outil comporte un trépan comportant des dents qui creuse la terre ou la roche par rotation. Un tel forage rotatif purement mécanique peut s’avérer particulièrement chronophage en particulier pour les roches dures.
  • Une autre solution connue consiste à utiliser un outil de hautes puissances pulsées qui déclenche des arcs électriques dans la roche à partir d’une électrode haute-tension et d’une électrode de masse soumises à une différence de potentiel élevé, par exemple de l’ordre de quelques dizaines de kilovolts à quelques centaines de kilovolts. Cependant, cette solution ne permet de briser la roche qu’au niveau du couple d’électrodes, ce qui peut rendre le procédé là encore relativement chronophage.
  • Le document US 8172006 B2 concerne un outil de forage dont le trépan comporte des électrodes d’électro-broyage. Dans une forme de réalisation décrite à la figure 5 de ce document, le trépan comporte à la fois des dents et une électrode haute-tension entourée par une électrode de masse annulaire. Les impulsions électriques ne sont donc concentrées qu’au centre de la tête de l’outil, ce qui peut en limiter l’efficacité et présente donc un inconvénient. En outre, les électrodes peuvent être endommagées car elles sont directement exposées à la roche lors de la rotation du trépan. Dans une forme de réalisation décrite à la figure 6 de ce document, le trépan comporte des rangées de dents, une électrode haute-tension et une électrode déportée disposée à la place d’une rangée de dents. Cependant, avec cette configuration, les impulsions électriques ne sont concentrées que sur un côté de l’outil, ce qui peut en limiter l’efficacité et présente donc là encore un inconvénient. En outre, les électrodes peuvent être endommagées car elles sont directement exposées à la roche lors de la rotation du trépan. Dans les formes de réalisation des figures 35 à 37 de cet art antérieur, l’outil est dépourvu de dents et n’est pas rotatif pour ne pas endommager les électrodes. Des électrodes haute-tension sont réparties au centre de la face avant du trépan et des électrodes de masse sont réparties autour des électrodes haute-tension, en périphérie de la face avant du trépan. Cette configuration présente l’inconvénient de nécessiter beaucoup d’énergie pour générer des impulsions entre chacune des électrodes haute-tension et une électrode de masse. Ensuite, le forage peut s’avérer chronophage avec un tel outil dans la mesure où il n’est qu’électrique et non mécanique rotatif. En outre, il n’est pas certain que les impulsions électriques soient générées efficacement, car cela dépend du caractère diélectrique du milieu entre les électrodes haute-tension et les électrodes de masse.
  • Il existe donc un besoin d’une solution simple et efficace permettant de remédier au moins en partie à ces inconvénients.
    •
  • A cette fin, l’invention concerne tout d’abord un trépan pour outil de forage, ledit trépan comprenant un corps de trépan présentant une face de forage et une face de fixation du trépan à un ensemble de rotor de l’outil de forage, ledit corps de trépan délimitant un canal traversant de passage du flux de fluide reliant la face de fixation à la face de forage en débouchant au niveau d’une ouverture faciale centrale circulaire de la face de forage, la face de forage comprenant une surface externe reliant l’ouverture faciale centrale à la face de fixation et de laquelle s’étend une pluralité d’organes de forage répartis uniformément sur ladite surface externe, chaque organe de forage comprenant une ailette, s’étendant radialement depuis la surface externe depuis la face de fixation jusque dans l’ouverture faciale centrale, et une pluralité de dents de forage s’étendant depuis ladite ailette en étant disposées côte-à-côte entre une première dent de forage située au niveau de l’extrémité de la face de forage et une dernière dent de forage située du côté de la face de fixation, et comportant chacune une embase et un élément de coupe disposé à l’extrémité de ladite embase, le trépan comprenant une électrode haute-tension disposée dans le canal traversant, au centre de l’ouverture faciale centrale en retrait de la première dent de forage de chaque organe de forage, chaque organe de forage comprenant une électrode de masse placée à l’extrémité de l’ailette, au niveau de ladite électrode haute-tension, de sorte à s’étendre au moins en partie au droit de l’ouverture faciale centrale en retrait de la première dent de forage dudit organe de forage.
  • Chaque couple d’électrodes formé par l’électrode haute-tension et une électrode de masse est configuré pour déclencher un arc électrique lorsque ledit couple reçoit une tension délivrée à ses bornes par le générateur d’impulsions hautes-puissances. Ainsi, en traversant le corps de trépan pour déboucher au niveau de l’ouverture faciale centrale, le canal traversant permet d’acheminer le flux de fluide à travers le trépan de manière à ce que le fluide circule en continu autour de l’électrode haute-tension, formant ainsi un écran de fluide ayant une fonction d’élément diélectrique permettant à l’arc électrique de se former entre l’électrode haute-tension et l’une des électrodes de masse. Lorsque l’ensemble du rotor est entrainé en rotation par la turbine, le trépan tourne sur lui-même afin de creuser mécaniquement la roche à l’aide des dents. Ce faisant, les électrodes de masse présentent une vitesse tangentielle supérieure à la vitesse tangentielle de l’électrode haute-tension, qui est proche de zéro étant donné que l’électrode haute-tension est située au centre de la face avant du corps de trépan. Ainsi, lorsqu’une tension est appliquée entre l’électrode haute-tension et les électrodes de masse, un arc électrique est généré entre l’électrode haute-tension et l’une des électrodes de masse et au travers de la roche alors que le trépan est en rotation. Un tel agencement et un tel fonctionnement permettent au trépan en rotation d’être au plus près de la zone fragilisée par la fragmentation électrique tout en protégeant l’électrode haute-tension et les électrodes de masse des frottements directs sur la roche. Le fluide circulant entre l’électrode haute-tension et les électrodes de masse présente une double fonction : une fonction d’élément diélectrique car, entre le fluide et la roche, l’arc électrique va privilégier le passage dans la roche et ainsi la fracturer et une fonction de boue de forage car la circulation du fluide permet d’évacuer les débris de roche, en le convoyant à la surface. En outre, le flux de fluide permet de nettoyer la zone inter-électrodes.
  • Selon un aspect de l’invention, les organes de forage sont répartis de manière uniforme sur la surface externe autour du corps de trépan afin d’améliorer l’efficacité du forage, notamment mécanique, tout en permettant l’écoulement des boues de forages entre les organes de forage.
  • De manière préférée, le corps de trépan comprend au moins trois organes de forage, de préférence quatre, cinq ou six organes de forage pour améliorer l’efficacité du forage tout en permettant l’écoulement des boues de forages entre les organes de forage.
  • Selon une caractéristique de l’invention, les ailettes sont issues de matière de la surface externe du corps de trépan afin d’améliorer la solidité du trépan et donc l’efficacité du forage.
  • Selon une autre caractéristique de l’invention, les embases de dents d’un organe de forage sont issues de matière de l’ailette dudit organe de forage afin d’améliorer la solidité du trépan et donc l’efficacité du forage.
  • De préférence, les ailettes s’étendent sur la surface externe de manière incurvée dans le sens opposé à la rotation du trépan de forage dans un but d’efficacité du forage.
  • De préférence encore, chaque organe de forage comprend au moins trois dents de forage, de préférence quatre, cinq ou six dents de forage afin d’améliorer l’efficacité du forage.
  • Selon une caractéristique de l’invention, l’embase est de forme sensiblement cylindrique en s’étendant dans une direction orthogonale à l’axe de rotation du trépan afin de rendre les dents solides et améliorer ainsi l’efficacité du forage et la durée de vie de l’outil.
  • Avantageusement, les éléments de coupe sont réalisés en un matériau de forage dur et abrasif, par exemple à partir de particules de diamant polycristallin liées entre elles, notamment du type « compact en diamant polycristallin » (PDC).
  • De manière préférée, les électrodes de masse étant identiques, l’électrode haute-tension et les électrodes de masse présentent chacune au moins en partie une forme sphérique afin de ralentir l’érosion des électrodes. En variante, les électrodes pourraient présenter une forme pointue, par exemple conique, ou toute autre forme adaptée.
  • Dans une forme de réalisation, les électrodes présentant chacune au moins en partie une forme sphérique, le diamètre de l’électrode haute-tension est au moins égal au double du diamètre de chaque électrode de masse afin de permettre la formation d’un arc électrique entre l’électrode haute-tension et n’importe laquelle des électrodes de masse.
  • Selon un aspect de l’invention, l’électrode haute-tension et les six électrodes de masse sont réalisées en un matériau électriquement conducteur, par exemple du métal tel que, de préférence, de l’acier.
  • L’invention concerne également un outil de forage rotatif de hautes puissances pulsées, ledit outil de forage comportant un ensemble de stator et un ensemble de rotor, ledit ensemble de stator comprenant un corps cylindrique creux comportant une extrémité de fixation adaptée pour être reliée à une tige de forage et une extrémité libre, ledit ensemble de rotor comprenant une turbine, montée à l’intérieur du corps au niveau de l’extrémité de fixation et configurée pour être entrainée par un flux de fluide fourni par la tige de forage afin d’entrainer ledit ensemble de rotor en rotation, un générateur d’impulsions hautes-puissances monté à l’intérieur du corps et relié solidairement à la turbine et un trépan tel que présenté précédemment s’étendant en dehors du corps cylindrique au niveau de l’extrémité libre de l’ensemble de stator.
  • Dans une forme de réalisation, l’outil de forage comprend en outre un générateur d’électricité configuré pour convertir l’énergie mécanique de la turbine en rotation en énergie électrique afin d’alimenter le générateur d’impulsions hautes-puissances.
  • De préférence, le générateur est monté à l’intérieur de l’ensemble de stator.
  • De manière avantageuse, l’outil de forage comprend en outre un moteur de forage monté à l’intérieur du corps, relié solidairement au générateur d’impulsions hautes-puissances et configuré pour être entrainé par le flux de fluide ayant traversé la turbine.
  • Avantageusement encore, l’outil de forage comprend en outre un dispositif de direction relié solidairement au trépan et se présentant sous la forme d’un tube articulé configuré pour recevoir la puissance fournie par la turbine ou la puissance augmentée fournie par le moteur de forage et transmettre ladite puissance au trépan, pour orienter le trépan dans une direction donnée et pour transférer le flux de fluide provenant de la turbine vers le trépan.
    •
  • D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
  • La est une vue de côté partielle en transparence d’une forme de réalisation d’un outil de forage selon l’invention.
  •  La est une vue de côté partielle en perspective du trépan et du dispositif de direction de l’outil de la .
  •  La est une vue de face du trépan de l’outil de la .
  •  La est une vue de côté partielle en perspective du trépan de l’outil de la , montrant notamment certaines des dents.
    •
  • On a représenté sur les figures un exemple d’outil de forage 1 selon l’invention. L’outil de forage 1 est rotatif et de hautes puissances pulsées.
  • I) Outil de forage 1
  • En référence à la , l’outil de forage 1 comprend un ensemble de stator 10 et un ensemble de rotor 20.
  • 1) E nsemble de stator 10
  • L’ensemble de stator 10 comprend un corps 110 cylindrique creux comportant une extrémité de fixation 110A, adaptée pour être reliée à une tige de forage 2, et une extrémité libre 110B.
  • 2) Ensemble de rotor 20
  • L’ensemble de rotor 20 comprend une turbine 210, un générateur d’impulsions hautes-puissances 220 et un trépan 230. Dans cet exemple préféré mais non limitatif, l’outil de forage 1 comprend en outre un générateur d’électricité 240, un moteur de forage 250 et un dispositif de direction 260.
  • a) Turbine 210
  • La turbine 210 est montée à l’intérieur du corps 110 de l’ensemble de stator 10 au niveau de l’extrémité de fixation 110A et est configurée pour être entrainée par un flux de fluide fourni par la tige de forage 2 afin d’entrainer ledit ensemble de rotor 20 en rotation.
  • b) Générateur d’électricité 240
  • Le générateur d’électricité 240 est configuré pour convertir l’énergie mécanique de la turbine 210 en rotation en énergie électrique.
  • c) Générateur d’impulsions hautes-puissances 220
  • Le générateur d’impulsions hautes-puissances 220 est monté à l’intérieur du corps 110 de l’ensemble de stator 10 et est relié solidairement à la turbine 210.
  • d) Moteur de forage 250
  • Le moteur de forage 250 est de type « moteur à boue » (« mud motor » en langue anglaise). Le moteur de forage 250 est monté à l’intérieur du corps 110 de l’ensemble de stator 10 en étant relié solidairement au générateur d’impulsions hautes-puissances 220 et est configuré pour être entrainé par le flux de fluide ayant traversé la turbine 210 afin d’augmenter le couple généré par la turbine 210 et le fournir au trépan 230 via le dispositif de direction 260.
  • e) Dispositif de direction 260
  • Le dispositif de direction 260 est relié solidairement d’une part au moteur de forage 250 et d’autre part au trépan 230.
  • Le dispositif de direction 260 se présente sous la forme d’un tube articulé configuré à la fois pour recevoir la puissance augmentée fournie par le moteur de forage 250 et transmettre ladite puissance augmentée au trépan 230, pour orienter le trépan 230 dans une direction donnée et pour transférer le flux de fluide provenant de la turbine 210 via le moteur de forage 250 vers le trépan 230.
  • f) Trépan 230
  • En référence à la , le trépan 230 est relié au dispositif de direction 260 via une portion de connexion tubulaire 270 de sorte à s’étendre en dehors du corps 110 cylindrique creux de l’ensemble de stator 10 par l’extrémité libre 110B. Le trépan 230 est rotatif autour d’un axe de rotation X.
  • Le trépan 230 comprend un corps de trépan 231 présentant une face de forage 231A et une face de fixation 231B ( ). La face de forage 231A est destinée à venir en contact avec la roche afin de la broyer. La face de fixation 231B est configurée pour fixer le trépan 230 à la portion de connexion tubulaire 270 de sorte que le corps de trépan 231 et la portion de connexion tubulaire 270 soient reliés de manière coaxiale.
  • Le corps de trépan 231 délimite un canal traversant 231C de passage du flux de fluide reliant la face de fixation 231B, au niveau de la connexion à la portion de connexion tubulaire 270, à la face de forage 231A en débouchant au niveau d’une ouverture faciale centrale 231A1 circulaire de la face de forage 231A ( ) pour permettre au flux de fluide de circuler du trépan 230 vers la roche afin notamment d’évacuer les débris rocheux.
  • En référence aux figures 3 et 4, le trépan 230 comprend une électrode haute-tension 232C disposée au centre de l’ouverture faciale centrale 231A1 et présentant une forme de demi-sphère dont l’axe est confondu avec l’axe de rotation X. L’axe de rotation X passe par le centre de l’ouverture faciale centrale 231A1 et le centre de l’électrode haute-tension 232C.
  • Le corps de trépan 231 comprend une surface externe 232 s’étendant de l’ouverture faciale centrale 231A1 à la face de fixation 231B et de laquelle s’étend une pluralité d’organes de forage (ou de coupe) 233 adaptés pour briser la roche.
  • Les organes de forage 233 sont de préférence issus de matière du corps de trépan 231 et sont répartis de manière uniforme sur la surface externe 232, autour du corps de trépan 231. Dans l’exemple illustré, qui n’est aucunement limitatif, le trépan 230 comprend six organes de forage 233.
  • Chaque organe de forage 233 comprend une ailette 233A issue de matière de la surface externe 232 en s’étendant radialement de manière incurvée dans le sens opposé à la rotation du trépan 230 de forage dans un but d’efficacité du forage.
  • Chaque ailette 233A comprend une extrémité distale s’étendant en partie dans l’ouverture faciale centrale 231A1 et une extrémité proximale située au niveau de la jonction entre la surface externe 232 et la face de fixation 231B ( ). Chaque couple d’ailettes 233A adjacentes délimite une rainure 234 permettant notamment l’évacuation des boues de forage.
  • Des dents de forage 233B sont issues de matière de l’ailette 233A en étant reparties côte-à-côte le long de l’ailette 233A depuis l’extrémité distale en direction de l’extrémité proximale. Dans l’exemple des figures, notamment à la , chaque organe de forage 230 comprend cinq dents de forage 233B.
  • Comme illustré sur les figures 2 à 4, chaque dent de forage 233B s’étend depuis l’ailette 233A dans une direction orthogonale à l’axe de rotation X du trépan 230 de sorte à creuser la roche efficacement. Comme illustré sur la , l’ensemble comprenant chaque première dent de forage de chaque organe de forage 233 constitue l’extrémité du corps de trépan 231 venant en premier lieu en contact avec la roche.
  • L’électrode haute-tension 232C est disposée en retrait des premières dents de forage 233B de chaque organe de forage 233, c’est-à-dire en retrait dans le canal traversant 231C de passage de fluide, afin de la protéger des frottements de la roche lors de la rotation du trépan 230.
  • En référence aux figures 3 et 4, chaque dent de forage 233B comporte une embase 233B1 et un élément de coupe 233B2. L’embase 233B1 est issue de matière de l’ailette 233A et est de forme sensiblement cylindrique en s’étendant dans une direction orthogonale à l’axe de rotation X du trépan 230. L’élément de coupe 233B2 est disposé à l’extrémité de l’embase 233B1 dans le sens de rotation du trépan 230 afin de forer la roche par rotation de l’ensemble de rotor 20. L’élément de coupe 233B2 est réalisé en un matériau de forage dur et abrasif, par exemple à partir de particules de diamant polycristallin liées entre elles, notamment du type « compact en diamant polycristallin » (PDC). Les éléments de coupe 233B2 peuvent être fabriqués séparément du corps de trépan 231 puis fixés sur les embases 233B1 grâce à un matériau de liaison tel qu'un un alliage de brasage.
  • Chaque organe de forage 233 comprend une électrode de masse 233C placée à l’extrémité de l’ailette 233A, au niveau de l’électrode haute-tension 232C, de sorte à s’étendre au moins en partie au droit de l’ouverture faciale centrale 231A1. De même que l’électrode haute-tension 232C, chaque électrode de masse 233C est disposée en retrait des premières dents de forage 233B des organes de forage 233, c’est-à-dire en retrait dans le canal traversant 231C de passage de fluide, afin de la protéger des frottements de la roche lors de la rotation du trépan 230. Avantageusement, chaque électrode de masse 233C présente une forme de demi-sphère dont l’axe peut être légèrement incliné en direction de l’électrode haute-tension 232C, par exemple entre 0 et 30°, afin d’améliorer la formation d’arc électrique entre l’électrode haute-tension 232C et ladite électrode de masse 233C.
  • L’électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C sont réalisées en un matériau électriquement conducteur, par exemple du métal tel que, de préférence, de l’acier.
  • Chaque couple d’électrodes formé par l’électrode haute-tension 232C et une électrode de masse 233C est configuré pour déclencher un arc électrique lorsque ledit couple reçoit une tension délivrée à ses bornes par le générateur d’impulsions hautes-puissances 220.
  • II) Mise en œuvre
  • Le trépan 230 de forage à coupe fixe peut être placé dans un trou de forage de sorte que les éléments de coupe 233B2 viennent en butée contre la formation de roche à forer, l’électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C étant protégées de la roche par les dents de forage 233B.
  • Afin d’entrainer l’ensemble de rotor 20, et donc le trépan 230, en rotation, un fluide, par exemple de type boue, est envoyé par la tige de forage 2 dans la turbine 210 afin de l’entrainer en rotation.
  • Le générateur de puissance 240, entrainé par la turbine 210, génère alors un courant de charge permettant de recharger les condensateurs du générateur d’impulsion hautes-fréquences 220 par le biais d’un circuit électronique adapté.
  • Une fois qu’il a traversé la turbine 210, le flux de fluide traverse le moteur de forage 250 qui augmente la puissance (couple) transmise au trépan 230 afin de forer la roche par rotation.
  • Lors de la rotation du trépan 230, les éléments de coupe 233B2 raclent et cisaillent la surface de la formation sous-jacente. Dans le même temps, le générateur d’impulsion hautes-fréquences 220 applique périodiquement, par exemple entre 0,5 et 50 impulsions par seconde, de préférence 30 impulsions par seconde, une tension entre l’électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C afin de déclencher la formation d’un arc électrique permettant de générer des fragments de roche ce qui supprime les contraintes mécaniques importantes sur le trépan qui auraient dues lui être appliquées pour générer ces fragments.
  • En traversant le corps de trépan 231 pour déboucher au niveau de l’ouverture faciale centrale 231A1, le canal traversant 231C permet d’acheminer le flux de fluide à travers le corps de trépan 231 de manière à ce que le fluide circule en continu autour de l’électrode haute-tension 232C, formant ainsi un écran de fluide ayant une fonction de diélectrique permettant à l’arc électrique de se former entre l’électrode haute-tension 232C et l’une des électrodes de masse 233C. Le flux de fluide acheminé à travers le trépan 230 permet aussi d’évacuer les débris de roche au niveau de la zone de forage vers le haut du puit de forage.
  • Avec la rotation du trépan, les électrodes de masse 233C présentent une vitesse tangentielle supérieure à la vitesse tangentielle de l’électrode haute-tension 232C, qui est proche de zéro étant donné que l’électrode haute-tension 232C est située au centre de la face de forage 231A du corps de trépan 231. Ainsi, lorsqu’une tension est appliquée entre l’électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C, le flux de fluide entourant l’électrode haute-tension 232C crée un milieu efficace qui assure la formation d’un arc électrique dans la roche entre l’électrode haute-tension 232C et l’une des électrodes de masse 233C alors que le trépan 230 est en rotation.
  • Le fluide présente ainsi une double fonction : une fonction de diélectrique car, entre le fluide et la roche, l’arc électrique va privilégier le passage dans la roche et ainsi la fracturer et une fonction de boue de forage car la circulation du fluide permet d’évacuer les débris de roche, en le convoyant à la surface. En outre, le flux de fluide permet de nettoyer la zone inter-électrodes.
    •

Claims (15)

  1. Trépan (230) pour outil de forage (1), ledit trépan (230) comprenant un corps de trépan (231) présentant une face de forage (231A) et une face de fixation (231B) du trépan (230) à un ensemble de rotor (20) de l’outil de forage (1), ledit corps de trépan (231) délimitant un canal traversant (231C) de passage du flux de fluide reliant la face de fixation (231B) à la face de forage (231A) en débouchant au niveau d’une ouverture faciale centrale (231A1) circulaire de la face de forage (231A), la face de forage (231A) comprenant une surface externe (232) reliant l’ouverture faciale centrale (231A1) à la face de fixation (231B) et de laquelle s’étend une pluralité d’organes de forage (233) répartis uniformément sur ladite surface externe (232), chaque organe de forage (233) comprenant une ailette (233A), s’étendant radialement depuis la surface externe (232) depuis la face de fixation (231B) jusque dans l’ouverture faciale centrale (231A1), et une pluralité de dents de forage (233B) s’étendant depuis ladite ailette (233A) en étant disposées côte-à-côte entre une première dent de forage (233) située au niveau de l’extrémité de la face de forage (231A) et une dernière dent de forage (233B) située du côté de la face de fixation (231B), et comportant chacune une embase (233B1) et un élément de coupe (233B2) disposé à l’extrémité de ladite embase (233B1), le trépan (230) comprenant une électrode haute-tension (232C) disposée dans le canal traversant (231C), au centre de l’ouverture faciale centrale (231A1) en retrait de la première dent de forage (233B) de chaque organe de forage (233), chaque organe de forage (233) comprenant une électrode de masse (233C) placée à l’extrémité de l’ailette (233A), au niveau de ladite électrode haute-tension (232C), de sorte à s’étendre au moins en partie au droit de l’ouverture faciale centrale (231A1) en retrait de la première dent de forage (233B) dudit organe de forage (233).
  2. Trépan (230) selon la revendication 1, dans lequel les organes de forage (233) sont répartis de manière uniforme sur la surface externe (232) autour du corps de trépan (231).
  3. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps de trépan (231) comprend au moins trois organes de forage (233), de préférence quatre, cinq ou six organes de forage (233).
  4. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ailettes (233A) sont issues de matière de la surface externe du corps de trépan (231).
  5. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les embases (233B1) de dents (233B) d’un organe de forage (233) sont issues de matière de l’ailette (233A) dudit organe de forage (233).
  6. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ailettes (233A) s’étendent sur la surface externe (232) de manière incurvée dans le sens opposé à la rotation du trépan (230) de forage.
  7. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque organe de forage (230) comprend au moins trois dents de forage (233B), de préférence quatre, cinq ou six dents de forage (233B).
  8. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’embase (233B1) est de forme sensiblement cylindrique en s’étendant dans une direction orthogonale à l’axe de rotation (X) du trépan (230).
  9. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les éléments de coupe (233B2) sont réalisés en un matériau de forage dur et abrasif, par exemple à partir de particules de diamant polycristallin liées entre elles, notamment du type « compact en diamant polycristallin » (PDC).
  10. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, les électrodes de masse (233C) étant identiques, l’électrode haute-tension (232C) et les électrodes de masse (233C) présentent chacune au moins en partie une forme sphérique.
  11. Trépan (230) selon l’une quelconque des revendications précédentes, les électrodes (232C, 233C) présentant chacune au moins en partie une forme sphérique, le diamètre de l’électrode haute-tension (232C) est au moins égal au double du diamètre de chaque électrode de masse (233C) afin de permettre la formation d’un arc électrique entre l’électrode haute-tension (232C) et n’importe laquelle des électrodes de masse (233C).
  12. Outil de forage (1) rotatif de hautes puissances pulsées, ledit outil de forage (1) comportant un ensemble de stator (10) et un ensemble de rotor (20), ledit ensemble de stator (10) comprenant un corps (110) cylindrique creux comportant une extrémité de fixation (110A), adaptée pour être reliée à une tige de forage (2), et une extrémité libre (110B), ledit ensemble de rotor (20) comprenant une turbine (210), montée à l’intérieur de corps (110) au niveau de l’extrémité de fixation (110A) et configurée pour être entrainée par un flux de fluide fourni par la tige de forage (2) afin d’entrainer ledit ensemble de rotor (20) en rotation, un générateur d’impulsions hautes-puissances (220) monté à l’intérieur de corps (110) et relié solidairement à la turbine (210), et un trépan (230) selon l’une des revendications précédentes s’étendant en dehors du corps (110) cylindrique au niveau de l’extrémité libre (110B) de l’ensemble de stator (10).
  13. Outil de forage (1) selon la revendication précédente, comprenant en outre un générateur d’électricité (240) configuré pour convertir l’énergie mécanique de la turbine (210) en rotation en énergie électrique afin d’alimenter le générateur d’impulsions hautes-puissances (220).
  14. Outil de forage (1) selon l’une quelconque des revendications 12 ou 13, comprenant en outre un moteur de forage (250) monté à l’intérieur de corps (110), relié solidairement au générateur d’impulsions hautes-puissances (220) et configuré pour être entrainé par le flux de fluide ayant traversé la turbine (210).
  15. Outil de forage (1) selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, comprenant en outre un dispositif de direction (260) relié solidairement au trépan (230) et se présentant sous la forme d’un tube articulé configuré pour recevoir la puissance fournie par la turbine (210) ou la puissance augmentée fournie par le moteur de forage (250) et transmettre ladite puissance au trépan (230), pour orienter le trépan (230) dans une direction donnée et pour transférer le flux de fluide provenant de la turbine (210) vers le trépan (230).
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