FR2720507A1 - Evaluation appts. for lubricating properties of drilling mud - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage. The present invention relates to a device for evaluating the lubricating characteristics of a drilling mud.
Lors d'un forage pétrolier, de la boue sous pression est envoyée de la surface au fond du puits par l'intérieur de la garniture de forage, puis la boue remonte à la surface par l'espace annulaire défini entre la garniture et la paroi du puits. During oil drilling, pressurized mud is sent from the surface to the bottom of the well through the interior of the drilling string, then the mud rises to the surface through the annular space defined between the lining and the wall of Wells.
La boue de forage est destinée à lubrifier et à refroidir l'outil de forage qui est mis en rotation au fond du puits. Elle sert également à remonter à la surface les déblais. Enfin, la boue a pour fonction de tenir le puits en pression afin d'éviter des venues intempestives de divers éléments susceptibles d'être présents sous pression dans le puits. The drilling mud is intended to lubricate and cool the drilling tool which is rotated at the bottom of the well. It is also used to bring the spoil up to the surface. Finally, the function of the mud is to keep the well under pressure in order to avoid untimely coming of various elements likely to be present under pressure in the well.
Les boues de forage peuvent être à base d'huile ou d'eau. Cependant, on a tendance à remplacer les boues à huile, qui présentaient l'avantage d'avoir un haut pouvoir lubrifiant, par des boues à base d'eau pour des raisons d'environnement. I1 convient, donc, d'améliorer le caractère lubrifiant d'une boue à eau en ajoutant des additifs. Afin de pouvoir sélectionner les additifs les plus aptes à améliorer les caractéristiques d'une boue à eau, il est nécessaire de connaître son comportement dans les conditions de haute pression et haute température qui règnent au fond d'un puits de forage. Drilling mud can be oil or water based. However, there is a tendency to replace oil sludge, which had the advantage of having a high lubricating power, with water-based sludge for environmental reasons. It is therefore advisable to improve the lubricating nature of a water mud by adding additives. In order to be able to select the most suitable additives for improving the characteristics of a water mud, it is necessary to know its behavior under the high pressure and high temperature conditions prevailing at the bottom of a wellbore.
La roche qui entoure un puits de forage est généralement poreuse, ce qui a pour résultat que les constituants liquides de la boue tendent à pénétrer dans la roche, laissant les particules solides former un dépôt sur la paroi du puits. La présence de ce dépôt de boue peut être nuisible pour l'avancement du forage pour deux raisons. Lors du forage, il arrive que la garniture de forage, et plus particulièrement les masses tiges qui sont de diamètre supérieur, viennent frotter contre la paroi du puits où la présence du dépôt de boue tend à freiner la rotation de la garniture. Ceci a pour résultat une abrasion et un échauffement de la garniture de forage et une consommation d'énergie plus importante pour maintenir la garniture en rotation. En outre, lorsque la garniture cesse de tourner pendant une durée prolongée, il peut arriver qu'un phénomène de coincement d'une partie de la garniture se produise dans ce dépôt de boue. Afin de libérer la garniture, il est nécessaire de lui appliquer un certain effort de traction et un couple. Un appareil d'analyse des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage doit permettre de tenir compte, voire même de reproduire ces divers phénomènes. The rock surrounding a wellbore is generally porous, which results in the liquid constituents of the mud tending to penetrate the rock, letting the solid particles form a deposit on the wall of the well. The presence of this mud deposit can be detrimental to the advancement of drilling for two reasons. During drilling, it sometimes happens that the drilling string, and more particularly the rod masses which are of larger diameter, rub against the wall of the well where the presence of mud deposit tends to slow down the rotation of the string. This results in abrasion and heating of the drill string and greater energy consumption to keep the string rotating. In addition, when the lining stops rotating for an extended period of time, it may happen that a phenomenon of jamming of part of the lining occurs in this deposit of mud. In order to release the lining, it is necessary to apply a certain tensile force and a torque to it. An apparatus for analyzing the lubricating characteristics of a drilling mud must make it possible to take into account, or even to reproduce, these various phenomena.
De la demande de brevet français FR 94-03692 déposé le 29 Mars 1994, on connaît un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage comprenant une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour une boue à analyser et comportant un sabot de mesure libre en rotation, et au moins un capteur de mesure apte à mesurer les contraintes générées lors d'un contact entre le sabot et une surface intérieure de l'enceinte, et dans lequel le capteur est monté à l'intérieur du sabot. From French patent application FR 94-03692 filed March 29, 1994, there is known a device for evaluating the lubricating characteristics of a drilling mud comprising a chamber provided with an inlet and an outlet for a mud to be analyzed. and comprising a measurement shoe which is free to rotate, and at least one measurement sensor capable of measuring the stresses generated during contact between the shoe and an interior surface of the enclosure, and in which the sensor is mounted on the inside of the hoof.
Malgré ses avantages évidents, ce dispositif présente des inconvénients dans la mesure où la pression du fluide étudié, s'appliquant sur les colleretttes radiales qui serrent le cylindre en rotation, tend à déformer cellesci, ce qui a pour résultat d'empêcher le cylindre de tourner. Despite its obvious advantages, this device has drawbacks insofar as the pressure of the fluid studied, applying to the radial collars which tighten the cylinder in rotation, tends to deform them, which has the result of preventing the cylinder from turn.
La présente invention a, donc, pour objet un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage qui autorise une précision de mesure accrue tout en permettant une rotation libre du cylindre. The present invention therefore relates to a device for evaluating the lubricating characteristics of a drilling mud which allows increased measurement precision while allowing free rotation of the cylinder.
Pour ce faire, l'invention propose un dispositif d'évaluation des caractéristiques lubrifiantes d'une boue de forage comprenant une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour une boue à analyser, et comportant un sabot de mesure situé à l'intérieur d'un cylindre libre en rotation, et au moins un capteur de mesure apte à mesurer les contraintes générées lors d'un contact entre le sabot et une surface intérieure de l'enceinte, le capteur étant monté à l'intérieur du sabot, caractérisé en ce que il comporte une arrivée de fluide au niveau des deux surfaces annulaires situées entre le cylindre et les collerettes radiales. To do this, the invention provides a device for evaluating the lubricating characteristics of a drilling mud comprising an enclosure provided with an inlet and an outlet for a mud to be analyzed, and comprising a measuring shoe situated at the interior of a free rotating cylinder, and at least one measurement sensor capable of measuring the stresses generated during contact between the shoe and an interior surface of the enclosure, the sensor being mounted inside the shoe , characterized in that it includes a fluid inlet at the two annular surfaces located between the cylinder and the radial flanges.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue générale, partiellement en coupe longitudinale, d'un dispositif d'analyse selon le document
FR 94-03692 - la figure 2 est une vue de détail, analogue à celle de la figure 1, d'un dispositif d'analyse selon l'invention.Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description below made, by way of example, with reference to the appended drawings in which - FIG. 1 is a general view, partially in longitudinal section. , an analysis device according to the document
FR 94-03692 - Figure 2 is a detail view, similar to that of Figure 1, of an analysis device according to the invention.
Sur la figure 1 est représenté généralement en 10 un dispositif d'évaluation qui comprend une chambre de mesure 12 formée à l'intérieur d'une enceinte 14. Un cylindre 15 situé dans l'enceinte 14 est monté entre une bride inférieure 16 et une bride supérieure 18. Cette bride supérieure 18 est montée fixe sur la bride inférieure 16 par des colonnes 20 disposées symétriquement autour de l'enceinte 14. Le cylindre 15 est libre en rotation entre deux collerettes radiales 22, 24, chacune comportant des joints 26 d'étanchéité. Ces joints 26 assurent l'étanchéité de la chambre de mesure 12 en venant en contact intime avec deux surfaces planes 28, 30 disposées respectivement sur la bride inférieure 16 et la bride supérieure 18. In FIG. 1 is generally represented at 10 an evaluation device which comprises a measurement chamber 12 formed inside an enclosure 14. A cylinder 15 located in the enclosure 14 is mounted between a lower flange 16 and a upper flange 18. This upper flange 18 is fixedly mounted on the lower flange 16 by columns 20 arranged symmetrically around the enclosure 14. The cylinder 15 is free to rotate between two radial flanges 22, 24, each comprising seals 26 d sealing. These seals 26 seal the measurement chamber 12 by coming into intimate contact with two flat surfaces 28, 30 disposed respectively on the lower flange 16 and the upper flange 18.
Le cylindre 15 est destiné à être déplacé, tout en maintenant l'étanchéité de la chambre 12, entre la bride inférieure 16 et la bride supérieure 18, sous l'effet d'un vérin 32. A l'intérieur de l'enceinte 14 est monté un tube 34 en matériau poreux qui, de préférence, est un matériau fritté. La surface extérieure du tube 34 communique avec une sortie 38. The cylinder 15 is intended to be moved, while maintaining the seal of the chamber 12, between the lower flange 16 and the upper flange 18, under the effect of a jack 32. Inside the enclosure 14 is mounted a tube 34 of porous material which, preferably, is a sintered material. The outer surface of the tube 34 communicates with an outlet 38.
Un sabot de mesure 40 est monté dans la chambre 12 sur un arbre 42 qui traverse la bride inférieure 16 de façon étanche. L'arbre 42 est destiné à être mis en rotation par un moteur 47 muni d'un engrenage 48 par l'intermédiaire d'un manchon 49 dans lequel l'arbre 42 est libre de coulisser selon son axe longitudinal. Le sabot de mesure 40 comprend un cylindre en acier monté de manière symétrique sur l'arbre 42. L'arbre 42 est muni, à son extrémité inférieure, d'un vérin 50, décalé par rapport à l'axe de l'arbre 42, et destiné à déplacer l'arbre 42, et ainsi le sabot de mesure 40, selon l'axe longitudinal de l'arbre 42. A measuring shoe 40 is mounted in the chamber 12 on a shaft 42 which passes through the lower flange 16 in a sealed manner. The shaft 42 is intended to be rotated by a motor 47 provided with a gear 48 via a sleeve 49 in which the shaft 42 is free to slide along its longitudinal axis. The measuring shoe 40 comprises a steel cylinder mounted symmetrically on the shaft 42. The shaft 42 is provided, at its lower end, with a jack 50, offset relative to the axis of the shaft 42 , and intended to move the shaft 42, and thus the measuring shoe 40, along the longitudinal axis of the shaft 42.
La bride supérieure comprend une entrée 52 de boue à analyser, définie dans un élément de fermeture 53 amovible, qui communique avec un orifice 54, de section conique, agencé pour créer un écoulement laminaire de boue autour du sabot de mesure 40 et parallèle à l'axe de l'arbre 42, vers un orifice 56 disposé dans la bride inférieure 16 qui est en communication avec des sorties 58. L'élément de fermeture 53 amovible permet un nettoyage rapide de l'appareil. The upper flange comprises an inlet 52 for sludge to be analyzed, defined in a removable closure element 53, which communicates with an orifice 54, of conical section, arranged to create a laminar flow of mud around the measuring shoe 40 and parallel to the 'axis of the shaft 42, to an orifice 56 disposed in the lower flange 16 which is in communication with outlets 58. The removable closure element 53 allows rapid cleaning of the device.
Une pression importante exercée par le fluide au contact entre la collerette radiale 22 et la bride supérieure 18 entraîne par réaction un contact entre cette collerette radiale 22 et le cylindre 15, ce qui gène, et va jusqu'à bloquer, la rotation de ce cylindre. Il est impossible de diminuer la pression entre deux mesures successives car cela pourrait endommager le dépôt de boue qui doit être produit et maintenu en pression. A significant pressure exerted by the fluid in contact between the radial flange 22 and the upper flange 18 causes by reaction a contact between this radial flange 22 and the cylinder 15, which hinders, and goes so far as to block, the rotation of this cylinder . It is impossible to reduce the pressure between two successive measurements as this could damage the sludge deposit which must be produced and kept under pressure.
Sur la figure 2 est représenté en détail, un dispositif d'évaluation selon l'invention, qui inclue des dispositifs d'arrivée de fluide, 100 et 110 percés dans les collerettes respectives 22 et 24. Des espaces annulaires 120 et 125 séparent le cylindre 15 des collerettes radiales 22 et 24. In Figure 2 is shown in detail, an evaluation device according to the invention, which includes fluid inlet devices, 100 and 110 drilled in the respective flanges 22 and 24. Annular spaces 120 and 125 separate the cylinder 15 of the radial flanges 22 and 24.
L'écoulement du fluide à analyser s'effectue à haute température, près de 1500C, et haute pression, environ 100 bars, de l'entrée 52, par l'intérieur de la chambre de mesure 12, vers la sortie 58. Cette pression s'applique au niveau des surfaces 130 et 140 des collerettes radiales respectives 22 et 24, et serre par déformation ces collerettes sur le cylindre 15. Selon l'invention, afin d'éviter cette déformation, on fait parvenir, à travers les conduits 100 et 110, du fluide sous pression jusqu'à des surfaces 150 et 160 formées respectivement dans les collerettes radiales 22 et 24, afin de créer une force s'opposant à celle s'appliquant sur les surfaces 130 et 140 des collerettes 22 et 24. The flow of the fluid to be analyzed takes place at high temperature, near 1500C, and high pressure, approximately 100 bars, from the inlet 52, through the interior of the measurement chamber 12, towards the outlet 58. This pressure applies to the surfaces 130 and 140 of the respective radial flanges 22 and 24, and tightens by deformation these flanges on the cylinder 15. According to the invention, in order to avoid this deformation, it is sent through the conduits 100 and 110, pressurized fluid to surfaces 150 and 160 formed respectively in the radial flanges 22 and 24, in order to create a force opposing that which applies to the surfaces 130 and 140 of the flanges 22 and 24.
La présence de fluide à une telle température à l'intérieur de la chambre 12 crée un gradient de température important à travers l'enceinte 14 et les collerettes 22, 24, ce qui peut entraîner une déformation physique de celles-ci. The presence of fluid at such a temperature inside the chamber 12 creates a large temperature gradient through the enclosure 14 and the flanges 22, 24, which can cause physical deformation of these.
Cette déformation aurait pour résultat d'empêcher le coulissement du cylindre 15, sous l'effet du vérin 32, entre les surfaces planes 28, 30. Afin d'assurer ce libre coulissement, les surfaces planes 28 et 30 sont munies de joints composites 26 en viton, très peu compressibles, qui, dans des dispositifs de petites dimensions peuvent posséder une mousse de liège assurant l'étanchéité. La mise en pression par les conduits 100 et 110 assure l'étanchéité du système au niveau des surfaces 28 et 30. Des joints 27, qui possèdent une partie torique ayant un rôle de ressort et une partie assurant l'étanchéité, sont utilisés entre les collerettes 22/24 et le cylindre 15 pour des raisons d'étanchéïté avec l'extérieur et pour éviter que les deux fluides arrivant par 100/110 et 52 ne se mélangent. Les jeu formés par les espaces annulaires 120 et 125, situés entre les collerettes 22/24 et le cylindre 15, au niveau des surfaces 150 et 160, est variable et dépend du volume de fluide à injecter, sa viscosité et de la variation de température et du coefficient de dilatation.This deformation would result in preventing the sliding of the cylinder 15, under the effect of the jack 32, between the flat surfaces 28, 30. In order to ensure this free sliding, the flat surfaces 28 and 30 are provided with composite seals 26 made of viton, very little compressible, which, in small devices can have a cork foam ensuring sealing. The pressurization by the conduits 100 and 110 ensures the sealing of the system at the level of the surfaces 28 and 30. Seals 27, which have an O-ring part having a spring role and a sealing part, are used between the flanges 22/24 and the cylinder 15 for reasons of sealing with the outside and to prevent the two fluids arriving by 100/110 and 52 from mixing. The play formed by the annular spaces 120 and 125, located between the flanges 22/24 and the cylinder 15, at the level of the surfaces 150 and 160, is variable and depends on the volume of fluid to be injected, its viscosity and on the temperature variation and the coefficient of expansion.
De préférence, le fluide introduit par les conduits 100 et 110 est identique et à la même pression que le fluide étudié, car les surfaces d'application des forces entre le cylindre 15 et les collerettes radiales 22/24 sont de même dimension. Preferably, the fluid introduced through the conduits 100 and 110 is identical and at the same pressure as the fluid studied, since the surfaces for applying the forces between the cylinder 15 and the radial flanges 22/24 are of the same dimension.
Le fluide introduit dans les espaces annulaires 120 et 125 peut être différent de celui étudié puisque les joints 27 empêchent les fluides de communiquer. Les deux fluides différents peuvent avantageusement être reliés par un ensemble piston/cylindre dont le cylindre sépare, de manière étanche, les deux fluides. Cet agencement permet d'avoir le deuxième fluide à la même pression que le premier. The fluid introduced into the annular spaces 120 and 125 may be different from that studied since the seals 27 prevent the fluids from communicating. The two different fluids can advantageously be connected by a piston / cylinder assembly, the cylinder of which separates, in a sealed manner, the two fluids. This arrangement makes it possible to have the second fluid at the same pressure as the first.
On pourrait également effectuer un piquage unique dans le cylindre 15 qui communiquerait avec les surfaces 150 et 160 par des conduits longitudinaux. Un tuyau flexible permettrait de relier le piquage unique à la source de fluide sous pression. One could also carry out a single stitching in the cylinder 15 which would communicate with the surfaces 150 and 160 by longitudinal conduits. A flexible hose would connect the single nozzle to the source of pressurized fluid.
On peut envisager de faire varier les surfaces relatives 150 sur 130 et 160 sur 140 afin que la pression exercée par le fluide introduit dans les conduits 100 et 110 contre-balance, au moins en partie le poids des collerettes radiales, poids qui peut s'avérer important. It is possible to envisage varying the relative surfaces 150 by 130 and 160 by 140 so that the pressure exerted by the fluid introduced into the conduits 100 and 110 counterbalances, at least in part the weight of the radial flanges, a weight which can prove important.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2720507B1 (en) | 1996-07-26 |
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